Biomimikry: Wie die Natur Ingenieure zu Innovationen inspiriert

Die Natur hat 3.8 Milliarden Jahre Evolution hinter sich, um Überlebensprozesse zu perfektionieren – von der Gestaltung der Vogelflügel bis zur Methode der Blütenbestäubung. Im Gegensatz dazu existiert der Mensch erst seit einem Bruchteil der Erdenlebensdauer, dennoch suchen wir ständig nach Inspiration aus der Natur. In dieser Zeit hat die Natur der Menschheit eine Art Blaupause zur Verfügung gestellt, der sie folgen konnte.

Die Natur ist in ihrer Einzigartigkeit vollkommen, effizient, ressourcenschonend und selbsterhaltend. Die entwickelten Designs und Prozesse wurden über Millionen von Jahren getestet und haben ihre Wirksamkeit in verschiedenen Umgebungen bewiesen.

Zum Beispiel die sechseckige Struktur, mit der Bienen ihre Bienenstöcke bauen. Die hohe Festigkeit und Stabilität der Geometrie machen es ideal für die Bienen bei gleichzeitig effizientem Einsatz minimaler Materialmengen. Heutzutage wenden Menschen diese Struktur in verschiedenen Bereichen an, von Flugzeugen und Raumfahrzeugen bis hin zu Bauwesen und Verpackungen. Unter Biomimikry versteht man das Studium und die Nachahmung natürlicher Designs und Prozesse für den praktischen Gebrauch. In diesem Artikel werden wir einige der Designs und Prozesse untersuchen, die die Natur bietet, und wie sie angepasst wurden, um nachhaltigere, von Menschen geschaffene Strukturen zu schaffen.

Flugzeuge

Das bekannteste und älteste Beispiel der Biomimikry ist das Flugzeug. Es wird angenommen, dass der Flug der Tauben die Gebrüder Wright dazu inspirierte, das erste Flugzeug zu entwickeln, das sie 1903 auf den Markt brachten. Von der Form des Vogels über die Funktionsweise seiner Flügel bis hin zur Art und Weise, wie der Vogel durch die Luft gleitet, dienten all diese Elemente als Baupläne für moderne Flugzeuge. Diese Merkmale werden sorgfältig untersucht und Wissenschaftler sind bestrebt, sie zu reproduzieren.

Flugzeugkonstrukteure formen die Flügel so, dass sie die gekrümmte Oberfläche eines Vogelflügels nachahmen, wodurch ein Luftdruckunterschied über und unter dem Flügel entsteht, um Auftrieb zu erzeugen. Die Ruder am Heck des Flugzeugs imitieren die Schwanzfedern eines Vogels, um für Gleichgewicht und Richtungskontrolle zu sorgen. Durch die Anwendung natürlicher Konstruktionsprinzipien haben Wissenschaftler eine Maschine geschaffen, die schwerer als Luft ist und durch den Himmel reisen kann. Neben Verkehrsflugzeugen wurde auch die V-förmige Formation von Vögeln wie Gänsen untersucht.

Die V-förmige Formation hilft, Energie zu sparen, indem sie den Aufwind des Vogels vor sich auffängt und so die Energiemenge reduziert, die der Vogel dahinter benötigt, um in der Luft zu bleiben. Militärgeschwader wenden dieses Prinzip an, um die Energieeffizienz zu maximieren.

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Klettband

Der Schweizer Ingenieur George de Mestral erfand den Klettverschluss 1941, nachdem er von einem Waldspaziergang zurückgekehrt war und Kletten von Klettenpflanzen bemerkte, die an seiner Kleidung und dem Fell seines Hundes klebten. Als de Mestral sie unter dem Mikroskop untersuchte, stellte er fest, dass die Kletten winzige Haken an ihren Samen hatten, die dazu führten, dass sie sich an Kleidung und Fell festhielten.

Inspiriert durch das Hakendesign entwickelte de Mestral Velcro – ein System, das aus zwei Teilen besteht. Auf einer Seite befanden sich winzige Haken, während auf der anderen Seite kleine Schlaufen angebracht waren. Beim Zusammendrücken der beiden Seiten verhaken sich die Haken in den Schlaufen und bilden eine starke Verbindung. Die Verbindung wurde jedoch so konzipiert, dass sie stark genug ist, um zu halten, sich aber mit ausreichend Kraft leicht trennen lässt.

