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Von der Natur lernen: Fisch ohne Fahrrad

Von Wolfgang Heumer

Vorbild Natur: An der Schnittstelle zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung haben Bremerhavener Meeresbiologen und Techniker ein ultraleichtes Falt-Fahrrad entwickelt. 

Jeden Morgen wuchtet Paul Bomke sein schweres Fahrrad über zwei Stockwerke bis vor die Bürotür. Sicher ist sicher. Da denkt man aber schon mal über eine leichtere Alternative nach. Und nicht nur deshalb: Der 29-Jährige beschäftigt sich auch beruflich mit effizienteren Strukturen für technische Bauteile – allerdings nicht in einem Ingenieurbüro, sondern am Bremerhavener Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI). Dort sucht die Arbeitsgruppe „Bionischer Leichtbau“ praktische Anwendungen für Erkenntnisse aus der Biologie. Musterbeispiel ist ein Faltrad, das nur die Hälfte eines herkömmlichen Rades wiegt. Für die Konstruktion des Leichtbaus sind Erkenntnisse der AWI-Meeresforscher über winzig kleine, aber hochfeste Kieselalgen nützlich: „Unser Rad zeigt, wie Grundlagenforschung für industrielle Anwendungen genutzt werden kann“, erläutert Bomke.

Spätestens seit Leonardo da Vinci versuchen Entwickler das Vorbild Natur für technische Ideen zu nutzen. In den 1960er Jahren entstand dafür der Begriff Bionik als Kombination aus Biologie und Technik. Seither kamen vereinzelt Entwicklungen und Produkte auf den Markt – zum Beispiel widerstandsarme Beschichtungen für Schiffsrümpfe nach dem Prinzip der Haihaut oder die Winglets an Tragflächenenden, die den Flügelspitzen von Raubvögeln nachempfunden wurden. Die so genannten 3D-Drucker machen nun den Weg frei für weitaus mehr Anwendungen: „Durch die neuen additiven Fertigungsverfahren bekommt die Bionik jetzt richtig Schub“, ist Bomke überzeugt, „denn jetzt können kompliziertere Strukturen angefertigt werden, wie sie in der Natur sehr häufig vorkommen.“

 Für Biologen und Techniker

Über die Zusammenhänge zwischen Biologie und Technik weiß Bomke bestens Bescheid. Er hat an der Hochschule Bremen Bionik studiert – ein Fach, das es nur an drei weiteren Hochschulen in Deutschland gibt. „Zu den Inhalten zählen biologische Kenntnisse und ingenieurtechnisches Grundlagenwissen“, sagt Bomke. Entsprechend ist die Bionik in Bremen in der Fakultät „Natur und Technik“ angesiedelt, an der sowohl klassischer Maschinenbau, aber auch „Technische und angewandte Biologie“ gelehrt wird.

Die Ausbildung an der Schnittstelle zwischen Natur und Technik ist genau Bomkes Ding. „Mich interessieren beide Seite“, sagt er – folgerichtig belegte er an der Schule Biologie und Physik als Leistungsfächer. Bionik verbindet aber nicht nur Wissen aus zwei unterschiedlichen Themenfeldern, sondern auch unterschiedliche Vorgehensweisen: „Einerseits nutzen wir wissenschaftliche Methoden, um biologische Vorgänge zu verstehen. Andererseits wenden wir technische Prinzipien und Regeln an, um die Erkenntnisse in Konstruktionen umzuwandeln.“

Wirkungsvoller Schutz

Für die Rahmenrohre des Rads standen mikroskopisch kleine Kieselalgen Pate. „Um sich gegen Fressfeinde zu schützen, haben sie im Laufe der Evolution eine hochfeste, extrem leichte Struktur aus Silikat entwickelt“, erläutert Bomke. Zunächst bemühten sich die Bionik-Experten gemeinsam mit Meeresbiologen anhand wissenschaftlicher Methoden, das Konstruktionsprinzip der Kieselalgen zu verstehen. Aus dem dabei gewonnenen Wissen entwickelten Bomke und seine Kollegen die ideale Geometrie für das Faltrad mit variablen Querschnittsformen und Wanddicken und erreichten so eine erhebliche Gewichtsersparnis.

Gleichzeitig erzielten sie eine hohe Robustheit und Stabilität durch ein Prinzip, das von außen nicht mehr sichtbar ist: An hoch belasteten Stellen wie dem Tret-lagerbereich gewinnt der aus Aluminiumpulver im Laserstrahl-Schmelzverfahren – landläufig 3D-Drucker genannt – hergestellte Rahmen zusätzliche Stabilität durch feine Gitterstrukturen im Inneren der Rohre. „Über das ‚Additive Manufacturing‘ können wir Formen schaffen, die mit dem klassischen Walzen, Biegen und Ziehen von Rohren nicht zu erreichen sind“, sagt Bomke.

Das Leichtbau-Faltrad „Bionic Bike“ ist das aktuelle Vorzeigeobjekt des Projektes „Elise“ (Evolutionary Light Structure Engineering). Bereits vor gut zehn Jahren entschied sich das international renommierte AWI, das in den Ozeanen und den Polarregionen gewonnene Grundlagenwissen für konkrete Anwendungen nutzbar zu machen. Der Leiter der heutigen Abteilung „Bionischer Leichtbau“, Christian Hamm, begann zunächst als Einzelkämpfer über konstruktive Lehren nachzudenken. Mittlerweile umfasst das Team rund 20 Ingenieure und Allrounder. Sie entwickeln für die Automobilindustrie, die Medizintechnik, den Yacht-bau und eine ganze Reihe anderer Anwender konkrete Projekte und Ideen.

Nicht einfach nur nachbauen

Paul Bomke gehört seit 2012 der Abteilung an. Die unmittelbare Nähe zu den Grundlagenforschern war einer der Hauptgründe für ihn, nach dem Studium am AWI und nicht irgendwo in einer Bionik-Abteilung der Industrie anzufangen: „Hier ist es besonders reizvoll, dass man frei denken kann, ohne sofort eine konkrete Anwendung im Blick zu haben.“ Zu allererst versucht das Bionik-Team zu verstehen, warum die Kieselalgen ihre spezielle Struktur entwickelt haben. Dann überlegen sie, wie die Strukturen auf technische Konstruktionen übertragen werden können: „Falsch wäre es, einfach nur nachzubauen, was zu sehen ist“, sagt Bomke, „heute sind wir so weit, dass wir die Prinzipien hinter den biologischen Strukturen gezielt umsetzen und auch den Materialeinsatz genau dosieren können.“ Ein nächster Schritt könnte es sein, für bestimmte Anwendungen auf das Baumaterial der Natur – Silikat – selbst zurückzugreifen.

In der Industrie müsste das Team Forschungsarbeiten in Auftrag geben, Experten suchen – am AWI geht Bomke ein Haus weiter und trifft sich direkt mit den Grundlagenforschern. Das kommt ihm persönlich sehr gelegen, weil er so den direkten Kontakt zu den Naturwissenschaften hält, die ihn nach wie vor interessieren. Und für die technische Seite seines Jobs „bekommt man im Gespräch mit den Wissenschaftlern manche Idee, auf die man von alleine so vielleicht nicht gekommen wäre“. Es sei denn, man wuchtet jeden Tag sein schweres Fahrrad durchs Treppenhaus.                                                           

Mehr unter: www.awi.de und www.elise.de