Der Lotuseffekt Bionik - der Natur abgeschaut
Kennt ihr den Lotuseffekt? Er ist ein Klassiker der Bionik: Wasser und Schmutzpartikel perlen von der Lotusblume einfach ab. Das können wir Menschen nicht nur bewundern, sondern auch nutzen und davon lernen.
Der Bonner Botaniker und Bioniker Wilhelm Barthlott machte in den 1970er-Jahren eine wichtige Entdeckung: Die Blätter der im fernen Osten beheimateten Lotusblume sind immer sauber. Sie haben die Eigenschaft, sich selbst zu reinigen. In jahrzehntelanger Arbeit wurde dieser sogenannte Lotuseffekt genauestens untersucht. Mittlerweile ist er patentiert und im praktischen Einsatz.
Bionik: Sauber dank selbstreinigender Oberfläche
Das Lotusblatt enthüllt erst unter dem Elektronenmikroskop sein Geheimnis: Auf der Blattoberfläche sitzen winzige Wachskristalle, die dem Blatt eine raue, genoppte Struktur verleihen. Die unzähligen mikroskopisch kleinen Noppen bewirken, dass Schmutzpartikel und Wassertropfen nur wenige Kontaktstellen mit dem Blatt haben und daher nicht anhaften können. Wassertropfen perlen kugelförmig ab und nehmen dabei Schmutz- und Staubpartikel mit.
Der Lotuseffekt im Alltag
Dank Lotuseffekt: Ein Honiglöffel, an dem kein Honig kleben bleibt.
Forschern ist es gelungen, diese raue Mikrostruktur auf künstlichen Oberflächen nachzubilden. Der Lotuseffekt hat heutzutage viele Einsatzbereiche: Es gibt Fassadenfarbe, die Wasser und Schmutz von Hauswänden einfach abperlen lässt und Silikonwachs, das auf verschiedene Materialien aufgesprüht werden kann, zum Beispiel auf Markisen, Dachziegel oder Sensoren für Mautsysteme. Der Lotuseffekt ist vor allem geeignet für Oberflächen, die ständig Wind und Wetter ausgesetzt sind.
Der Lotuseffekt in der Zukunft
Wissenschaftler sind dabei, weitere Anwendungsgebiete für den Lotuseffekt zu erschließen. Denkbar sind beispielsweise selbstreinigende Autolacke und Fensterscheiben. Damit würde ihr Säubern entfallen. Doch diese visionäre Idee ist noch nicht Wirklichkeit geworden, was auch daran liegt, dass Lotuseffekt-Oberflächen automatisch matt werden. Kein gutes Argument in der Autobranche.
Selbstreinigende Oberfläche dank Lotuseffekt: für Fenster, Fassaden oder Autos.
Es wird auch daran geforscht, Flugzeuge mit einer Lotuseffekt-Oberfläche zu versiegeln. Dann könnten sich Wassertropfen und Eiskristalle nicht mehr auf Tragflächen und Flugzeugrumpf halten. Das lästige Enteisen im Winter würde wegfallen. Doch die beschichtete Oberfläche ist für hohe Geschwindigkeiten noch nicht stabil genug. Die Oberflächenstruktur würde sofort zerstört werden.
Die Natur als Lehrmeister
Entspiegelter Schmetterlingsflügel
Bionik - aus Natur wird Technik: Schmetterlingsflügel dienen als Vorbild für die Handy-Entwicklung.
Schmetterlingsflügel liefern Ideen zum Entspiegeln von Handydisplays, Laptopbildschirmen und Brillengläsern: Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie haben entdeckt, dass die Flügel des Glasflügel-Schmetterlings (auch: "Waldgeist", lat. Greta oto) kaum Licht reflektieren und dadurch größtenteils durchsichtig sind. Verantwortlich dafür sind unregelmäßige Nanostrukturen auf den Flügeln. Je nach Blickwinkel werden vom Schmetterlingsflügel zwei bis fünf Prozent des Lichts reflektiert. Bei einer Glasscheibe sind es acht bis hundert Prozent. Das Institut will erste Anwendungen nach dem tierischen Vorbild entwickeln.
Fliegende Qualle
Bionik - der Natur abgeschaut: Die Schwimmbewegungen einer Qualle sind für Wissenschaftler Vorbild für ein Fluggerät.
Ein Fluggerät, das die Schwimmbewegungen einer Qualle nachahmt, haben Wissenschaftler der Universität New York entwickelt. Es hat vier kreisförmig angeordnete Schwingen, die sich öffnen und schließen. Dadurch steigt die nur 2,1 Gramm leichte Konstruktion auf und schwebt durch die Luft. Der Ornithopter - ein Fluggerät, das durch Bewegung der Tragflächen Vortrieb erzeugt - kommt ohne Regelungstechnik und Stabilisierung durch Segelflächen aus. Das neue Gerät besteht aus drei Ringen aus Carbonfasern, einem kleinen Motor und acht Zentimeter langen Flügeln, die mit einer transparenten Polyesterfolie bespannt sind.
Inspiriert vom Bussard
Vorbild für Flugzeuge und so Teil der Bionik: die Flugbewegungen von Greifvögeln, wie hier des Bussards.
