Bionik

Übergreifend

Bionik

Wie wird eine Pflanze sauber?
Warum hilft Haifischhaut beim Fliegen?
Wer hat den Klettverschluß erfunden?

Der Themenbereich zur Bionik wurde in Kooperation mit dem Bildungswerk der Thüringer Wirtschaft e. V., der Stiftung Bildung für Thüringen und der Stiftung für Technologie, Innovation und Forschung Thüringen unter wissenschaftlicher Begleitung von Prof. Bernd Hill erarbeitet.

Die Bionik sucht als interdisziplinäre Wissenschaft in der lebenden Natur nach Lösungen für die Technik. Sich in der lebenden Natur entwickelte Strukturen dienen als Vorbild für technische Lösungen. Die Bionik analysiert biologische Systeme. Durch Beobachten, Ex­perimentieren, Vergleichen und Abstrahieren werden Prinzipien abgeleitet und die ihnen zugrunde liegenden physikalischen bzw. chemischen Gesetzmäßigkeiten herangezogen. Auf dieser Grundlage werden Funktionsmodelle entwickelt und in die Technik übertragen. So ließ sich z. B. schon Leonardo da Vinci vom Vogelflug zur Konstruktion von Flugapparaten inspirieren. 

Beispiele

  • Oberfläche von Laubblättern der Lotuspflanze/Gartenkresse – schmutzabweisende und wasserabweisenden Oberflächen von Glas und Lack
  • Gräser, Halme, Faltblätter/Bienenwaben/Sandwichstruktur im Vogelknochen – hohe Stabilität mit wenig Material beim Turm- und Brückenbau
  • Eisbärenfell und Eisbärenhaut – Wärmedämmung von Stoffen für Kleidung
  • Früchte der Großen Klette – Klettverschlüsse

Der „Lotus-Effekt“ ist u. a. auf den Blättern der gleichnamigen Pflanze nachweisbar. Die Lotus-Pflanze wächst aus dem schlammigen Untergrund empor. Ihre großen schildförmigen Laubblätter sind stets makellos sauber. Das Wasser perlt von ihnen ab wie das von einer heißen Herdplatte. Dabei werden Staub und Schmutz mitgerissen, so dass die Oberfläche rückstands­los sauber wird. 

Worauf beruht der „Lotus-Effekt“?

Die Oberflächen vieler Pflanzen, insbesondere die Blattoberflächen, sind oft mit feinen Wachsnoppen bedeckt, die aus Wachskristallen bestehen. Wie die Wassertropfen, liegen auch Schmutzteilchen nur auf den Spitzen dieser Wachskristalle auf. Die Adhäsionskräfte zwischen diesen Partikeln und der Oberfläche der Pflanze sind sehr klein. Oberflächen sind unbenetzbar, wenn Wasser auf ihnen nicht haftet, sondern in Tropfen rückstandsfrei abrollt. Wenn der Wassertropfen nur auf den Spitzen der Wachskristalle aufliegt, grenzt der größte Teil der Tropfenoberfläche an die Luft. Luft ist für Wasser hydroph. Die dadurch erzeugte Oberflächenspannung bewirkt, dass ein kugelförmiger Wassertropfen entsteht. Auf Grund der geringen Adhäsion zum Laubblatt kugelt der Tropfen ab und „nimmt“ die Schmutzpartikel mit.

Auf einer glatten Oberfläche ist die Kontaktfläche am größten. Quelle: www.stift-thueringen.de/ Dr. Claudia Grebe (3)
Die Wachsnoppen reduzieren die Kontaktfläche deutlich.
Durch die unebene Oberläche der Blätter und die Wachsnoppen wird die Kontaktfläche noch kleiner.

Raue oder glatte Oberfläche: An welcher haftet der Schmutz am stärksten?

