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Bionik:Vorbild Fliegenfalle

Wie lässt sich ein Gebäude vor der Sonne schützen? Bei der Entwicklung neuer Bauteile schauen sich Wissenschaftler Prinzipien aus der Natur ab. Zum Beispiel von Orchideen, Zapfen oder fleischfressenden Pflanzen.

Pflanzen können vor Trockenheit, Hitze oder Kälte nicht einfach davonlaufen. Sie können sich bei einem Sturm auch nicht hinter anderen Pflanzen oder Steinen verstecken. Sie sind fest an ihren Standort gebunden. Dabei können sie sich gut an sich verändernde Witterungsverhältnisse anpassen. Schilfrohre wiegen sich im Wind, Sonnenblumen drehen ihre Köpfe der Sonne entgegen, Tannen schützen ihre Samen vor Feuchtigkeit, indem sie die Schuppen ihrer Zapfen bei Regen schützend darüber schließen. Das Faszinierende: Sie tun das ohne Gelenke oder Antrieb von außen. So wie Pflanzen sind auch Gebäude an ihren Standort gebunden. Kein Wunder also, dass sich Wissenschaftler Ideen aus der Natur abschauen. In Pilotprojekten entwickeln Forscherteams derzeit erste Sonnenschutzelemente, die sich an biologischen Bewegungsmechanismen der Pflanzen orientieren.

Bionik nennt sich dieser Wissenschaftszweig, in dem Forscher Strukturen und Funktionsprinzipien aus der Pflanzen- und Tierwelt analysieren und darauf basierend technische Lösungen entwickeln, die dann zum Beispiel im Bauwesen eingesetzt werden können. Denn die Natur hat im Lauf von 3,8 Milliarden Jahren Evolution erstaunliche material- und energiesparende Baupläne entwickelt. Schon Leonardo da Vinci studierte den Vogelflug und entwarf Flugmaschinen mit Schlagflügeln. Gustave Eiffel diente ein Wirbeltierknochen mit seinen Hohlräumen und Knochenbälkchen als Inspirationsquelle für die Konstruktion seines berühmten Turmes.

Botanical Gardens Present Meat-Eating Plants

Immobil: Weil sie nicht ihren Standort wechseln können, müssen sich Pflanzen wie die Venusfliegenfalle gut anpassen.

(Foto: Adam Berry/Getty Images)

Bewegliche Fassadenverschattungen werden heute meist mit elektrischen Motoren angetrieben. Ihre starren Elemente sind über Rollen, Gelenke oder Scharniere miteinander verbunden. Staub und Schmutz, Schnee oder Eis setzen ihnen zu. Sie sind die neuralgischen Punkte, die zuerst verschleißen.

"Mechanische Verbindungen können klemmen und blockieren und müssen ständig gewartet werden", sagt Professor Jan Knippers, Leiter des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart. Mit Scharnieren kennt er sich aus. Als junger Ingenieur war er mit der Konstruktion der Kieler Hörnbrücke beauftragt, die sich wie eine Ziehharmonika samt Fahrbahn, Gehweg und seitlichen Geländern zusammenfaltet, um Schiffe passieren zu lassen. Hunderte Scharniere müssen dafür reibungslos ineinandergreifen. "Wir hatten unsere liebe Not, bis endlich alles funktionierte", erinnert sich Knippers. Seit der Arbeit an der Brücke war er auf der Suche nach einem eleganteren Faltansatz - und fand ihn zusammen mit einem Forscherteam aus Biologen, Biomechanikern, Materialwissenschaftlern, Architekten und Bauingenieuren in der Natur, schließlich bei der Venusfliegenfalle.

Die fleischfressende Pflanze lauert mit zwei weit geöffneten Blatthälften auf Beute. Lässt sich ein unvorsichtiges Insekt auf der verführerisch rot leuchtenden Innenseite nieder und reizt die Sinneshaare an der Oberfläche, schnappt das Blatt wie eine Tellerfalle innerhalb von Millisekunden zu. Ganz ohne Muskeln. Die Pflanze reguliert stattdessen den Innendruck ihrer Zellen. Dieser bildet sich durch den wässrigen Zellsaft, der auf die Zellmembranen drückt. Je mehr Flüssigkeit eingelagert wird, desto praller also die Zelle, desto mehr Druck. Im Inneren von Pflanzenzellen wurden Werte bis zu 40 bar gemessen. Zum Vergleich: Der Luftdruck in einem Autoreifen beträgt etwa 2,5 bar. Die Venusfliegenfalle speichert auf diese Weise Energie, die sie wie bei Pfeil und Bogen auf einen Schlag freisetzen kann. Dabei ändert sich die Geometrie ihrer Blätter: In geöffnetem Zustand sind die beiden Fallenhälften nach innen gewölbt. Löst die Berührung der Reizhaare die hydraulische Reaktion aus, kehrt sich die Krümmung um, die Blätter schlagen plötzlich zu.

Exotic Orchids On Display At RHS Wisley

Gut geschützt: Die TU Darmstadt hat einen Sonnenschutz entwickelt, der sich an der Struktur von Orchideen-Blättern orientiert.

