Techniken nach dem Vorbild der Natur. Vergleichende Nachhaltigkeitsbewertungen von Bionikprodukten und -verfahren im deutschen Markt

Inhaltsverzeichnis

Darstellungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielsetzung
1.2 Aufbau der Master-Arbeit

2 Definitionen und Grundlagen der Bionik
2.1 Definitionen der Bionik
2.2 Grundlagen der Bionik
2.2.1 Bionische Arbeiten
2.2.2 Historische Entwicklungen
2.2.3 Neuzeitliche Entwicklungen

3 Definition und Grundlagen der Nachhaltigkeit
3.1 Definitionen der Nachhaltigkeit
3.2 Grundlagen der Nachhaltigkeit
3.2.1 Historische Entwicklung
3.2.2 Modelle
3.2.3 Strategien

4 Nachhaltigkeit und Bionik
4.1 Nachhaltigkeitspotenzial der Bionik
4.2 Methoden der Nachhaltigkeitsbewertung

5 Sechs deutsche Bionikprodukte und -verfahren
5.1 Fruchtschalenstrukturen zur Stoßdämpfung
5.1.1 Biologisches Vorbild
5.1.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.1.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.2 Elastische Polymere als selbstheilender Kunststoff
5.2.1 Biologisches Vorbild
5.2.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.2.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.3 Nanostrukturen für klebstofffreies Haften
5.3.1 Biologisches Vorbild
5.3.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.3.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.4 Künstliche Seide als Hightech-Material
5.4.1 Biologisches Vorbild
5.4.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.4.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.5 Technische Textilien für vertikalen Flüssigkeitsferntransport
5.5.1 Biologisches Vorbild
5.5.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.5.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.6 Lufthaltende Schichten zur Reibungsreduktion
5.6.1 Biologisches Vorbild
5.6.2 Bionische ingenieurtechnische Nachahmung
5.6.3 Nachhaltigkeit der bionischen Lösung
5.7 Positionierung der sechs Bionik-Analyseresultate im Qualitäts- und Optimierungsraum der Systemischen Bionik

6 Resümee

Anhang

Literaturverzeichnis

Darstellungsverzeichnis

Darstellung 1: Ahornsamen (links), Flugverhalten Ahornsamen (Mitte), Modell einer Flugschraube von Leonardo da Vinci (rechts)

Darstellung 2: Lotusblatt (links), Lotuseffekt am Auto (rechts)

Darstellung 3: Bienenwabe (linkt), Ziegelsteine (rechts)

Darstellung 4: Skizze vom Bau eines Präriehundes (links), Skizze eines Windturmes (rechts)

Darstellung 5: Haufischhaut (links), Flugzeughaut (rechts)

Darstellung 6: Osagedorn (links), Stacheldraht (rechts)

Darstellung 7: Forelle (links), Integration einer Wellenpumpe in einem Herzmodell (rechts)

Darstellung 8: Menschliche Muskel (links), künstliche Muskeln (rechts)

Darstellung 9: Fledermaus (links), Einparkhilfe mit PKW (rechts)

Darstellung 10: Neuronen eines Gehirns (links), Hirnschrittmacher (rechts)

Darstellung 11: Skizze Fotosynthese (links), Skizze Photovoltaik (rechts)

Darstellung 12: Milan (links), EvolutionsverlaufderFlügelenden (rechts)

Darstellung 13: Dreieck der Nachhaltigkeit (links), Drei-Säulen Modell (rechts)

Darstellung 14: Gewichtetes Dreiecksmodell (links), Zauberscheiben der Nachhaltigkeit (rechts)

Darstellung 15: Zieldreieck der Nachhaltigkeit (links), Nachhaltigkeitsprinzipien derDeutschen Nachhaltigkeitsstrategie (rechts)

Darstellung 16: Cradle-to-Cradle-Ansatz Grobansicht (links), Cradle-to-Cradle-Ansatz Detailansicht (rechts)

Darstellung 17: Life CycleAssessment (links), Umweltmanagementsystem 1404X (rechts)

Darstellung 18: Pomelo-Frucht (links) und Pomelo-Baum (rechts)

Darstellung 19: Pomelofrucht als Vorbildfür einen Sicherheitshelm

Darstellung 20: Kautschukbaum Plantage (links), Kautschukgewinnung (rechts)

Darstellung 21: Lithium-Ionen-Batterien (links), E-Auto im Ladevorgang (rechts)

Darstellung 22: Gecko (links), Nanohärchen am Gecko-Fuß (rechts)

Darstellung 23: Gecko-Tape in derAnwendung (links), Gecko-Tape Nahansicht (rechts)

Darstellung 24: Radnetzspinne (links), Aufbau einesSpinnennetzes (rechts)

Darstellung 25: Biosteel Faser (links), Adidas Schuh aus Biosteel Faser (rechts)

Darstellung 26: Lianenvielfalt (linksfjunge Lianenpflanze (rechts)

Darstellung 27:Pflanzenhalm aus Faserverbundwerkstoff(links), Faserbasiertes Wassertransportsystem (rechts)

Darstellung 28: Schwimmfarn Salvinia molesta (links), Nahansicht des Schwimmfarns Salvinia molesta (rechts)

Darstellung 29: Wasserabhaltende Polymerprobe (links), Oberfläche aus Polymeren (rechts)