Zur Veranschaulichung des Lotus-Effektes eignen sich bestimmte Modelle:
Auf der glatten Oberfläche hat ein Papierschnipsel maximale Auflagefläche, während er auf der „Tennisballoberfläche“ nur punktförmig aufliegt.
Ein Luftballon hat auf der glatten Oberfläche eine kleine Auflagefläche, auf der „Tennisbal-loberfläche“ ist die Auflagefläche aber noch geringer.

Technische Anwendungen

Der Lotus-Effekt bei Pflanzen ist Vorbild für viele Anwendungen, z. B.

  • Scheiben, die nicht mehr geputzt werden müssen, weil jeder Schmutz von ihnen abperlt,
  • Anstrichfarben, die Hauswände sauber halten,
  • Dachziegeln und Flugzeugoberflächen, die nicht mehr verschmutzen.

 

Entstehung des Auftriebs durch Druckunterschiede an Flügelober- und -Flügelunterseite

Die anströmende Luft gelangt sowohl auf die längere gekrümmte Flügeloberseite als auch auf die kürzere Flügelunterseite und wird dann nach unten abgelenkt. Oben fließt die Luft schneller als unten. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit an der Oberseite nimmt der dynamische Druck zu. Dagegen muss sich der statische Druck entsprechend verringern. Auf der Unterseite haben wir die umgekehrte Erscheinung.
Durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit wird der dynamische Druck kleiner und der statische Druck erhöht sich. Dabei drückt der statische Druck gegen die Flügelunterseite.

Der durch die langsamere Luftströmung entstehende Unterdruck unter den Flügeln erzeugt nun eine Kraft, die nur etwa ein Drittel des gesamten Auftriebs beträgt. Unter den Flügeln ist daher der dynamische Druck geringer und damit der statische Druck größer. Zwei Drittel des Auftriebs werden vom Unterdruck durch die schnellere Luftströmung auf der Flügeloberseite gebildet. Unterdruck oben und Überdruck unten ergeben den Gesamtauftrieb. Dieser steht im rechten Winkel zur anströmenden Luft.

Der Auftrieb an einem Tragflügel entsteht durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Luft an Ober- und Unterseite des Flügels.
Die Abbildung zeigt unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an Ober- und Unterseite des Tragflügels.

Durch die Flügelwölbung löst sich an der hinteren Tragflächenkante ein Wirbel ab. Nun ha­ben wir von Isaac Newton gelernt, dass actio = reactio ist. Also braucht dieser Anfahrwirbel einen Gegenwirbel mit umgekehrter Drehrichtung. Als Ausgleich bildet sich tatsächlich eine Strömung in entgegengesetzter Richtung im Uhrzeigersinn um den gesamten Flügel. Durch die noch von vorn anströmende Luft beim Vorwärtsbewegen fließt die Luft aber insgesamt nach hinten, oben schneller und unten langsamer. 

Die Abbildung zeigt die Entstehung der Zirkulationsströmung

Nach dem Bernoullischen Gesetz entsteht oberhalb der Tragfläche ein Unterdruck und unterhalb ein Überdruck. Die Geschwindigkeitsunterschiede erzeugen dabei den Auftrieb, der den Flügel entgegen der Schwerkraft nach oben zieht.

Sesshaften Samenpflanzen haben viele Möglichkeiten zur Verbreitung ihrer Früchte bzw. Samen eine Fülle von Einrichtungen entwickelt. Eine Möglichkeit ist die passive Verbreitung durch den Wind. Horizontal strömende Luftmassen können die Samen über große Entfernungen befördern. Dies ist möglich, weil die Samen extrem leicht und relativ stabil sind. In der Nähe der Mutterpflanze ist die Samendichte sehr groß, die mit zunehmender Entfernung mehr oder weniger abnimmt. So legt beispielsweise der Samen des Großen Händelwurz mehrere hundert Kilometer zurück. Dies erreicht er hauptsächlich durch sein geringes Gewicht von nur 0,000008 Gramm. Ob Gleit-, Schirm- oder Schraubenflieger, alle haben Einrichtungen zur Verringerung der Sinkgeschwindigkeit \(v_{s}\), die ein weites Verbreiten begünstigt