Heutzutage wird Klettverschluss in einer Vielzahl von Artikeln verwendet, von Kleidung und Taschen bis hin zu medizinischen Bandagen und Kabelorganisationen. Tatsächlich, NASA verwendete auch Klettverschlüsse, um Gegenstände in der Schwerelosigkeit zu sichern. Inspiriert durch das einfache, aber effektive Design der Samenverbreitung ist der Klettverschluss zu einem allgegenwärtigen Element im Alltag geworden. Es dient als Alternative zu Knöpfen und Reißverschlüssen und bietet Vorteile wie Benutzerfreundlichkeit, Wiederverwendbarkeit und Effizienz.

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Termiten

Termitenhügel sind eine bemerkenswerte Struktur, die von Termiten geschaffen wurde, um ihrer Kolonie Schutz zu bieten und das Lebensumfeld zu regulieren. Diese Hügel bestehen aus Erde, zerkautem Holz, Schmutz und Speichel und verfügen über eine zentrale, rauchartige Belüftungsstruktur, die mit unterirdischen Tunneln und Kammern verbunden ist. Dieses Design trägt dazu bei, eine optimale Umgebung in den unterirdischen Bereichen aufrechtzuerhalten.

Heiße Luft steigt durch die zentrale Struktur auf und lässt kühlere Luft durch die unteren Öffnungen eindringen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Umgebung innerhalb der Hügel unabhängig von den äußeren Bedingungen erhalten bleibt. Das Design erleichtert außerdem die Belüftung und den Gasaustausch. Diese Bauwerke können eine Höhe von bis zu 9 Metern erreichen und jahrzehntelang stehen bleiben, was ihre Langlebigkeit unter Beweis stellt.

Inspiriert von Termitenhügeln haben Architekten Gebäude entworfen, die diese Struktur nachahmen. Eines der bekanntesten Beispiele ist das Eastgate Center in Simbabwe. Das von Mike Pearce entworfene Eastgate Center zielt darauf ab, ein kontrolliertes Klima für die Bewohner in einem heißen Klima aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Energieverbrauch für die Kühlung zu senken.

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Selbstreinigende Oberflächen

Obwohl der Lotus in trübem Wasser vorkommt, bleibt er dank der ultrahydrophoben Natur seiner Blätter sauber. Winzige, mit Wachs bedeckte Beulen bedecken die Oberfläche des Lotusblattes, wodurch Wassertropfen abperlen und Schmutz und Ablagerungen mit sich führen. Die Nanostrukturen auf der Blattoberfläche (diese winzigen Höcker) verringern die Anhaftung von Wassertröpfchen und ermöglichen es ihnen, Staubpartikel aufzunehmen. Dieses Phänomen ist als „Lotuseffekt“ bekannt, ein Begriff, der erstmals 1977 von Barthlott und Ehler eingeführt wurde, die die selbstreinigenden Eigenschaften des Lotusblattes beschrieben.

Seitdem haben Wissenschaftler von Lotusblättern inspirierte Beschichtungen erforscht, die selbstreinigend sind. Das amerikanische Unternehmen Sto Corp. entwickelte eine vom Lotuseffekt inspirierte Farbe, die Schmutz und Dreck abweist.

Neben selbstreinigenden Farben, Stoffen und Beschichtungen werden mit dieser Methode auch Materialien für Solarthermiekollektoren, Verkehrsleitsensoren und Markisen entwickelt.

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Japanische Hochgeschwindigkeitszüge

Eisvögel sind unglaublich agile und schnelle Vögel, die sich auf ihre Beute stürzen, um sie zu fangen. Sie nähern sich leise, insbesondere in der Nähe von Gewässern, um ihren Fang nicht aufzuschrecken. Das einzigartige Design des Eisvogelschnabels verleiht ihm diesen Vorteil. Es hat einen schmalen, langen und spitzen Schnabel, dessen Durchmesser von der Spitze zur Basis zunimmt. Dieses Design trägt dazu bei, den beim Auftreffen auf das Wasser entstehenden Druck zu verteilen, das Spritzgeräusch zu reduzieren und einen effizienten, ruhigen und stabilen Tauchgang zu gewährleisten.

Japanische Ingenieure, die den Hochgeschwindigkeitszug Shinkansen entwickelten, standen zunächst vor dem Problem eines lauten Tunnelbooms, der durch den atmosphärischen Druck an der Vorderseite des Zuges verursacht wurde.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Ingenieure das Design des Eisvogelschnabels. Sie haben die Vorderseite des Zuges neu gestaltet, um die Form des Schnabels nachzuahmen und den Tunnelboom zu beseitigen. Durch diese Konstruktion konnte der Zug außerdem 10 % schneller fahren und 15 % weniger Strom verbrauchen.