Darstellung 30: Qualitäts- und Optimierungsraum derSystemischen Bionik (links), Kriterien im Qualitäts- und Optimierungsraum (rechts)

Darstellung 31: Skizzierte Positionierung derBionikprodukte und -verfahren im Qualitäts- und Optimierungsraum

Darstellung 32: Auswertung derSystemischen Bionik der sechs Bionikprodukte und -verfahren

Darstellung 33: Angepasste Auswertung der Systemischen Bionik der sechs Bionikprodukte und -verfahren

Darstellung 34: Definitionsbeispiele der Bionik

Darstellung 35: Zeitstrahl historischer Ereignisse der Bionik

Darstellung 36: Statistik des Statista Research Departments vom 24.03.2021

Darstellung 37: Definitionen derNachhaltigkeit

Darstellung 38: Die 17 globalen Zielefür eine nachhaltige Entwicklung

Darstellung 39: Übersicht der Schlüsselindikatoren in 39 Bereichen

Darstellung 40: Messmethoden der Nachhaltigkeit im Vergleich

Darstellung 41: Kriterien zur Messung bzw. vergleichende Bestimmung von Bionik-Lösungen

Darstellung 42: Zusammenfassung derAuswertung dersechs Bionikprodukte und -verfahren

Darstellung 43: Kriterien zur Messung bzw. vergleichende Bestimmung von Bionik-Lösungen modifiziert

1 Einleitung

Die Bionik ist eine Kombination aus Biologie und Technik. Bioniker erforschen Pflanzen und Tiere mit den Augen eines Ingenieurs. Als erster prominenter Bioniker wird oft Leonarodo da Vinci genannt. Mit seinem Zitat: „Der mensch­liche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (...), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer oder geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts und ist nichts zu viel“¹, brachte er zum Ausdruck, dass sich die Technik mehr an die Natur orientieren sollte. Durch die Evolution und Biodiversität haben sich Lebewesen jedem verfügba­ren und noch so unwirtlichen Lebensraum angepasst. Probleme, die mit tech­nischen Herausforderungen vergleichbar sind, wurden durch an die Umge­bungsbedingungen angepassten Konzepte gelöst. Aus der Vielfalt biologi­scher Vorbilder ergibt sich für die Forscher ein nahezu grenzenloser Pool an spezifischen Antworten auf technische Fragestellungen. Doch ergeben sich nicht nur technische Fragen, auch solche zur Nachhaltigkeit der Produkte sind für die Forschung von großer Bedeutung. Aufgrund der vielen effizienten Lö­sungen aus der belebten Natur wie Opportunismus, also der Nutzung des Vor­handenen sowie Effizienzanpassungen, vermuten viele Wissenschaftler, dass die Bionik nicht nur eine vielversprechende Innovationsmethode darstellt, son­dern auch das Potenzial einer ökologischen bzw. nachhaltigen Technik in sich birgt. Um dies zu prüfen, ist eine Bewertung mit quantifizierbaren Indikatoren notwendig. Da die Bionik in Deutschland mittlerweile eine etablierte Innovati­onsmethode ist, die eine Vielzahl an Produktoptimierungen und Neuentwick­lungen hervorgebracht hat, werden in dieser Arbeit anhand des Ansatzes einer ganzheitlichen Sichtweise sechs deutschen Innovationen vorgestellt und auf ihr Nachhaltigkeitspotenzial untersucht.

1.1 Zielsetzung

Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, einen Einblick in das Thema Bionik zu ge­winnen und diese in Bezug auf Nachhaltigkeit zu bewerten. Dafür werden sechs deutsche Bionikprodukte und -verfahren vorgestellt. Anhand von Krite­rien zur Messung bzw. vergleichenden Bestimmung von Bionik-Lösungen wer­den die Produkte und Verfahren einer Nachhaltigkeitsbewertung unterzogen. Mithilfe dieser Analyseresultate werden sie anschließend im Qualitäts- und Optimierungsraum der Systemischen Bionik positioniert.

1.2 Aufbau der Master-Arbeit

Im ersten Teil der Arbeit werden die Grundlagen und Begrifflichkeiten der Bio­nik sowie Nachhaltigkeit behandelt. Anschließend werden beide Gebiete mit­einander in Verbindung gebracht. Dabei werden das Nachhaltigkeitspotenzial der Bionik sowie die Bewertungsmethoden der Nachhaltigkeit beurteilt. Mit dem daraus gewonnenen Basiswissen wird der zweite Teil, das Kernstück der Arbeit, betrachtet. In diesem Abschnitt werden sechs deutsche Bionikprodukte und -verfahren untersucht. Dabei werden jeweils das biologische Vorbild, die bionische ingenieurtechnische Nachahmung sowie die Nachhaltigkeit der bio­nischen Lösung begutachtet. Anschließend werden die Resultate, wie bereits in der Zielsetzung erwähnt, im Qualitäts- und Optimierungsraum der Systemi­schen Bionik positioniert. Der dritte und damit letzte Teil der Arbeit schließt mit dem Resümee ab.

2 Definitionen und Grundlagen der Bionik

Zum besseren Verständnis sollen vorab die Grundlagen und Definitionen der Bionik vermittelt werden. Dabei werden die bionischen Arbeiten und die histo­rische sowie neuzeitliche Entwicklung detailliert betrachtet. Wie kommt der Name „Bionik“ zustande, gibt es unterschiedliche Definitionen, warum steht die Analogieforschung an der Basis? All das sind Fragen, die im folgenden Kapitel beantwortet werden.

