Bionic Research Unit, FB Maschinenbau, Umwelt- und Verfahrenstechnik

University of Applied Sciences Berlin, Germany

FB VIII Maschinenbau, Umwelt- und Verfahrenstechnik

Dipl.-Ing. Michael Dienst

{midienst@beuth-hochschule.de}, http:// www.beuth-hochschule.de

Gefieder. Bionik befasst sich mit der Untersuchung und Übertragung optimaler Lösungsprinzipien der belebten Natur auf technische Systeme. Viele biologische Systeme sind bis an den Rand des physikalisch Möglichen optimiert. Ein gutes Beispiel: Vögel und Gefieder. Vögel sind hervorragende Flieger, können große Geschwindigkeiten erreichen und enorme Strecken zurücklegen. Der schnellste Vogel ist, mit über 170 Stundenkilometern Fluggeschwindigkeit, der Mauersegler. Die

Küstenseeschwalbe ist der Vogel, der bei seinen jährlichen Wanderungen am weitesten fliegt: Sie unternimmt alljährlich einen Rundflug zwischen Nordpol und Südpol.

In Vögel hat die biologische Evolution enorm viel Entwicklungsarbeit investiert, sie sind hochoptimiert. Eine Ursache von Effizienz bei künstlichen und biologischen Systemen ist die Häufigkeit des Auftretens.

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Artifizielle Gefieder

Das gilt von Generation zu Generation, also relativ und zeitlich horizontal, als auch absolut und vertikal über weite Optimierungszeiträume hinweg. In der Zeit, während der ein gewichtsgleiches Säugetier erwachsen wird, hat das System Vogel schon 4 oder 5 Generationenfolgen hinter sich. Rein statistisch ein guter Grund für Bioniker, auf der ständigen Suche nach Innovationen, sich dem biologischen Hightech-Produkt Vogel und seiner einzigartigen Verpackung besonders intensiv zu widmen. Fassen wir Segeln als ebenes, zweidimensionales Fliegen auf, sollte es gelingen, bei der Entschlüsselung der physikalischen Effekte fliegender, biologischer Systeme auf die Lösungsprinzipien zu stoßen, die auf die Probleme passen, deren wir uns beim Yachtdesign gegenübersehen. Die Übertragung raffinierter Wirkmechanismen auf künstliche Systeme erfordert Detailkenntnisse über die Naturvorgänge die sie realisieren, über natürliche Konstruktionen und den äußeren Kontext der Wesen. Dieser stimmt ja mit der Lebenswelt des Seglers überein.

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Artifizielle Gefieder

Was ist nun das typische an einem Vogel? Fragen wir nach den Merkmalen. Jedes Fliegende System sollte ein Mindestprofil besonderer Eigenschaften besitzen: hohes Leistungsvermögen, niedriges Gewicht und aerodynamische Form. Für einen sicheren Flug müssen die Sinne, insbesondere das Sehvermögen, scharf sein. Vögel besitzen ausgezeichnete Augen, vielleicht die leistungsfähigsten aller Wirbeltiere. Das Sehzentrum des Gehirns ist ebenso wie die motorischen Zentren gut entwickelt, denn Fliegen als Bewegungsablauf erfordert eine hervorragende Koordination. Der gesamte Körperbau eines Vogels ist an die fliegende Lebensweise angepasst. Sein Knochensystem ist ein Lehrstück in Leichtbau. Waben-, und räumliche Wölbstrukturen sind die „Konstruktionsmerkmale“ dieser Tragwerke, die jedes System, das natürliche und das künstliche fest und zugleich auch leicht machen. An der Kunst der räumlichen Konstruktion waren die Ingenieure von je her besonders interessiert, aber erst mit der Verfügbarkeit komplexer Berechnungsverfahren, wie beispielsweise der Finite Elemente Methode FEM gelingt es allmählich, das Geheimnis natürlicher Beul- und Wölbstrukturen zu entschlüsseln. Und dennoch, das Leistungsgewicht biologischer Flieger bleibt eine Herauforderung moderner Ingenieurskunst. Ein Fregattvogel zum Beispiel, hat eine Flügelspannweite von mehr als zwei Metern, sein Skelett wiegt aber lediglich etwa 115 g.

