Bionik: So übertrumpft die Natur die Erfindungen des Menschen

Ein Gastbeitrag von Dr.-Ing. E. W. Udo Küppers

„Die friedliche Ahnungslosigkeit der Gesellschaft angesichts einer völligen Einflussnahme bestimmter Kräfte war in den letzten Jahren nicht zu überbieten[…]“. Unter anderem mit diesem Worten schrieb Viviane Forrester 1997 ein eindrucksvolles Plädoyer gegen die Macht der Weltwirtschaft. Sie sprach sich gegen die Bevormundung von Bürgern und ganzen Gesellschaften aus, aber auch gegen die Lethargie politischer Entscheider. Ist Forresters Anklage noch zeitgemäß? Und vor allem: Was hat sie mit systemischer Bionik zu tun?

Diese friedliche Ahnungslosigkeit und Bevormundung der Bürger hat angesichts der weltweiten, nicht nachlassenden Zerstörung unserer Natur keine geringere Bedeutung als die Frage nach dem Überleben. Die Natur ist unsere einzige Lebensgrundlage und nebenbei unser einziges echtes Werte-Reservoir für die Existenzberechtigung der Bionik. Unzählige, qualitativ unübertroffene „Überlebenstechniken“ sind ein Naturgeschenk an uns. Zugleich sind sie aber auch eine technische Herausforderung. Wenn wir die seit Milliarden von Jahren geschickten Vorgehensweisen der natürlichen Entwicklungsstrategie studieren und für uns nutzbringend anwenden, halten wir eine unbegrenzte Ressource nachhaltigen Fortschritts in Händen. Diese Umsetzung kann die systemische Bionik leisten.

Die Bionik (ein Kunstwort aus Biologie und Technik) analysiert und nutzt die unermesslich große und vernetzte Biodiversität der Natur, mit ihren höchst wirksamen werthaltigen Prinzipien, Konstruktionen und Prozessen für technosphärische Lösungen. In der Regel führt den Menschen jedoch nicht das reine Kopieren zu fehlertoleranten, nachhaltigen Bionik-Ergebnissen. Stattdessen geht es um das genaue Hinschauen, das Erkennen von Zusammenhängen sowie um die Berücksichtigung von Randbedingungen zwischen natürlichem Vorbild und technischer Nachahmung.

Wer hat‘s erfunden? Historie der Bionik

Als Vater der Bionik wird mit Recht Leonardo da Vinci (1452-1519) bezeichnet. Er war seiner Zeit meilenweit voraus, denn erst im neunzehnten Jahrhundert nahm die Forschung und Entwicklung der Bionik wieder Fahrt auf – die dafür bis heute andauert. Pioniere wie Otto Lilienthal versuchten erstmals mit technischen Flugapparaturen zu fliegen, deren Form und Struktur sie sich bei den Vögeln abschauten. Otto Lilienthal war es auch, der erstmals die Wölbung in den Tragflächen einbaute. Die dadurch realisierte Auftriebskraft revolutionierte das Fliegen. Architektonische, pflanzenanaloge Meisterleistungen wie die von Sir J. Paxton (1803-1865) sorgten für große Begeisterung. Sei es sein Glas-Stahl-Leichtbau eines Gewächshauses nach dem biologischen Konstruktionsvorbild der Riesenseerose Victoria-amazonica (1864) oder der auf der Londoner Weltausstellung 1850/51 erbaute Kristallpalast.

Gegenwärtig sind große Passagierflugzeuge mit Winglets – kleine, nach oben gestellte Flügelchen – an den Tragflügel-Enden, nichts aufregendes mehr. Diese Winglets mindern den Randwirbel, der gegen den Turbinenvortrieb arbeitet und den Wirkungsgrad des Flugzeuges beeinflusst. Fliegen wie die Greifvögel, von denen der Mensch diese Flügelspreiztechnik abschaute, werden unsere hochtechnisierten Flugzeuge aber noch lange nicht. Trotz aller Fortschritte im technischen Fliegen fehlen uns noch geeignete Ideen und Techniken, um Flugzeuge auch nur im Entferntesten in die Nähe der Leistungsgrade von Vögeln fliegen zu lassen.

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Abbildung 1: Diverse Flugarten vom Geier bis zum Boeing-Flugzeug (Bildquellen: Wirbelschleppe: dlr.de; Lilienthal: Eigenes Bild aus dem Deutschen Museum München in den 1980ern; TUI-Winglets: www.airliners.de)

 

Gegenwart und Zukunft der Bionik

Aktuell entstehen immer wieder neue Spezialgebiete der Bionik: von der bionischen Robotik über die Mikro- und Nanobionik bis hin zur bedeutenden Bionik der Verpackung. Verpackungen erfüllen immerhin eine Querschnittsaufgabe in der Gesellschaft. Dabei fällt allerdings auf, dass bionische Forschung und Entwicklung noch stark produkt- bzw. effektbezogen ist. Das heißt: Es werden bestimmte Merkmale von Naturlösungen erforscht und in technische Anwendungen transferiert. Dies ist ein sehr direkter Weg, um zu zeigen, ob ein erkanntes Optimalitätsprinzip der Natur auch technisch genutzt werden kann. Die Frage nach dem wirtschaftlichen Vorteil gegenüber vergleichbaren Ingenieur-Erfindungen ist erst einmal zweitrangig.