2.1 Definitionen der Bionik

Die Bionik ist gekennzeichnet durch Erkenntnisse, die am biologischen Ob­jekt gewonnen werden, die überlegene Prinzipien gegenüber der bisherigen Technik beinhaltet. Auf dieser Basis sind in der Vergangenheit zahlreiche Definitionen und Erklärungen zum Wesen der Bionik publiziert worden.² Ab dem Beginn der 70er Jahre hat Prof. Dr. Werner Nachtigall, ein deutscher Zoologe, der als Begründer der Bionik in Deutschland gilt, bionisches Arbei­ten wie folgt definiert: „ Lernen von der Natur als Anregung für eigenständiges technisches Weiterarbeiten"³. Damit drückte er aus, dass die Natur einen An­stoß für die Technik liefert und allgemeine Anregungen vielfältigster Art in technisches Gestalten einfließen können, direkte Kopien aber nie zum Ziel führen. Die Natur liefert lediglich eine Vorlage für die Technik. Bei einer Ta­gung des Vereins Deutscher Ingenieure über die Analyse und Bewertung zu­künftiger Technologien in Düsseldorf 1993, die unter dem Motto “Technolo­gie-Analyse Bionik“ stand, haben sich die anwesenden technischen Biologen und Bioniker auf den Satz geeinigt: „ Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich systematisch mit der technischen Umsetzung und der Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Sys- teme “⁴. Bionik betreiben heißt also, von der Natur für die Technik lernen. Die Darstellung 35 im Anhang 1 (Definitionsbeispiele der Bionik) liefert drei wei­tere Definitionen zum Begriff der Bionik. Wie man der Darstellung entnehmen kann, gibt es unterschiedliche Definition, wobei diese Definitionen nur Bei­spiele sind. Das Ziel der Bionik, und hier stimmen die Definitionen weitestge­hend überein, liegt in der Entwicklung und Umsetzung technischer Produkte und Prozesse. Der Ausgangspunkt des Transferprozesses ist die belebte Na- tur.⁵ Die bionischen Systeme können sich prinzipiell auf zwei Weisen entwi­ckeln. Entweder hat die Natur tatsächlich die entscheidende Anregung gege­ben, dann haben sich technischen Konstruktionen unter Einbringung der in­genieurwissenschaftlichen Disziplinen daraus weiterentwickelt. Oder es ist ohne Kenntnis der Natur zu solchen Konstruktionen gekommen und man stellt nachträglich eine funktionelle Übereinstimmung fest, auf der man weiter aufbauen kann,⁶ was die Verbindung, der im Kapitel 2 angesprochenen Ana­logieforschung herstellt. Das Wort Analogie bezeichnet eine Ähnlichkeit bzw. Übereinstimmung hinsichtlich gewisser Merkmale. Zwei Situationen sind ana­log zueinander, wenn ihre einzelnen Elemente über ein gemeinsames Bezie­hungsmuster verfügen. Die Elemente selbst können jedoch unterschiedlich sein. So können z. B. der Fluss von Elektronen in einer elektronischen Lei­tung und die Fortbewegung von Menschen in einem U-Bahntunnel als analog zueinander betrachtet werden. Obwohl die jeweiligen Elemente unterschied­lich sind, sind die Relationen dieser Elemente in beiden Situationen ähnlich.⁷

2.2 Grundlagen der Bionik

Greift der Architekt oder der Ingenieur eine Grundidee der Natur auf, so kann dies Anregung bei der Umsetzung in die Ingenieurwissenschaften geben, wie beispielsweise hinsichtlich der Luftumwälzung von Gebäuden dahingehend, wie es die Präriehunde mit ihren Bauten vormachen. Die Bionik lässt sich in verschiedene Gebiete unterteilten. Die angesprochene Luftumwälzung von Gebäuden gehört beispielsweise zur Klimabionik. Zum besseren Verständnis soll in diesem Kapitel auf die Arbeiten bzw. Teilgebiete und Entwicklungen der Bionik eingegangen werden.

2.2.1 Bionische Arbeiten

Trotz aller Definitionsschwierigkeiten ist Bionik nur ein Oberbegriff. Es gibt viele mögliche Unterteilungen für die Bionik. Dieter Neumann beispielsweise gliedert die Bionik in drei Gebiete: Konstruktions-, Verfahrens- und Informati­onsbionik. Folgt man der 1991 vorgeschlagenen Gliederung von Werner Nachtigall, ist eine Unterteilung der Bionik in zwölf Teilgebiete möglich, wobei zwischen vielen der Teilgebiete fließende Übergänge bestehen.⁸ Sie lassen sich an bereits etablierte Fachrichtungen der Biologie bzw. der Ingenieurwis­senschaften und Physik anschließen und können diese einerseits ergänzen, andererseits aber auch in neuer Richtung weiterführen. Im Folgenden sollen diese zwölf Teilgebiete mit beispielhaften Arbeiten kurz vorgestellt werden.

