Konstruieren nach dem Vorbild der Natur
Ingenieure stehen unter gewaltigem Innovationsdruck. Doch woher sollen all die neuen Ideen für innovative technische Produkte kommen? Oft hilft ein nüchterner Blick in die Natur, denn kein Konstrukteur ist so perfekt und erfolgreich wie Mutter Natur mit ihrer Evolution
Die Natur ist ein genialer Konstrukteur. Was liegt näher, als genau hinzuschauen und die Erfindungen der Evolution einfach nachzubauen? Ganz so einfach ist es leider nicht. „Man kann nicht erwarten, dass uns die Natur fertige Konstruktionszeichnungen liefert“, wehrt Günter Hindriks, der für Blaupunkt Lautsprechersysteme entwickelt, romantische Vorstellungen ab. Denn auch die Bionik als neue wissenschaftliche Disziplin zwischen den Naturwissenschaften und der Technik verändere nicht das notwendige Vorgehen bei der Ideenfindung: Prinzipien zu erkennen, zu abstrahieren und zu prüfen, ob sie überhaupt umzusetzen sind.
Die auf der Technischen Biologie basierende Bionik wird auch als Analyse natürlicher Systeme bezeichnet, aber Konstruktionen und Verfahrensweisen der Natur können nur Anregungen liefern für eigenständiges technisches Gestalten. Eine Kreativitätsmethode im eigentlichen Sinne ist die Bionik ebenfalls nicht, da sie meist nur im Rahmen langfristiger Forschungsprojekte zu Problemlösungen beitragen kann. Zum Einsatz kommt sie bereits in der Architektur, der Computertechnik und der Energietechnik, vor allem aber in der Konstruktion und der Produktentwicklung. In der Luft- und Raumfahrt hat sie sich schon bewährt und auch im Alltag finden sich erste Ergebnisse bionischer Forschung. So wurde beispielsweise der Lotusblumeneffekt – an mit entsprechenden Mikrostrukturen versehenen Oberflächen bleibt praktisch kein Wasser und kein Schmutz haften – für die Produktion von Dachziegeln oder Fassadenfarben genutzt.
„Die Bionik ist nur ein Verfahren unter vielen anderen, das wir in der simulationsgestützten Optimierung einsetzen“, erklärt Lothar Harzheim vom Technischen Entwicklungszentrum bei Opel. Bei der Optimierung von leichten Bauteilen, die aber die nötige Festigkeit aufweisen müssen, konnte Harzheim erfolgreich die Wachstumsregel von Knochen und Bäumen nutzen, die ein ideales Leichtbaudesign aufweisen. Diese biologischen Kraftträger sind immer bestrebt, durch ihr Wachstum Spannungsspitzen abzubauen, um Schwachstellen zu vermeiden und dies mit möglichst wenig Material. „Wir können diese Regel simulieren und wenden sie auf unsere Bauteile an“, erklärt Harzheim. Der Computer berechnet, wie sich ein Knochen verhalten würde, wenn er die Funktion des gewünschten Bauteils übernehmen müsste.
Auf diesem Wege konnten z. B. Gussbauteile mit offenem Profil, bei deren Gestaltung die Konstrukteure große Freiheiten haben, aber viele Fehler machen können, in eine optimierte Form gebracht werden. Die größte Schwierigkeit war dabei, die mit Hilfe der Natur entstandene Form so zu verändern, dass sie auch herstellbar ist. „Sie müssen so ein Bauteil ja auch fertigen können, aber wir haben das Problem gelöst, auch unter Kostenaspekten“, erklärt Harzheim.
Die Natur arbeitet gründlich, aber langsam. Und auch mit der Bionik sind schnelle Ergebnisse nicht zu erwarten. „Nach meiner Erfahrung benötigen diese bionischen Themen, die meist Grundlagencharakter haben, doch einen längeren Zeitraum bis zur Reife. Und damit sind sie eigentlich aus dem knallharten Tagesgeschäft raus“, bedauert Reinhard Mundl vom Reifenhersteller Continental. Die Industrie brauche Ergebnisse, die schnell verwertbar sind. Entwicklungszeiten von drei bis maximal fünf Jahren führen dazu, dass bionische Ansätze nur vereinzelt umgesetzt werden können.
„Ich kann nicht einfach die Natur kopieren, sondern ich muss die Prinzipien verstehen, die Physik, die Chemie, die dahinter steht“, so Mundl. „Selbst, um diese ersten Schritte zu tun, zu erkennen, wie ein Produktfortschritt zu erreichen ist, selbst dazu brauche ich Grundlagenforschung“, erklärt der gelernte Maschinenbauingenieur. Wenn also junge Ingenieurinnen und Ingenieure mit Interesse oder gar Begeisterung für die Bionik in die Unternehmen gehen, werden sie nur wenige Anwendungsmöglichkeiten finden. Wer also ausschließlich auf diesem Gebiet arbeiten möchte, der kann dies eigentlich nur an den Universitäten, Forschungseinrichtungen wie den Max Planck-Instituten oder in sehr großen Unternehmen.
„Die Beschreibung der bionischen Systeme ist eine Sache, die Kenntnis der technischen Welt eine andere. Dazwischen gibt es einen Graben, und den gilt es zu überwinden“, plädiert Reinhard Mundl für interdisziplinäres Arbeiten an den Hochschulen, ohne dass die Bionik explizit in die Curricula aufgenommen werden müsste. Ähnlich sieht es Günter Hindriks: „Ingenieure sollten im beruflichen Alltag im Hinterkopf haben, dass es die Bionik gibt und mit diesem Wissen auf die Leute zugehen, denn es lohnt sich, die Prinzipien der Natur zu enttarnen und für die Technik zu entdecken.“
M. BURAZEROVIC
buch-tipps
Grundlagen der Bionik
Werner Nachtigall, Bionik. Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, Heidelberg 1999, 319 S., 51,07 €
Werner Nachtigall, Kurt G. Blüchel, Das große Buch der Bionik. Neue Technologien nach dem Vorbild der Natur. Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart 2000, 399 S., 44,99 €
Bernd Hill, Bionik. Lernen von der Natur für die Technik, Verlag Franzbecker, Hildesheim 2001, 84 S., 11,66 €.
Arnim von Gleich (Hrsg.), Bionik. Ökologische Technik nach dem Vorbild der Natur? B.G. Teubner-Verlag Wiesbaden 2001, 267 S., 49 €.
MB
Hochschule
Bionik studieren
Bionische Inhalte werden inzwischen an vielen Hochschulen vermittelt. Ingenieure sollten vor allem das Angebot der naturwissenschaftlichen Fakultäten beachten. Der Zoologe und Physiker Professor Werner Nachtigall hat an der Uni des Saarlandes in Saarbrücken den Studiengang „Technische Biologie und Bionik“ eingerichtet. Ingenieur Professor Ingo Rechenberg leitet die Fachgruppe „Bionik und Evolutionstechnik“ an der TU Berlin – ein Schwerpunktthema sind Neuronale Netze. Professor Wilhelm Barthlott vom Botanischen Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn ist der Spezialist für den Lotusblumeneffekt.
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