So wurde zum Beispiel der Lotus-Effekt®, der für selbstreinigende Oberflächen steht, direkt in Form von Fassadenfarben und Oberflächenbeschichtungen von Dachziegeln technisch genutzt. Wie nachhaltig sich diese Bionik-Produkte im wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Zusammenhang bewähren, wird kaum hinterfragt. Ebenso wenig, ob sie Gewinne erzielen,  erfolgreich sind und die Natur während und nach der Nutzungsperiode nicht zusätzlich belasten. Der Weg vom biologischen Vorbild bis zur bionischen Praxisanwendung ist oft steinig und führt nicht selten direkt ins Museum. Dies belegt das Kofferfisch-Experiment von Mercedes-Benz, bei dem ein sehr aerodynamisches und sparsames Automobil entwickelt wurde, dessen Form und Rahmen die Leichtbauweise des Fisches zum Vorbild hat. Das Auto bot einen erstaunlichen, strömungstechnischen Widerstandsbeiwert von cw=0,19. Im Vergleich dazu ist der cW-Wert eines Golf mit 0,27 deutlich höher; der eines Pinguins aber mit 0,07 noch geringer und somit Energie sparender. Die Natur ist also immer ein Garant für zusätzliche positive Überraschungen.

Der klassische Weg der Bionik wird durch die systemische Bionik überrundet. Sie nimmt die ganzheitliche Bionik-Perspektive der Entwicklung ein, so wie es seit Jahrmillionen die Evolution selbst praktiziert. Nachhaltigkeit und Effizienz verknüpfen sich miteinander zu fehlertoleranten Bionik-Lösungen für die Praxis. Im Zeitalter des Anthropozän sind solche folgenvermeidenden Problemlösungen mehr denn je gefragt. Welchen prinzipiellen Verlauf Entwicklungen aus bionischer und systembionischer Sicht nehmen, zeigt die Gegenüberstellung in Abbildung 2.

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Abbildung 2: Bionik versus Systemische Bionik

Abschließend sehen Sie noch vier Ergebnisse bionischer Forschung und Entwicklung in der Praxis. Sie sollen neugierig machen und dazu anregen, über den eigenen fachspezifischen Tellerrand hinaus auf unbegreifliche Naturwunder zu blicken, die sich seit Jahrmillionen vollziehen. Auf technische Leistungen der Evolution, die vergleichbaren Lösungen von Menschen weit überlegen sind. Wer sich in dieses Abenteuer natürlicher, effektiver und effizienter Lösungen mit hohem Wirkungsgrad begibt, wird reich belohnt. Nicht nur durch die unermessliche Vielfalt an Gestalt, Strukturen, Oberflächen und Farbkombinationen, sondern noch mehr durch die “versteckten” raffinierten Techniken und Prinzipien, die hinter dem Äußeren stecken.

 

Beispiel 1: von Straußeneiern zu transparenten, atmungsaktiven und bakterienresistenten Verpackungen

 Die wochen- bis monatelange Jagd der San nach Essbarem macht durstig. In kleinen Gruppen von 4-6 Jägern verfolgen sie mit hoher Ausdauer das Wild, welches mit einem vergifteten Pfeil  der Gruppe davon rennt. Aber letztlich, dank der trainierten Ausdauer der Jäger, finden sie es. Der Rücktransport des zerlegten Wildtieres ist schwer. Er führt an unscheinbaren Büschen oder Sandhügeln vorbei, in deren Nähe und im Boden vergraben Straußeneihüllen lagern, die von San vorab mit brackigem Wasser gefüllt wurden. Die funktionalen Eischalen erlauben es den San, noch nach mehreren Wochen das Wasser ohne Verunreinigung zu trinken. Der chemisch-physikalische Effekt, der dazu führt, dass Wasser in den Straußenei-Schalen genießbar bleibt, wurde auf Verpackungsfolien übertragen. Experimente zeigen deutlich die längere Haltbarkeit von verpackten Früchten und Gemüsen mit der bionischen Verpackungsfolie gegenüber gängigen Verpackungsfolien.