1. Historische Bionik: Unter dem Begriff werden all jene Ideen der Menschen bis zum 19. Jahrhundert zusammengefasst, die sich als Versuche einer Über­tragung von der Natur auf die Technik interpretieren lassen. Die von Vögeln, Fledermäusen oder Pflanzensamen nachempfundenen Fluggeräte des bereits erwähnten Leonardo da Vincis sind klassische Beispiele für diese Epoche. Er hat sich u. a. durch einen Ahornsamen inspirieren lassen.⁹ Die Ahornsamen führen durch die spezielle aerodynamische Form beim Herunterfallen zu Au­torotationen, diese bewirken kleine Luftwirbel, die ihnen Auftrieb geben und für längere Flugstrecken sorgen. Somit bewirken sie ein langsameres Absinken und eine großflächige Verteilung der Diasporen durch den Wind.¹⁰ Diese Ei­genschaft wollte Leonardo da Vinci mit seiner konstruierten Luftschraube imi­tieren. Das Vorbild und die Nachahmung im Sinne des Modells einer Luft­schraube sind in der Darstellung 1 ersichtlich. In Kapitel 2.2.2 wird auf die his­torische Entwicklung noch einmal ausführlicher eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 1: Ahornsamen (links)11, Flugverhalten Ahornsamen (Mitte)12, Modell einer Flugschraube von Leonardo da Vinci (rechts)13

2. Strukturbionik: Bei der Strukturbionik werden biologische Strukturele­mente wie z. B. die Struktur von Pflanzenzellen untersucht, beschrieben und verglichen. Dabei wird die Eignung bestimmter Materialien für spezielle Zwe­cke betrachtet.^{11 12 13 14} Eines der bekanntesten Phänomene in der Bionik ist der Lo- tuseffekt. Dieser bezeichnet die Selbstreinigung der Blätter der Lotuspflanze, die aus einer wasserabweisenden Schicht und dem Oberflächenparadoxon resultiert. Lange Zeit gingen Wissenschaftler fälschlicherweise davon aus, dass nur besonders glatte Flächen sauber sind. Die Blätter der Lotuspflanze allerdings sind mit einer Wachsschicht überzogen, die unterschiedlich große röhrenförmige Kristalle bildet.¹⁵ Fällt ein kugelförmiger Wassertropfen auf die Wachsschicht, berührt er nur die Spitzen der Kristalle und somit beträgt die Kontaktfläche lediglich 0,7 %. Durch die äußerst geringe Kontaktfläche ist die Adhäsionskraft (lateinisch für adhaerere „anhaften“) zwischen Blatt und Trop­fen sehr gering. Rollt nun ein Wasserstropfen über einen Schmutzpartikel, ist die Adhäsionskraft zwischen Tropfen und Schmutz größer als die zwischen Schmutzpartikel und Blatt, wodurch der Wassertropfen den Schmutz mit ab­transportiert.¹⁶ Diesen Effekt machen sich auch u. a. Autopflegemittelhersteller durch Polituren und Versiegelungen zunutze. Dabei handelt es sich u. a. um kleinste Alkohol- oder Siliziumpartikel, die auf die Oberfläche des zu versie­gelnden Objektes aufgesprüht werden und so eine Schutzschicht bilden. Wie an der namensgebenden Lotusblüte perlen somit Wasser, Öl und Staub ein­fach ab^{17 18 19}. Das Vorbild und die Nachahmung sind in der Darstellung 2 ersicht­lich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 2: Lotusblatt (links)18, Lotuseffekt am Auto (rechts)19

3. Baubionik: Die Baubionik übernimmt Konzepte und Anregungen aus der Biologie, um diese in der Architektur umzusetzen. Das kann beispielsweise das Fell eines Eisbären sein, das die Entwicklung der Wärmedämmung an­regt²⁰. Außerdem besinnt sie sich auf traditionelle Baumaterialien wie z. B. Ton. In die Baubionik fließen Entdeckungen aus der Struktur- und Konstrukti­onsbionik ein. Bauwerke, die mit Hilfe von Kombination entstanden sind, zeich­nen sich durch minimalen Materialaufwand, hohe Energieeffizienz und hohe Stabilität aus.²¹ Ein repräsentatives Beispiel bietet die Bienenwabe, ein von den Honigbienen aus Bienenwachs errichtetes Wabengebilde mit sechsecki­gen Zellen. Sie dienen zur Aufzucht von Larven und zur Lagerung von Honig und Pollen. Durch das geringe Gewicht spart die Biene Material und Energie beim Aufbau. Der Grund hierfür liegt in den mikroskopischen Strukturen. Diese Struktur dient Ziegelsteinen mit bienenwabenförmigen Löchern als Vorbild. Sie sparen Material ein, ohne die Statik des Gebäudes zu verschlechtern. Das Gewicht reduziert sich um 40 % gegenüber herkömmlichen Ziegeln, was be­reits Transportkosten spart. Die Hohlräume sind mit Luft gefüllt und sorgen somit für einen guten Schall- und Wärmeschutz. Ein weiterer erwünschter Ne­beneffekt besteht darin, dass die Hohlräume Platz für das Verlegen von Lei­tungen bieten.^{22 23 24} Das Vorbild sowie die Nachahmung sind in der Darstellung 3 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 3: Bienenwabe (linkt)23, Ziegelsteine (rechts)24