(Foto: Peter Macdiarmid/Getty)

Jan Knippers und seine Kollegen hat dieser Mechanismus zur Entwicklung des Flectofold inspiriert - eines Verschattungselements in Form eines Vierecks aus Kunststoff. Es lässt sich ohne Gelenke entlang seiner Diagonalen zusammen- und wieder auffalten. Ein Laminatverbund aus mehreren Glasfasermatten, Epoxidharz und einer Elastomerfolie sorgt dafür, dass die Flügel dabei nicht brechen. Je nachdem wie die Glasfasern in den Schichten zueinander anordnet sind, ändert sich die Steifigkeit des Materials. So können die Flügel an der Fassade auch starkem oder böigem Wind standhalten. In der Faltzone ist das Material dagegen biegsam. Über den Flügelstand kann die Stärke der Verschattung variiert werden. Bewegt werden die Flectofold-Module gezielt per Luftdruck über ein Luftkissen. Ein Kompressor bläst es auf. "So kann man das System jederzeit per Knopfdruck steuern", sagt Jan Knippers. Der Nutzer soll die Kontrolle behalten, denn "manchmal möchte man ja auch bei Sonnenschein rausschauen." Das gesamte Modul wird zu einem einzigen Bauteil, das sich elastisch verformt.

Ebenfalls ohne Gelenke kommt ein neuartiger textiler Sonnenschutz aus, der an der TU Darmstadt unter der Leitung von Professor Stefan Schäfer entwickelt wird. "Sonnen- und Blendschutz sind in unseren Breiten Zukunftsfragen im Bauwesen", sagt Schäfer. Der Anteil an großflächigen Glasfassaden habe in den vergangenen Jahren stark zugenommen - auch aufgrund verbesserter Verbindungs- und Dichtungstechniken sowie des Glaswerkstoffs selbst. "Bei den weit verbreiteten Bildschirmarbeitsplätzen sind außerdem die Anforderungen an die Lichtsituation hoch. Deshalb brauchen wir Technologien, die in Ergänzung mit einer Glasfassade den Tageslichteinfall optimieren." Das neue System orientiert sich an den rückfedernden Blütenblättern von Orchideen. Mit einem Lasercutter werden bestimmte Muster aus kleinen zueinander versetzten Kurven in eine Stoffbahn geschnitten. Beim Auseinanderziehen des Stoffes entstehen Öffnungen zu einer Seite, durch die der Lichteinfall gesteuert werden kann. Mit unterschiedlich starkem Zug lässt sich die einfallende Lichtmenge stufenlos regulieren. Verdreht man die Schnittmuster, entstehen bei Zugspannung kleine Kelche, über die das Tageslicht gezielt weiter an die Raumdecke geleitet werden kann. So können über Deckenreflexion auch dunklere Bereiche im Innenraum mit Tageslicht versorgt werden, während der Blendschutz in Fensternähe gewährleistet bleibt.

Flectofold Großdemonstrator

Der Blendschutz Flectofold im Stuttgarter Naturkundemuseum schützt vor der Sonne und lässt sich ohne Gelenke entlang seiner Diagonalen zusammen- und wieder auffalten. Vorbild für den Mechanismus war die Venusfliegenfalle.

(Foto: Flectofold)

Ein Antriebselement für bewegliche Fassadenkomponenten, das ohne Motor, sogar gänzlich ohne Energiezufuhr auskommt, hat ein Forscherteam um den Chemiker und Forstwissenschaftler Professor Cordt Zollfrank entwickelt. Vorbild sind Kiefern- und Tannenzapfen, die bei Regen ihre Schuppen schließen und sie wieder öffnen, wenn es trocken ist. Der natürliche Klappmechanismus funktioniert über das unterschiedliche Quellvermögen ihres Gewebes: dem wenig quellfähigen Lignin und der gut quellenden Cellulose. Die Bewegung beruht auf rein physikalischen Mechanismen. Für das Antriebselement verbinden die Forscher ebenfalls Materialien mit unterschiedlichem Quellverhalten miteinander.

In der Bionik geht es um abstrahieren statt kopieren. "Eine Übertragung aus der Natur in die Technik ist immer auch eine Übersetzungsleistung", sagt die Biologin Kristina Wanieck. "Das reicht weit über die bloße Form hinaus." In ihrer Arbeit an der Technischen Hochschule Deggendorf untersucht sie, wie biologische Vorbilder für technische Innovationen praktisch genutzt werden können. Dabei geht es auch um Skalierung und die Vergleichbarkeit der Systeme.

"Nicht alles, was in der Biologie zum Beispiel auf Zellebene passiert, funktioniert auch im Großen. Und wenn man die Flugtechnik einer Biene mit der eines Flugzeugs vergleicht, dann redet man über zwei völlig unterschiedliche Systeme, obwohl beide Objekte fliegen können", erklärt Wanieck. "In der Bionik gilt es daher, die Prinzipien der Natur wirklich zu verstehen und für die Technik nutzbar zu machen." Prinzipien wie Selbstregulation und Multifunktionalität werden bisher im Bauwesen kaum genutzt, obwohl sie in der Natur omnipräsent sind. Gerade sogenannte adaptive Gebäude, die sich wie ein Organismus an Veränderungen anpassen, könnten einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten, da sie weniger Energie verbrauchen und weniger Verschleißteile haben.