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Von Haifischhaut inspirierte Innovationen

Haie sind für ihre Schnelligkeit und ihre Schwimmfähigkeiten unter Wasser bekannt. Es ist keine Überraschung, dass Wissenschaftler versucht haben, Haifischhaut für verschiedene Anwendungen nachzubilden, darunter die Herstellung von Badeanzügen und antibakteriellen Beschichtungen. Haifischhaut besteht aus winzigen, zahnähnlichen Strukturen, die dermale Dentikel genannt werden und sich in einer Richtung glatt und in der anderen gezahnt anfühlen. Diese dermalen Zähnchen erfüllen zwei Funktionen: Sie dienen als Schutzpanzer und verbessern die Bewegung durch Wasser.

Die dermale Dentikel hat sich als wirksames Werkzeug für Haie erwiesen. Indem sie den Wasserfluss mit ihren gezackten Kanten unterbrechen, reduzieren die Hautzähnchen den Widerstand, den der Hai erfährt, während er sich durch das Wasser bewegt, und ermöglichen ihm so ein schnelles, effizientes und leises Schwimmen. Diese Strukturen verhindern auch, dass sich Mikroorganismen an der Haut des Hais festsetzen. Die winzigen Rillen entlang der Hautoberfläche verhindern, dass unerwünschte Anhalter mitfahren.

Inspiriert von dieser einzigartigen Oberfläche haben Wissenschaftler sie für Badeanzüge nachgebaut, um deren Leistung zu verbessern. Diese Badeanzüge waren bei den Olympischen Spielen so erfolgreich, dass einer von ihnen, der Speedo LZR Racer, vom Internationalen Schwimmverband verboten wurde.

Einige Forscher argumentieren jedoch, dass von Haifischhaut inspirierte Badeanzüge den Luftwiderstand tatsächlich erhöhen, anstatt ihn zu verringern. Der Körper eines Hais ist viel flexibler als der eines Menschen, weshalb Hautzähnchen dazu beitragen, den Widerstand zu verringern. Während die Badeanzüge durch Beobachtung der Haifischhaut entwickelt wurden, könnte ihr Erfolg eher ein Nebenprodukt eines Versuch-und-Irrtum-Prozesses als eine direkte Nachbildung der hydrodynamischen Vorteile des Hais sein.

Haifischhaut wurde auch für die Entwicklung medizinischer Technologien untersucht, beispielsweise für die Anbringung von Plastikfolien an Krankenhauswänden. Diese Platten tragen dazu bei, die Ausbreitung von Bakterien und anderen schädlichen Mikroorganismen zu verhindern, da diese nicht in der Lage sind, an den Wänden zu haften.

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Wabenstrukturen

Wie in der Einleitung erwähnt, handelt es sich bei der von Bienen verwendeten Wabenstruktur um eine äußerst effiziente geometrische Form. Der Grund, warum Bienen die sechseckige Form wählten, ist seit der Zeit von Charles Darwin Gegenstand wissenschaftlichen Interesses, der die Hypothese aufstellte, dass diese Form angepasst wurde, um den Wachsproduktionsprozess zu optimieren. Diese Form maximiert den verfügbaren Lagerraum bei geringstem Wachsverbrauch.

Im Jahr 1999 bewies der amerikanische Mathematiker Thomas Hales, dass das Sechseck die Umfangsfläche minimiert und den Raum maximiert, während gleichzeitig die geringste Materialmenge verbraucht wird. Dies ist als „Wabenvermutung“ bekannt. Neben der Speicherung von Wachs schützen und halten sechseckige Zellen auch die Larven und sorgen dafür, dass das Wachs in heißen Klimazonen nicht schmilzt.

Inspiriert von Bienen wenden Wissenschaftler Geometrie in Flugzeugspiegeln, Baumaterialien und Windturbinenblättern an. Der Schwerpunkt des Designs liegt auf Ressourceneffizienz sowie auf der Reduzierung von Gewicht und Materialkosten.

Konkret bestehen die Spiegel des James Webb Space Telescope (JWST) aus 18 sechseckigen Segmenten, die in einem Wabenmuster angeordnet sind. Diese Geometrie maximiert die Oberfläche zum Einfangen von Licht, während gleichzeitig die strukturelle Integrität erhalten bleibt und das Gewicht minimiert wird, was für Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung ist.

Dies sind nur einige Beispiele für Biomimikry und wie die Natur effiziente Designs und Innovationen inspiriert. Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und geht lediglich auf die Verbesserungen ein, die die Natur in ihren Strukturen und Prozessen hervorgebracht hat. Heutzutage gibt es viele natürliche Systeme und Prozesse, die Wissenschaftler untersuchen, um bestehende Technologien zu verbessern.

Die Natur entwickelt sich ständig weiter und optimiert ihre Systeme, was nicht nur der Natur zugute kommt, sondern auch Menschen dazu inspiriert, Innovationen zu schaffen, von denen sie sich inspirieren lassen können.

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