4. Klimabionik: Die Klimabionik beschäftigt sich mit passiver Belüftung, Küh­lung und Heizung. Hierzu zählen die ideale Ausrichtung von Bauten zu Sonne und Wind, Dachformen, Unterkellerung und Luftführung genauso wie die Luft­umwälzung nach Art der Termitenbauten. Beispielsweise bauen die bereits in Kapitel 2.2 erwähnten Präriehunde einen ihrer beiden Ausgänge kaminartig erhöht, während der andere niedrig bleibt. Auf diese Weise kann der Wind über den erhöhten Ausgang strömen und dort einen Unterdruck erzeugen, wodurch Verdunstungskühle in das unterirdische Höhlensystem zieht und es durchlüftet. Diesen Windströmungseffekt machten sich auch die Menschen der alten Architektur durch Windtürme zunutze. Da die Luft vom Turm durch unterirdische Gänge geleitet wurde, konnten die Erdkühlung und Feuchtigkeit zur Temperierung und Klimatisierung genutzt werden.^{25 26 27} Das Vorbild und die Nachahmung des Windströmungseffektes sind in der Darstellung 4 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 4: Skizze vom Bau eines Präriehundes (links)26, Skizze eines Windturmes (rechts)27

5. Bewegungsbionik: Die Bewegungsbionik beinhaltet die Beobachtungen der Hauptbewegungsformen, wie Laufen, Schwimmen und Fliegen, im Tier­reich. Die Strömungsanpassung von Körperformen, die Oberflächengestal­tung und der Antriebsmechanismus von Bewegungsorganen stehen hierbei im Vordergrund.²⁸ Beispielsweise reduzieren Haie den Strömungswiderstand durch die Oberflächenrauigkeit ihrer Haut, die am ganzen Körper mit Schup­pen besetzt ist. Bei den Haischuppen handelt es sich um Schuppenzähne aus Dentin, die über eine Rillenstruktur verfügen. Durch die Schuppen wird der Oberflächenwiderstand beim schnellen Schwimmen geringer. Die Rillen er­zeugen viele kleine Wasserwirbel, die seitlich gerichteten Kräfte der turbulen­ten Strömung verringern so den Reibungswiderstand und dezimieren die ent­stehenden Verwirbelungen. Der Energieaufwand ist für den Hai gering.²⁹ Diese Eigenschaft machten sich Wissenschaftler für einen Lack zunutze, der an Flugzeugen und Schiffen angewendet wird. Er simuliert mit Hilfe von Na­nopartikeln und einer Matrize die Struktur einer Haihaut und ist dabei UV-be- ständig, hält extreme Temperaturschwankungen und mechanische Belastung aus. Der aufgebrachte Lack reduziert, wie auch die Haihaut, den Reibungswi­derstand und spart dadurch Treibstoff ein.^{30 31} Das Vorbild und die Nachahmung der Oberflächenstruktur sind in der Darstellung 5 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 5: Haufischhaut (links), Flugzeughaut (rechts)31

6. Konstruktionsbionik: Bei der Konstruktionsbionik werden Konstruktions­elemente und Mechanismen auf biologische Lösungen untersucht. Dabei be­schäftigt sich die Konstruktionsbionik mit der Interaktion, also der wechselsei­tigen Beziehung der Elemente.³² Eine bedeutende bionische Entwicklung ist der Stacheldrahtzaun. Der amerikanische Farmer Henry Rose stellte fest, dass sich Weidetiere durch die Pflanzen des Osagedorns davon abhalten las­sen, die Weide zu verlassen. Um Fressfeine abzuwehren, besitzt der Osage- dorn Dornen, die sich der Farmer zunutze machte. Nach dieser Erkenntnis entstand die Idee einer transportablen Hecke. Anfangs war es nur ein Holz­zaun, der mit Drahtspitzen versehen war. Das Patent zu dieser Erfindung wurde jedoch Joseph Glidden zugesprochen, der mit seiner Frau erfolgreich an einer leichteren Variante dieses Holzzaunes arbeitete.³³ Das Vorbild und die Nachahmung der Stachelkonstruktion sind in der Darstellung 6 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 6: Osagedorn (links)34, Stacheldraht (rechts)35

7. Gerätebionik: Bei der Gerätebionik handelt sich um die Entwicklung ein­setzbarer Gesamtkonstruktionen nach Vorbildern aus der Natur. Insbesondere im Bereich der Verbindungs- und Stützentechnik der Pumpen- und Förder­technik, der Hydraulik, Pneumatik und Strömungsmechanik finden sich vielfäl­tige Anwendungsmöglichkeiten.^{34 35 36} Ein Beispiel ist die Schwanzflosse der Fo­relle, die als Vorbild für eine Pumpenflosse diente. Die Fische erzeugen mit ihrer schwingenden Schwanzflosse einen Vortrieb. Die Umkehr des Fischflos­senantriebsprinzips führt zur Generierung eines Wasserstroms. Hält man den Fisch fest, überträgt seine schwingende Schwanzflosse Kräfte auf das umge­bende Wasser und setzt es nach hinten in Bewegung. Aus dem Vortriebsap­parat wird dadurch ein Pumpapparat. Eingeschlossen in ein Pumpengehäuse kann eine analog schwingende Flossen-Platte Wasser nach hinten fördern. Eine solche Flossenpumpe transportiert auch sehr stark verschmutztes Was­ser verlässlich.³⁷ Eine Weiterentwicklung der Flossenpumpe bzw. Schwingflä­chenpumpe ist die Wellenpumpe, die heutzutage u. a. in der Herzchirurgie zum Einsatz kommt.³⁸ Die Gerätebionik steht im Zusammenhang mit der Struktur- und Konstruktionsbionik. Das Vorbild und die Nachahmung der Pum­penfunktion sind in der Darstellung 7 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 7: Forelle (links)39, Integration einer Wellenpumpe in einem Herzmodell (rechts)40

