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Was ist Bionik?

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Das Kofferwort aus Biologie und Technik verrät, worum es geht: Forscher analysieren Eigenschaften, Prozesse oder Strukturen der Natur, die als besonders intelligent und effizient gelten. Das Ziel ist, sie auf technische Systeme oder Produkte zu übertragen. Bionik ist das Paradebeispiel für interdisziplinäres Denken, weil Experten unterschiedlicher Wissensgebiete zusammenarbeiten, beispielsweise Ingenieure, Naturwissenschaftler, Informatiker und Architekten.

Bionik-Beispiele in unserem Alltag

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Wasser perlt von der Oberfläche der Lotuspflanze ab und entfernt dabei auch Schmutzpartikel. Quelle: Adobe Stock

Nach dem Vorbild der Natur entstanden inzwischen unzählige Produkte. Wir nutzen sie selbstverständlich, ohne dabei zu ahnen, dass etwa die Korbblütler Ideengeber für den Klettverschluss oder der schlichte Wassertropfen für die Lupe waren.

Selbstreinigende Oberflächen, als „Lotus-Effekt“ beschrieben, dürfte eine der bekanntesten Anwendungen sein. Auch Lüftungssysteme aus dem Bau von Termitenhügeln oder die Spritze, die dem Stachel von Hornissen nachempfunden ist, sind Ergebnisse bionischer Forschung. Sogar für Autoreifen gab es Impulsgeber - die Gepardenpfoten, weil sie ihre Form den jeweiligen Erfordernissen anpassen: Laufen sie geradeaus, sind sie schmal und haben einen geringen Widerstand. Bremsen die Tiere oder laufen in eine Kurve, spreizen sich die Pfoten und werden breiter. Das verleiht dem Gepard mehr Kraft und Trittsicherheit.

Diese einzigartige Eigenschaft war Vorbild für einen Autoreifen, der beim Fahren so breit ist wie ein gewöhnlicher Sommerreifen, um den Spritverbrauch möglichst niedrig zu halten. Beim Abbremsen hingegen wird der Reifen breiter und die Kontaktfläche mit der Straße größer. Bei Regen passt er sich perfekt an die nasse Fahrbahnoberfläche an. So sind eine gute Haftung und maximale Sicherheit beim Autofahren garantiert.

Hauchzart aber knochenhart

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Filigran und doch stabil, Miniskelette der Radiolarien (Strahlentierchen). Quelle: Adobe Stock

Auch bei einem unserer größten Probleme, dem Klimawandel, bietet die Natur Lösungen an: Zum Beispiel im Bauwesen zur Ressourcenschonung - nach dem Vorbild des Miniskeletts der sogenannten Strahlentierchen, lassen sich große und stabile Konstruktionen bauen und das mit deutlich weniger Materialeinsatz als bei gewöhnlichen Konstruktionen.

Bionik und Windkraftanlagen - verbessert dank Schleiereule

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Serrations einer Windkraftanlage
Zacken an der Hinterkante des Rotorblatts verringern die Turbulenzen.

Bei Windkraftanlagen gibt es ebenfalls ein Bauelement, bei dem die Natur Pate stand. Je nach Einsatzgebiet - auf dem Meer oder an Land – kommen gleich zwei Effekte zum Tragen, sofern die Rotorblätter nach dem Vorbild der Schleiereule konstruiert sind.

Fast lautlos gleitet die Schleiereule durch die Nacht, dank der Federn und deren besonderer Fächerstruktur. Davon inspiriert wurde das Design heutiger Rotorblätter mit dünnen, gezackten Bauteilen ergänzt, den sogenannten Serrations. Angebracht werden sie an der Hinterkante des Rotorblatts, womit der geradlinige Verlauf der Kante verändert und damit die Entstehung des turbulenten Hinterkantenschalls vermindert werden. Das Ergebnis: um 1,5 bis vier Dezibel lassen sich die Geräusche reduzieren, abhängig von Umweltfaktoren und Konstruktion. Bei einer Straße käme dies der Halbierung des Verkehrslärms gleich.

Bei Offshore-Windkraftanlagen erhöhen die Serrations deren Leistung. Je nach Parametern wie Umweltfaktoren, Konstruktion und zusätzlichen aerodynamischen Bauteilen um bis zu vier Prozent.

Beides ist wünschenswert, gerade beim angestrebten Ausbau der Windkraft könnten solche Verbesserungen die Akzeptanz der Regenerativen bei der Bevölkerung weiter erhöhen.

Leiser an Land, leistungsstärker auf dem Meer – auch bei der EnBW

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Alle Anlagen im Offshore-Windpark EnBW Baltic 2 sind mit Serrations ausgestattet.

Die Onshore-Anlagen der EnBW ab der 3-MW-Klasse von Vestas (V 126) und Enercon (E138) sind seit 2015 mit Serrations ausgestattet. Inzwischen sind an den Rotorblättern von Enercon die Serrations direkt in den Blattaufbau integriert.

