Die Bionik entschlüsselt Erfindungen von Tieren und Pflanzen, um so die Technik zu verbessern und neue Produkte zu entwickeln. Im Alltag sind sie heute schon überall zu finden: auf Sportschuhen, an Hauswänden oder bei der Verkehrsplanung.
Auf der Suche nach der optimalen Verkehrsplanung hat man bereits ein Vorbild in der Natur gefunden: Ameisen. Foto: dpa
DÜSSELDORF. Viele Hausbesitzer erwärmen ihr Wasser mit Sonnenkollektoren auf dem Dach. Herzstück ist der Solarabsorber - eine dunkle Fläche, die Sonnenstrahlung aufnimmt und Energie an ein Trägermedium abgibt. Die Energieeffizienz eines solchen Wärmetauschers hängt davon ab, wie das Medium seine Kanäle durchströmt und wie hoch der Druckverlust ist. Der Wirkungsgrad bisheriger Kollektoren ist aber gering.
Michael Hermann vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE) nahm sich daher die Natur zum Vorbild, um Solarabsorber und andere Wärmetauscher leistungsfähiger zu machen. "Ich stellte mir die Frage: Wie würde es die Natur machen?", sagt der Wissenschaftler.
Bildergalerie: Roboterquallen und künstliche Mannequins
Die Antwort fand er bei Arterien, Blattstrukturen und Lungen. Auch dort müssen oft Netzwerke von Strömungskanälen für eine energieeffiziente Wärme- und Stoffübertragung sorgen. Statt auf gleichmäßige und geometrische Anordnungen - wie bei heutigen Wärmetauschern - setzt die Natur auf verzweigte Strukturen.
Hermanns Forschungen sorgten für Aufsehen: Anfang April bekam er den mit 10 000 Euro dotierten Bionic Award verliehen. Das Projekt ist nur ein Beispiel für eine im Aufschwung begriffene neue Forschungsrichtung. Wissenschaftler und Entwickler orientieren sich bei der Lösung technischer Probleme zunehmend an Vorbildern aus der Natur.
Die Disziplin hat sogar einen eigenen Namen: Bionik, ein Kunstwort aus Biologie und Technik. Die Disziplin entschlüsselt "Erfindungen" der Natur und setzt sie in die Technik um. Auf diese Weise sind etwa der Klettverschluss und selbstreinigende Fassadenfarben entstanden, die die geringe Benetzbarkeit von Lotusblättern imitieren.
Die Geschichte der Bionik reicht weit zurück. Der erste Bioniker sei Leonardo da Vinci gewesen, sagt der Forscher Knut Braun vom internationalen Bionik-Zentrum in Saarbrücken. Das italienische Universalgenie habe unter anderem den Vogelflug analysiert und versucht, seine Ergebnisse auf Flugmaschinen zu übertragen. Danach habe es viele Beispiele für Erfindungen gegeben, die sich an der Natur orientierten, sagt Braun. "Der Stacheldraht ahmt beispielsweise ein Gewächs in den USA nach, das seine Blätter mit Dornen vor dem Fraß von Wildtieren schützt."
Solar-Forscher Hermann hat gezeigt, dass auch moderne Technik noch viel von der Natur lernen kann. Mit der Erkenntnis der verzweigten Kanäle hat er ein Programm entwickelt, das die Fläche eines Wärmetauschers mit ähnlichen Strukturen überzieht. Dafür benötigt es nur einen Ein- und Austrittspunkt sowie die Kontur der Fläche. Erste Messungen geben Hermann und der Natur Recht: Sie zeigen geringere Druckverluste und eine gleichmäßigere Durchströmung als bei den bisherigen Konstruktionen.
Lesen Sie weiter auf Seite 2: Die Natur als Vorbild
Die Anwendungsmöglichkeiten seien vielfältig, sagt Hermann. Dazu zählten Sonnenkollektoren oder PVT-Kollektoren - eine Kombination aus Sonnenkollektor und Photovoltaik-Modul. "Außerdem kann das Programm überall eingesetzt werden, wo Wärme- und Stoffaustausch stattfindet - das kann in der Mikrosystemtechnik sein, aber auch in großen Chemieanlagen", sagt Hermann. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie will er seine Software nun für den Bau effektiverer Sonnenkollektoren und verbesserter Kühlsysteme für elektronische Schaltungen einsetzen.
Auch der Informatiker Jörg Homberger von der Hochschule für Technik in Stuttgart hat sich von der Natur inspirieren lassen. Er hat Verkehrswege untersucht. "Bei der Planung von Routen geht es darum, verschiedene Verkehrsträger wie LKW, Bahn, Schiff und Flugzeug optimal einzusetzen", sagt Homberger. Dabei könne "optimal" unterschiedliche Dinge bedeuten: kürzeste Entfernung, geringster CO2-Ausstoß oder beste Auslastung der Transportmittel.
Ein Verkehrsplaner muss deshalb viele Fragen beantworten. Welche alternativen Verkehrsträger lassen sich einbeziehen? Und wie sind sie aus ökologischer Sicht zu bewerten? "Das ist eine komplexe Aufgabe, die klassische Methoden nicht lösen können", sagt Homberger. Deshalb fahndete er nach Vorbildern in der Natur - und fand die Ameisen.
Die Insekten suchen den kürzesten Weg vom Nest zur Nahrungsquelle. Ihr Trick ist, dass sich viele Ameisen parallel auf den Weg machen. Die ersten Routen sind dabei rein zufällig. Doch nach kurzer Zeit entwickelt sich eine Struktur: Ameisen mit dem effizientesten Weg sind schneller und legen dadurch ihre Strecken öfter zurück. Weil sie dabei Pheromone absondern, sind ihre Routen besonders stark markiert. Das reizt nachfolgende Ameisen, ebenfalls diesen Wegen zu folgen. Die Optimierung ist perfekt.
Auch Hombergers Software testet zunächst verschiedene Routen, wobei den jeweils besten die höchsten "Pheromon-Werte" entsprechen. Ganz wie bei den Ameisen optimiert das System im Zeitverlauf die Wege. Bei der Software suchen zudem verschiedene "Ameisenstaaten" unabhängig voneinander optimale Routen und verfolgen dabei alle unterschiedliche Ziele: geringer CO2-Ausstoß, kurze Zeit, weniger Fahrzeuge oder Personal.
Ihre Lösungen tauschen sie untereinander aus und können so mehrere Parameter gleichzeitig optimieren. Homberger freut sich bereits über die ersten Erfolge: "Bei Tests erreichte das System Einsparungen von mehr als zehn Prozent bei den Kosten für die Warenauslieferung."
Lesen Sie weiter auf Seite 3: Bionik steht bei Forschern hoch im Kurs
Förderung
Seit 2001 fördert das Bundesforschungsministerium das Bionik-Kompentenznetz „Biokon“. Die erste Phase „Biokon 1“ umfasste 2,4 Mill. Euro. Ziel war unter anderem, das Thema bekannter zu machen. 2004 startete „Biokon 2“ mit sechs Mill. Euro.
Forschung
Das 2007 ins Leben gerufene Programm „Biona“ bezuschusst Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu Leichtbau, Robotik, Nanostrukturen oder Wärme- und Stofftransport. Bisher bekamen zehn Vorhaben eine Zusage für öffentliche Fördermittel.
Lehre
Viele Universitäten haben die Bionik mittlerweile in ihre Lehrpläne eingebaut – etwa als Teil des Maschinenbaustudiums. Bremen bietet seit 2002 einen eigenen Bachelor-Studiengang an. Seit kurzem gibt es dort auch ein forschungsorientiertes Master-Programm.