Gleitflieger (Große Zanonia) Quelle: By Scott Zona from Miami, Florida, USA [CC BY-SA 2.0], via Wikimedia Commons

Bei Gleitfliegern, zu denen der Samen von Feldulme und Hänge-Birke gehört, liegt der Schwerpunkt in der Mitte des Verbreitungsorgans. Der Gleitflug kommt durch den zentrischen Bau der Verbreitungsorgane zustande. Beispiele: Feldulme, Hänge-Birke, Große Zanonia, Birke, Erle, Ulme, Brillschötchen und Kleestrauch

Schraubenflieger (Ahorn) Quelle: CC0/ rtaillon via pixabay

Schrauben­flieger haben einen langen Flügel, an dessen Ende der Samen sitzt. Der Schwerpunkt liegt außerhalb der Mitte, wodurch eine Autorotation zustande kommt. Beispiele: Ahorn, Esche, Kiefer, Fichte, Linde, Kardendistel, Hainbuche

Schirmflieger (Löwenzahn) Quelle: CC0/ pixel2013 via pixabay

Schirm­flieger besitzen einen gestielten Haarkranz mit feinen Feder­strahlen, die fallschirmartige Ausbreitungen haben. Der Samen befindet sich in der Mitte des Verbreitungsorgans. Der Schwerpunkt liegt unterhalb des Verbreitungsorgans. Beispiele: Löwenzahn, Wiesenbocksbart, Frühlingskreuzkraut, Wollgras, Pelargonie

Gleitflieger

Die Verbreitung­sorgane der Gleitflieger bestehen aus hauchdünnen, mit Adern verstärkten Flügeln oder aus feinsten Härchen. Sie haben eine große Oberfläche, sind dabei aber sehr leicht. Durch das Prinzip der Oberflächenvergrößerung wird die Sinkgeschwindigkeit des Flugsamens stark verringert. Sie können eine im Vergleich zu ihrer eigenen Masse ziemlich schwere Last tragen. Damit sind die pflanzlichen Gleitflieger in vieler Hinsicht sogar vollkommener als die der Technik.

Ein „pflanzliches“ Flugzeug zeichnet sich außerdem durch selbstorganisierende Flugstabilität aus. Trifft der Samen im Flug auf ein Hindernis, stürzt dieser nicht ab, sondern nimmt sofort wieder die vorherige stabile Fluglage ein. Die Große Zanonia, ein Kletterstrauch vom Malaiischen Archipel, ist ein hervorragender Gleitflieger mit einer Spannweite von 14 – 16 cm und einer Flügeltiefe von etwa 5 cm. Die Tragfläche dieses Samens hat eine Pfeilform, an den Flügelenden einen sichtbaren S-Schlag und von oben gesehen eine W-Form.

Schraubenflieger

Wird ein vom Verbreitungsorgan abgetrenntes Ahornsamenkorn fallen gelassen, bewegt es sich mit zunehmender Geschwindigkeit infolge der Schwerkraft in Richtung Erdboden. Anders verhält sich bei der kompletten Ahornfrucht. Sie sinkt nach einer kurzen Ausgangs-distanz unbeschleunigt mit konstanter Geschwindigkeit in Autorotation zu Boden. Diese Autorotation erfolgt so, dass der Samen innen und der einseitige Flügel außen liegt. Die Autorotation ermöglicht es der Ahornfrucht, die Flügelfläche optimal dem Luftstrom aus-zusetzen und dadurch die Sinkgeschwindigkeit zu minimieren. Auf diese Art und Weise gelingt es dem Samen, relativ lange in der Luft zu bleiben. Der Ahornsamen führt etwa 16 Umdrehungen pro Sekunde aus. Nach dem Loslösen vom Ast durch wirkende Windkräfte führt die Ahornfrucht einen Drehflug auf einer spiralförmigen Flugbahn aus. Durch die Autorotation des Flügels mit der Flügelfläche um die senkrechte Achse wird die Schraubenkreisfläche erzeugt. Diese Schraubenkreisfläche wird von unten nach oben mit Luft durchströmt. Die Kreisfläche der Ahornfrucht bewegt sich gegen die stehende Luft. Auch bei Windmühlenflügeln entsteht ein solcher Luftschlauch. Hierbei steht jedoch die Kreisfläche auf der Stelle und der Wind strömt dagegen.