Unsere Offshore-Parks: Die Anlagen in unserem Offshore-Windpark EnBW Baltic 1 waren ab Werk nicht mit Serrations ausgestattet, sind jedoch mit einem Upgrade inzwischen nachgerüstet. Bei unseren Offshore-Windparks EnBW Baltic 2, Hohe See und Albatros sind alle Anlagen bereits ab Werk mit aerodynamischen Anbauteilen versehen.

Die Bionik-Prozesse: Bottom-Up oder Top-Down?

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Wer bionische Lösungen entwickeln will, wählt in der Regel eine von zwei Herangehensweisen: Das Bottom-Up oder das Top-Down-Prinzip.

Das Bottom-Up-Prinzip der Bionik

Hier wird eine besondere Eigenschaft bei einem Tier oder einer Pflanze entdeckt und deren Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien erforscht. Aus dieser biologischen Grundlage entsteht dann ein mathematisches Modell bzw. ein „Bauplan“, der sich schrittweise in Technik umsetzen lässt. Das Ergebnis ist ein bionisches Produkt, das im Idealfall auf dem Markt eingeführt wird. Ein gutes Beispiel für das Bottom-Up-Prinzip: der Klettverschluss.

Das Top-Down-Prinzip der Bionik

Hier ist ein technisches Problem Ausgangspunkt, weil ein bestehendes Produkt verbessert oder weiterentwickelt werden soll. Biologen werden zu Rate gezogen, die in der Tier- und Pflanzenwelt nach ähnlichen Herausforderungen und deren Lösungen forschen. Nützliche Erkenntnisse werden dann auf die Technik angewandt. So ahmen bspw. Autoreifen Gepardenpfoten nach.

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Welche Teilgebiete der Bionik gibt es?

Anthropobionik

Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine soll in diesem Teilgebiet optimiert werden. Zum Beispiel durch die ergonomische Gestaltung von Oberflächen oder die Optimierung der Effizienz von Fortbewegungsmitteln.

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Baubionik

Die Baubionik wird auch als Architekturbionik bezeichnet. Hier dienen beispielsweise Spinnennetze als Vorbild für Seilkonstruktionen oder Blattüberlagerungen als Vorbild für eine ideale Flächendeckung.

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Bewegungsbionik

Sie befasst sich mit kraftvoller, energieeffizienter und reibungsarmer Fortbewegung. Hierzu zählen vor allem die drei Hauptfort­bewegungsarten: Laufen, Schwimmen und Fliegen. Ein Beispiel: Haie sind besonders schnell. Dank ihrer Haut, deren Schuppen so angeordnet sind, dass wenig Oberflächen­widerstand entsteht. Nach diesem Vorbild wurde eine Folie entwickelt, mit der Flugzeuge beklebt wurden. Bei Tests ergab sich eine Verminderung des Treibstoff­verbrauchs von bis zu drei Prozent bei einem Langstreckenflug.

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Evolutionsbionik

Verwendung von biologischen Evolutionsstrategien in der Technik, um bestehende Systeme und Verfahren zu optimieren.

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Gerätebionik

Es handelt sich um die Entwicklung einsetzbarer Gesamtkonstruktionen. Besonders im Bereich der Pumpen- und Fördertechnik, der Hydraulik und Pneumatik finden sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

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Klima- und Energiebionik

Die Prinzipien von Tierbauten werden untersucht, um Methoden zum Energiesparen zu entwickeln, zum Beispiel beim Lüften, Kühlen oder Heizen.

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Konstruktionsbionik

Erforscht wird, wie einzelne Elemente einer Gesamtkonstruktion funktionieren und zusammenspielen. Ein Beispiel ist das Bionik Car von Mercedes-Benz. Hier war der geringe Wasserwiderstand des Kofferfisches Vorbild für den geringen Luftwiderstand des Autos. Diese Konstruktion verbraucht weniger Kraftstoff und schont damit die Umwelt.

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Naturbionik

Verbindung von Biologie, Neurowissenschaft und angewandter Medizintechnik, um die Informations­verarbeitung zu optimieren und neue medizinische Verfahren zu entwickeln.

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Sensorbionik

Untersuchung physikalischer bzw. chemischer Aufnahme von Reizen bei Vorbildern aus der Natur, zum Beispiel bei Käfern oder Fischen. Zur Entwicklung neuer Sensor- und Orientierungssysteme.

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Strukturbionik

Beschäftigt sich mit Strukturen von Pflanzenzellen oder ganzen Organismen, die leichte und belastbare Formen aufweisen. Sie dienen als Vorbild für kostengünstige und umwelt­freundliche Produkte, zum Beispiel die Bienenwabe, die zur Wabenpappe inspirierte.

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Verfahrensbionik

Die Verfahrensbionik befasst sich mit Prozessen bezüglich Ökologie und Abfallvermeidung, der Energie­gewinnung mittels Photosynthese sowie der Speicherung von Energie.

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