8. Anthropobionik: Der Anthropobionik werden die Anwendungsmöglichkei­ten der Robotik und der Bereich der Mensch-Maschinen-Interaktion zugeord­net. Dabei lassen sich die Bereiche Ergonomie, Robotik sowie Prothetik und Biomaterialien unterscheiden.^{39 40 41} Beispielsweise gehören die Idealkonfiguration eines Fahrrads, das mit hoher Muskeleffizienz gefahren werden kann, oder die bedienungsfreundliche Gestaltung eines Cockpits und die Entwicklung von Greifarmsteuerungen dazu. Eine wichtige Basis dieses Teilgebiets ist die Be­obachtung der Interaktion des Menschen mit seiner Umgebung.⁴² Bei der Ent­wicklung der Greifarmsteuerung beispielsweise geht es im Allgemeinen um eine ruckfreie Bewegung der Robotikstellglieder. Die feingesteuerte, weiche Gliederbewegung von Tieren und Menschen erfolgt durch Muskeln mit ganz eigentümlichen mechanischen Kenngrössen. Man fand heraus, dass anstatt einer Steuerung durch elektromechanische Einrichtungen wie Hubmagnete und Stellmotoren, die nie ganz ruckelfrei funktionierten, pneumatische (Druck durch Flüssigkeit) Stellglieder geeigneter sind, die Muskelbewegung nachzu- bilden.⁴³ Diese pneumatischen Muskeln können ohne Übergang gesteuert werden, ganz so wie die Muskeln von Tieren und Menschen. Sie arbeiten, wie auch natürliche Muskeln, mit Kontraktion und Zugkräften.⁴⁴ Dadurch gibt die Anthropobionik den Menschen die Chance, ihre Lebensqualität zu erhalten oder nach Unfall oder Krankheit wiederherzustellen. Das Vorbild und die Nach­ahmung der muskulären Steuerung sind in der Darstellung 8 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 8: Menschliche Muskel (links)45, künstliche Muskeln (rechts)46

9. Sensorbionik: Die Sensorbionik beschäftigt sich mit der Erfassung und Verarbeitung physikalischer und chemischer Reize in der Natur und den Mög­lichkeiten einer Übertragung in die Technik. Dabei untersucht die Sensorbionik Mechanismen zur Aufnahme, Speicherung und Verarbeitung von Informatio­nen. Als Beispiel sei die Abstandserfassung durch Ultraschall angeführt. Fle­dermäuse verwenden diese Technik, um u. a. die Entfernung von Beutetieren und Hindernissen zu erfassen. Sie können damit selbst bei völliger Dunkelheit Hindernissen ausweichen. Dazu stoßen sie Ultraschalllaute aus und orientie­ren sich mit deren Hilfe, indem sie das Echo der Schallwellen registrieren. Aus den zeitlichen Abständen der reflektierten Schallwellen setzten sie ein “Hör­bild“ ihrer Umgebung zusammen. Die Echoortung hat eine Reichweite von sechs bis zehn Metern.^{45 46 47} In der Fahrzeugtechnik nutzt man dieses Prinzip zur Abstandserfassung zum Vorausfahrenden bzw. um beim Einparken eine Hil­festellung zu haben.⁴⁸ Das Vorbild und die Nachahmung der Ultraschalltechnik sind in der Darstellung 9 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 9: Fledermaus (links)49, Einparkhilfe mit PKW (rechts)50

10. Neurobionik: Die Neurobionik beschäftigt sich mit der Funktion von Neu­ronen und Nervensystemen als ganze Einheiten, um die Ergebnisse auf elekt­ronische Informationssysteme zu übertragen. Dies beinhaltet die Entwicklung sogenannter „Neuronaler Schaltkreise“ in der Technik. Das bedeutet die Wei­terentwicklung von Informationsverarbeitung und Steuerung z. B. durch intel­ligente Schaltungen, die Verschaltung von Parallelrechnern sowie neuronale Schaltkreise. Die Anregung wurde aus dem Bereich der Neurologie und Bioky­bernetik gewonnen.^{49 50 51} Beispiele hierfür sind motorische Neuroprothesen. Bei Patienten, die unter Störungen ihrer motorischen Handlungsfähigkeit leiden, versuchen Ärzte mit Hilfe der Tiefen-Hirn-Stimulation, auch Hirnschrittmacher genannt, zu helfen. Dabei werden dem Patienten Elektroden in Gehirn implan­tiert, die mit einem Impulsgeber im Bereich der Brust oder des Oberbauchs verbunden sind.⁵² Das Vorbild und die Nachahmung sind in der Darstellung 10 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 10: Neuronen eines Gehirns (links)53, Hirnschrittmacher (rechts)54