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Abbildung 3: Straußeneier-Funktionalität: Die Idee zu einer atmungsaktiven, bakterienresistenten Verpackungsfolie


Beispiel 2: von Polarbär-Fellen zu transparenter Wärmedämmung (TWD)

Neben verschiedenen anderen physikalischen Tricks leiten Polarbären in der eisigen Arktis hochenergetisches UV-Licht auf ihre schwarze Körperoberfläche, um den Stoffwechsel durch Wärme aufrecht zu erhalten. Dabei hilft den Polarbären ihr weißes Fell nicht nur zur perfekten Tarnung bzw. Orientierung mittels biologischer Sensoren. Die Haare sind wie kleine Hohlröhren gestaltet. Durch Leitung und Streuung werden Licht und Wärme zum Körper transportiert. In Anlehnung an experimentelle Messungen nahmen Architekten das Prinzip auf und verarbeiteten es im Modul zur transparenten Dämmung von Wohnhäusern.

Abbildung 4: Multifunktionsfell des Polarbärs gibt funktionale Hinweise auf intelligente technische Hausdämmung

Abbildung 4: Multifunktionsfell des Polarbärs gibt funktionale Hinweise auf intelligente technische Hausdämmung


Beispiel 3: von Rhabarberblättern zu technischen Falttechniken

Die überaus raffiniert strukturierte „Gebirgslandschaft“ eines ausgedehnten Rhabarberblattes existiert nicht von ungefähr. Das Blatt besitzt eine geniale Faltstruktur, die aus kleinen Knospen große stabile Flächen entfalten lässt. Technisch ist der Nachbau ein platzsparendes und zugleich flächenausdehnendes Element. Ob für Sonnensegel von Raumstationen, bei denen jedes Gramm Gewicht zählt. Oder für erdgebundene Faltungslösungen, zum Beispiel für hochbelastbare, aber Gewicht sparende Flächen in Form von Sandwich-Strukturen (u. a. im Flugzeugbau).

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Abbildung 5: Geschickte Falttechniken von Pflanzenblättern als Vorbild für technische tragfähige Verbundstrukturen

 

Beispiel 4: von Flussmäandern zu geobionischen Formteilen in Rohrtransportsystemen

Frei fließende Gewässer ändern permanent ihre Fließrichtung. Dabei bilden sie mäandrierende Verläufe. Diese führen zu deutlich geringeren Strömungswiderstandseffekten, als es klassische Kreisbögen bei gleichem Bogenradius vermögen. Rohrtransportsysteme, offene Rinnensysteme oder auch rekultivierte ehemals begradigte Flussabschnitte besitzen bei Mäander-Effekt®-Merkmalen deutliche strömungstechnische und Kostenvorteile. Kilometerlange Rohrsysteme in Werkhallen und im Freien sollen Staub aufsaugen, Luft oder Druckluft transportieren, Getreide oder andere Nahrungsmittel abfüllen oder auch Recyclingabfälle und Brennstoffe über lange Wege transportieren. All diese Anwendungsszenarien profitieren in jeder Hinsicht von der Nachhaltigkeit und Effizienz der Mäander-Effekt®-Technik.

Abbildung 6: Die Dynamik und Effizienz frei mäandrierender Fließgewässer hilft technischen Rohrsystemen zu Konstruktionen hoher Transporteffizienz und verlustarmen Strömungsprozessen

Abbildung 6: Die Dynamik und Effizienz frei mäandrierender Fließgewässer hilft technischen Rohrsystemen zu Konstruktionen hoher Transporteffizienz und verlustarmen Strömungsprozessen

 

Wer noch mehr erfahren will

Wer noch tiefer in dieses faszinierende Thema eintauchen möchte, dem seien die folgenden informativen Bionik-Publikationen ans Herz gelegt.

  • Nachtigall, W.; Blüchel, K. G. (2000) Das große Buch der Bionik. 399 S., DVA, Stuttgart München
  • Spektrum (2008) Bionik – Vorbild Natur in Leben und Technik. 480 S., Wissen Media Verlag GmbH, Gütersloh München
  • Blüchel, K. G.; Malik, F. (Hrsg.) (2006) Faszination Bionik – Die Intelligenz der Schöpfung, 431 S., Mohn Media GmbH, Gütersloh
  • Malik, F. (Publ.) (2007) Bionics – Fascination of Nature. 319 S., MCB Verlag GmbH München

Über den Autor

dr-ing_e_w_udo_kueppersDr.-Ing. E. W. Udo Küppers ist an der AKAD University seit 2013 als Dozent für die Themen systemisches Denken und Handeln, Systemtheorie und neuronale Netze verantwortlich. Diese Expertise bringt er beispielsweise im AKAD-Masterstudiengang Systemisches Management und Nachhaltigkeit ein. Die systemische Bionik ist eines seiner Herzensthemen, das er auch im neuen AKAD-Modul „Interdisziplinäre Kompetenz“ (im M.Eng. Wirtschaftsingenieurwesen) vermittelt.
Im Jahr 2001 gründete er die Firma Küppers-Systemdenken, eine Unternehmensberatung für systemisches Denken und Handeln, die er auch heute noch parallel zu seinen Lehraufträgen für die AKAD University führt.

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