Eine weitere Anpassung, die das Gewicht reduziert, ist das Fehlen einiger Organe. Die heutigen Vögel sind im Zuge der evolutiven Optimierung zahnlos und ohne muskulösen Kieferapparat ausgestattet. Der Vogelschnabel ist eine Anpassung, die das Gewicht des Kopfes erheblich verringert. Fliegen erfordert einen hohen Energieaufwand und einen intensiven, aktiven Stoffwechsel. Betrachtet man den Energieverbrauch beim Fliegen pro Zeiteinheit, dann zeigt sich, dass fliegende Tiere in der gleichen Zeit mehr Energie verbrauchen als rennende oder schwimmende

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Artifizielle Gefieder

Tiere. Vögel halten mittels ihrer eigenen Stoffwechselwärme eine warme, konstante Körpertemperatur aufrecht.

Gefieder birgt eine Vielzahl unterschiedlichster Geheimnisse. Federn sind mikrostrukturiert und sie sind hydrophob. Das sind gute Voraussetzungen für Selbstreinigungseffekte, wie wir sie von zahlreichen Pflanzen kennen. Das Gefieder speichert Luftmasse, wirkt also als Barriere gegen Wärmeaustausch und ermöglicht dem Vogel die vom Stoffwechsel erzeugte Wärme zu behalten. Als Tragfläche bildet Gefieder einen Universalflügel aus, mit dem extrem unterschiedliche Manöver geflogen werden können: Kraftflug, Gleiten und Bodeneffekt-Segeln! Wie manche Kunststoffgewebe, neigt Gefieder dazu, sich im Fluge elektrostatisch aufzuladen. Wozu das dient, wissen wir noch nicht! Genauso wenigweiß man darüber, welchen Nutzen die Gasdurchlässigkeit von Federn birgt. Eine einzelne Feder ist gasdurchlässig. Werden viele dieser Elemente dachziegelartig angeordnet, tritt eine neue Qualität auf. Der Widerstand gegen Massendurchfluss in einem Gefieder ist variant, vielleicht ist er regelbar. Vogelfedern sind genial. In romantischen Worten sprechen wir gerne über das Federkleid, aber Gefieder ist weit mehr als nur eine farbenprächtige Verpackung. Gefieder (jedes) funktioniert nach dem Prinzip des Klettverschlusses. Der wurde ja in der Natur mehrfach erfunden. Bei Insekten und vor allem bei Pflanzen ist dieses Prinzip bekannt. Hier dient es der Mobilität. Da Pflanzen nicht laufen können, haben sie im Laufe der Evolution raffinierte Transportsysteme entwickelt, sozusagen Mobilität in Fremdvergabe. Klettverschlüsse im Pflanzenreich funktionieren nach einer einfachen Formel:

Klette in Verbindung mit Wildschweinfell = Mobilität und Verbreitung der Pflanze.

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Artifizielle Gefieder

Strukturmechanisch ist das Vogelgefieder, dank des Klettenverfahrens, ein „selbstausheilendes“ Gefüge. Geraten Vögel miteinander in Konflikt, oder zerzaust sich ihr Gefieder auf andere Weise, genügt eine rasche kämmende Bewegung (putzen) um den Auftriebsapparat zu reformieren. Gefieder ist sowohl extrem leicht als auch äußerst fest und gehört zu den bemerkenswertesten aller Anpassungen von Wirbeltieren. Federn bestehen aus ß-Keratin - demselben Protein, das auch die Schuppen der Reptilien bildet. (Dagegen bestehen Haare, Hufe und Nägel aus dem andersartigen a-Keratin.).

Gefiedertaschen. Gefieder bildet, im Gegensatz zum Segeltuch, das im umströmten Zustand eher dem physikalischen Modell einer gewölbten Platte entspricht, räumliche Tragflächenprofile aus. Zukünftige künstliche,