11. Verfahrensbionik: Nicht nur natürliche Konstruktionen lassen sich auf ihre technische Verwertbarkeit prüfen, sondern mit besonderem Vorteil auch Ver­fahren, mit denen die Natur Vorgänge steuert. Eines der wesentlichsten Vor­bilder in der Verfahrensbionik ist die Photosynthese.^{53 54 55} Dabei produzieren Pflanzen unter Einfluss von Sonnenlicht und mit Hilfe von Kohlenstoffdioxid und Wasser nicht nur Sauerstoff, sondern auch das Zuckermolekül Glucose, das den Pflanzen als Bau- und Energiestoffe dient. Eine Nachahmung der Photosynthese ist das Photovoltaikprinzip, worunter man die direkte Umwand­lung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, mittels Solarzellen in elektrische Energie versteht. Das der Photosynthese und der Fotovoltaik zu Grunde lie­gende Prinzip ist es also, Energie aus dem Licht der Sonne zu gewinnen.⁵⁶ Das Vorbild und die Nachahmung der Energieerzeugung sind in der Darstel­lung 11 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 11: Skizze Fotosynthese (links)57, Skizze Photovoltaik (rechts)58

12. Evolutionsbionik: In der Evolutionsbionik werden die Prinzipien der Evo­lution bei der Entwicklung technischer Systeme angewandt, indem die Verfah­ren der natürlichen Evolution der Technik nutzbar gemacht werden.^{57 58 59} Bei dem Evolutionsprozess erfolgt in einer zeitlichen Abfolge kleiner Variationen von Generation zu Generation eine Entwicklung. Er beruht auf den Prinzipien Va­riation und Selektion. Die Variation gründet sich auf die Veränderung beim Ko­pieren bzw. Kombinieren der Erbmerkmale der Eltern, während die Selektion diejenigen auswählt, die von den unterschiedlichen Körpermerkmalen und Verhaltensweisen der Individuen beim Überleben und bei der Zeugung fort­pflanzfähiger Nachkommen Vorteile erzielen.⁶⁰ Die Evolutionsbionik versucht, die Verfahren der natürlichen Evolution der Technik nutzbar zu machen. Ins­besondere dann, wenn die mathematische Formulierung bei komplexen Sys­temen und Verfahren noch nicht so weit ausgereift ist, dass eine rechnerische Simulierung möglich wäre, bleibt die experimentelle oder virtuelle Versuch-Irr- tum-Entwicklung als Alternative.⁶¹ Technische Optimierungsprobleme können sich auf alle Bereiche beziehen, z. B. bei einer vogelähnlichen Flügelsprei­zung. Das Vorbild und die Nachahmung sind in der Darstellung 12 ersichtlich. In der linken Darstellungshälfte ist ein Milan (Greifvogel) zu sehen, rechts in der Darstellung ist der Evolutionsverlauf der aufgespreizten Flügelenden in ei­nem Windkanal zu erkennen. Das Ergebnis der 19. Generation ähnelt der Spreizung am Vogelflügel.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 12: Milan (links)62, Evolutionsverlauf der Flügelenden (rechts)63

2.2.2 Historische Entwicklungen

Die Bionik beginnt nicht erst mit der Einführung des Begriffs und der Grün­dung als eigenständiges Forschungsgebiet Mitte des 20. Jahrhunderts. Ein Blick zurück in die Geschichte zeigt Beispiele dafür, dass der Mensch schon früh anfing, von der Natur zu lernen, und auch versuchte, das Gelernte tech­nisch umzusetzen. Als einer der ersten Bioniker, der bereits in Kapitel 2.2.1 erwähnt wurde, gilt Leonardo da Vinci (1452 - 1519), da er Beobachtungen an natürlichen Konstruktionen durchführte, diese als Anregung für seine ei­genen Arbeiten nahm und mit den vorhandenen Mitteln dieser Zeit technisch umsetzte. 1505 veröffentlichte er ein Buch unter dem Namen „Kodex über den Vogelflug“. In diesem Buch beschreibt Leonardo da Vinci nicht nur den Vogelflug, sondern er bringt ebenso Beispiele dafür, wie man diesen in Nach­bauten umsetzen kann. Auch wenn sich seine Entwürfe und Skizzen von den Vögeln, Fledermäusen oder Pflanzensamen nachempfundenen Fluggeräten als nur bedingt flugtauglich erwiesen haben, wie beispielsweise das Modell der Luftschraube in der Darstellung 2 in Kapitel 2.2.1, war seine Grundidee^{62 63} richtig. Kurz nach da Vinci beschäftigte sich Galileo Galilei neben seinen Stu­dien zur Astronomie und Mechanik mit dem Aufbau von Pflanzen und wie dieser Aufbau für technische Konstruktionen und Bauwerke genutzt werden kann. Er wurde aus diesem Grund auch als einer der ersten „Architektur-Bio- niker“ bezeichnet. Das sich steigernde Interesse an den Naturwissenschaften und der Technik führte zu einer Zunahme schriftlich belegter bionischer For­schungen und Erfindungen - dies auch vor dem Hintergrund einer stetig wachsenden besseren Bildung der Gesamtbevölkerung.⁶⁴ Als Beispiel für do­kumentierte und daher bekannte Anregungen aus der Natur zur Lösung tech­nischer Aufgabenstellungen sollen nachfolgend weitere Beispiele anhand ei­nes Zeitstrahls in der Darstellung 35 im Anhang 2 (Zeitstrahl historischer Er­eignisse der Bionik) aufgezeigt werden. Die in der Darstellung angegebenen Ereignisse sind, wie bereits erwähnt, nur beispielhaft. Einige Pioniere bzw. deren Erfindungen, u. a. von Otto Lilienthal, Jack E. Steele, Wilhelm Barthlott und Werner Nachtigall, wurden an dieser Stelle nicht berücksichtigt.