Bioniker fanden durch Beobachtung von Greifvögeln eine Energiesparmethode für Flugzeuge. Bussard und Geier spreizen im Flug an ihren Flügelenden einige Federn ab. Dies verhindert, dass bremsende Luftwirbel entstehen, und hilft dabei, dass die Vögel ohne großen Energieaufwand durch die Luft gleiten. Mit nach oben gebogenen Tragflächenenden, sogenannten Winglets, lässt sich dieses Prinzip auf Flugzeuge übertragen und hilft Treibstoff einzusparen.
Selbstheilung bei Lianen
Lianen: Ihren Mechanismus der Selbstheilung wollen Bionik-Wissenschaftler für Baumaterialien nutzen.
Mit Schaumstoff bauen hat einen Vorteil: Die Konstruktionen sind extrem leicht. Allerdings auch extrem verletzlich. Darum suchen Wissenschaftler in der Natur nach selbst heilenden Werkstoffen - und sind in der Pflanzenwelt fündig geworden. Lianen wachsen sehr schnell. Entstehen Risse in den Stängeln, verheilen diese innerhalb weniger Tage. Zellen aus dem Grundgewebe quellen in den Riss und verschließen die Wunde. Bald sollen sich Werkstoffe wie mit Schaumstoff beschichtete Membranen auch so reparieren können und dann als Baumaterial eingesetzt werden.
Perfektion unter Wasser
Vorbild für Bioniker: der stromlinienförmige Esels-Pinguin.
Forscher versuchen die perfekte Stromlinienform zu konstruieren. Ergebnis: Der Prototyp eines futuristischen U-Bootes, das zu Forschungszwecken in großen Tiefen eingesetzt werden soll. Dafür stand der Pinguin Pate. Er bewegt sich schnell und elegant durchs Wasser - ein wahrer Meisterschwimmer mit perfekter Stromlinienform. Von einem so geringen Strömungswiderstand können Fahrzeugbauer über und unter Wasser nur träumen.
Die Spinne macht's vor
Inspiriert Bioniker zu immer neuen Forschungen: Netz einer Wespenspinne.
Das Zeltdach des Olympiastadions in München: ein architektonisches Glanzstück und eine technische Meisterleistung. Das 74.800 qm große Dach wird von in sich vernetzten Stahlseilen gebildet. Ein Vergleich mit einem ganz ähnlichen Konstrukt in der Natur liegt nahe: dem Spinnennetz. Hauchdünne Quer- und Längsfäden spannen ein Netz auf, das enorme Druck- und Zugkräfte aushält. Die Spinnenseide ist sehr leicht und dabei gleichzeitig extrem stabil und dehnbar. Eigenschaften, die Bioniker zu immer neuen Forschungen inspirieren.
Die Kunst der Tarnung
Für Bioniker nachahmenswert: die Tarnung eines Leoparden, hier gut versteckt in einem Baum.
Ein probates Mittel zur Tarnung, das überall auf der Welt beim Militär eingesetzt wird: Kleinteilige Farbflecke bewirken, dass die Körperkonturen aufgelöst werden. So ist man schwer vor ähnlichfarbigem Hintergrund zu erkennen. Die Natur macht den Trick vor. Im Tierreich weit verbreitet ist die Kunst, sich unsichtbar zu machen. Der Trick dabei: Kleinflächige Musterung löst die Körperumrisse optisch auf. Beispielsweise tarnt sich der Leopard mit einem gefleckten Fell, das ihn mit dem Hintergrund verschmelzen lässt.
Chamäleon als Vorbild für Roboter
Kleinstes Chamäleon der Welt aus Madagaskar: Bioniker kopieren seine Kletterkunst für Tunnel-Roboter.
Wissenschaftler der Universität Jena entwickeln einen künstlichen Kletterer, einen Roboter für Tunnel, Schächte und Röhren, der nach den Prinzipien seiner tierischen Vorbilder Chamäleon und Ratte funktioniert. Darum analysierten und filmten sie die Bewegungen der beiden Tiere mit einer weltweit einzigartigen Röntgenvideoanlage, deren Kameras bis zu 1.000 Bilder pro Sekunde liefern. Wobei das Reptil einem anderen Kletterprinzip folgt als die Ratten, die mit Krallen klettern. Der Roboter soll die unterschiedliche Biologie des Kletterns kopieren, um in Zukunft sicher wie ein Chamäleon und schnell wie eine Ratte in engen Versorgungstunneln oder Kabelschächten voranzukommen.
Eingebaute Stoßdämpfer
Auch Teil der Bionik und Vorbild für moderne Zahntechnik: Perlmutt aus Muscheln und Schnecken.
Muscheln schützen sich mit einer Perlmuttschale, die so stabil ist, dass Bioniker alles daran setzen, sie nachzubauen. Das Geheimnis liegt in der Mikrostruktur des Perlmutts: Kalkstrukturen sorgen dafür, dass die Schale nicht nachgibt. Dazwischen gelagert ist ein System von "Stoßdämpfern" aus Chitin und Eiweiß, das dafür sorgt, dass die Schale nicht bricht. Das Rasterkraftmikroskop enthüllt, dass Perlmutt in sehr geordneten Schichten aufgebaut ist, die für zusätzliche Stabilität sorgen. Möglicherweise revolutioniert perlmuttähnliches Material in bruchfesten Implantaten in einigen Jahren die Zahntechnik.