Schirmflieger

Schirmflieger sind die Fallschirmspringer des Pflanzenreichs. Sie haben Büschel feiner Haare, die wie ein Fallschirm wirken, in denen sich die Luft darin regelrecht „verfängt“. Der Haarbüschelschirm pflanzlicher Flugeinrichtungen erhöht aufgrund der relativ großen Oberfläche den Strömungswiderstand. Der Schwerpunkt, den der Samen bildet, liegt weit unten, so dass ein relativ stabiler Sinkflug erreicht wird und Kopflandungen fast ausge-schlossen sind. Die Oberfläche des Samens besteht aus hakenförmigen Elementen, welche sich mit dem Boden verankern. Eine „Pusteblume“ besteht aus vielen kleinen Schirmchen, von denen jedes nur etwa 0,40 mg wiegt. Diese Natur-Lösung lässt sich jedoch keinesfalls einfach auf größere technische Systeme übertragen. Würde ein Mensch ein stark vergrößertes „Pusteblumenschirmchen“ als Fallschirm nutzen, würde er den Boden nicht sanft erreichen. Was jedoch nutzbar ist, ist das Wirkprinzip der Verringerung der Sinkgeschwindigkeit durch Flächenvergrößerung.

 

Leichtbaukonstruktionen in der Technik machen es möglich, mit geringem Aufwand an Masse große Kräfte zu übertragen und sind damit sehr wirtschaftlich.
In der lebenden Natur lassen sich gleiche bzw. ähnliche Leichtbaukonstruktionen nachweisen. Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, dass biologische und technische Systeme gleichen statischen Anforderungen gerecht werden müssen, um mit geringstem Materialaufwand eine hohe Stabilität und Tragfähigkeit zu erreichen. Im Pflanzen- und Tierreich lassen sich vielfältige stabile Profile und Verbundsysteme entdecken. Man findet sie zum Beispiel in Pflanzenstängeln wie Halmen und in häutigen Insektenflügeln.

Nachfolgend sind einige Beispiele aufgezeigt.

Putenfeder Quelle: CC0/ josch13 via pixabay
Blatt einer Pflanze Quelle: CC0/ domeckopol via pixabay
Flügel einer Libelle Quelle: CC0/ stux via pixabay

Der Roggenhalm

Der Roggenhalm mit etwa 3 bis 4 mm Durchmesser besteht aus einer Außen- und Innenröhre. Beide bilden eine Wand, die eine Dicke von nur 0,4 mm besitzt. Die beiden dünnen, festen Röhren haben eine Wandstärke von nur 0,003 mm. So entsteht ein schlanker, leichter, doppelwandiger Halm von enormer Biegefestigkeit.

Der Roggenhalm ist innen hohl
Roggenhalme sind dünn, biegsam und stabil Quelle: CC0/ Robii via pixabay

Neben diesem Grundaufbau findet man in der Natur weitere, sehr stabile Profile. In der Technik sind diese Profile ebenfalls zu finden. Man trifft sie überall dort an, wo Festigkeit, Leichtigkeit und somit Wirtschaftlichkeit gefragt sind.

Stabile Profile
Name Form in der Natur Halbzeug
 
L
Doppel T
O
U
T

 

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