2.2.3 Neuzeitliche Entwicklungen

Dass die Bionik als Forschungs- und Arbeitsgebiet trotz der gegebenen weit zurückreichenden Beispiele noch sehr jung ist, ist daran ersichtlich, dass erst mit den ab 2012 erschienen VDI-Richtlinien 6220-6226 Regelwerke zu ihrer Definition und Anwendung herausgebracht wurden. Die ersten internationalen Normen folgten 2016 mit der DIN ISO 18458 und 18459. 1999 wurde erstmalig der Deutsche Umweltpreis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für selbstreinigende Oberflächen nach dem Lotuseffekt, der bereits in Kapitel 2.2.1 erwähnt wurde, vergeben. In den Jahren 2003 und 2005 schrieb das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zum ersten Mal Ideen­wettbewerbe zum Thema Bionik aus, in denen mehrere Studien gefördert wur­den. Dessen Fördermaßnahme „BIONA - Bionische Innovationen für nachhal­tige Produkte und Technologien“ unterstützte zwischen 2008 - 2012 Projekte zur nachhaltigen technischen Entwicklung mit bionischem Ansatz. In dem im Dezember 2012 gemeinsam vom VDI und Bionik Kompetenznetz BIOKON herausgegebenen Positionspapier „Zukunft der Bionik: Interdisziplinäre For­schung stärken und Innovationspotenziale nutzen“ wurde das Potenzial der Bionik insbesondere für den Forschungsstandort Deutschland hervorgehoben und es wurden Empfehlungen an die Bundesregierung ausgesprochen, wie die Bionik in Zukunft weiter gefördert werden könnte. Ein aktuelles, von der Europäischen Union innerhalb des Rahmenprogramms „Horizon 2020“ geför­dertes bionisches Projekt beschäftigt sich derzeit mit der Reduzierung des Treibstoffverbrauchs von Schiffen. Die Forscher entwickeln dafür eine auf den Schiffsrumpf aufzuklebende Luftpolsterfolie nach dem Vorbild des Schwimm­farns Salvania. Die Blätterstruktur des Schwimmfarns speichert Luftschichten, um unter Wasser atmen zu können. Die durch die Folie entstehende reibungs­arme Luftbarriere schirmt den Schiffsrumpf vom Wasser ab und soll so Treib­stoff einsparen. Diese Beispiele zeigen, dass sich Wissenschaft, Technik und auch die Politik im zunehmenden Maße für die Bionik interessieren. Außerdem lässt sich ein kontinuierlicher und, gemessen an anderen Themengebieten, überproportionaler Anstieg der Forschungsaktivitäten feststellen.⁶⁵ In Kapitel 5. 6 wird auf den Salvania Schwimmfarn und dessen Nachahmung nochmals eingegangen. Aber auch außerhalb der Europäischen Union lässt sich ein In­teressenanstieg an bionischen Produkten erkennen. Bei einer Umfrage in Russland des Statista Research Departments vom 24. März 2021 mit der Fra­gestellung: „Welche der folgenden Annehmlichkeiten des 21. Jahrhunderts würden Sie als diejenige bezeichnen, die das Leben eines Menschen am ra­dikalsten verändert hat“?, antworteten mehr als ein Drittel der Russen, dass sie bionische Prothesen von Armen und Beinen für die wichtigste Erfindung des 21. Jahrhunderts halten. Damit liegen sie über dem Smartphone, welches lediglich 31 % der Russen als wichtigste Erfindungen dieses Jahrhundert emp­finden. In der Darstellung 36 im Anhang 3 (Statistik des Statista Research De­partments) ist die detaillierte Auswertung der Studie ersichtlich. Trotz der stei- gernden Nachfrage nach Forschungsaktivitäten in der neuzeitlichen Entwick­lung, sind viele bionische Forschungs- und Entwicklungsprojekte über das F&E- bzw. Prototypenstadium nicht hinausgekommen. Unter den erfolgrei­chen Innovationen befinden sich zudem wenige weit reichende Innovationen, mit deren Hilfe neue Märkte erschlossen werden konnten, sondern eher inkre­mentelle Verbesserungsinnovationen. Einige erfolgreiche Innovationen sollen in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellt werden.

3 Definition und Grundlagen der Nachhaltigkeit

Angewendet für nahezu alle Lebensbereiche, kann der Begriff „Nachhaltigkeit“ im ursprünglichen Sinne als die Möglichkeit der dauerhaften Nutzung von Res­sourcen durch ein vernünftiges Verhältnis zwischen Nutzung und Regenerati­onsfähigkeit beschrieben werden.⁶⁶ Um einen besseren Einblick in das Thema zu bekommen, wird der Begriff in den anschließenden Kapiteln ausführlich un­tersucht.

3.1 Definitionen der Nachhaltigkeit

Der Begriff Nachhaltigkeit ist seit vielen Jahren ein Leitbild für politisches, wirt­schaftliches und ökologisches Handeln. Seit den Anfängen wurden zahlreiche Definitionsversuche vorgenommen, die im Kern jedoch sehr ähnlich sind. Eine der gebräuchlichsten Definitionen des Nachhaltigkeitsbegriffes ist die Defini­tion des Brundtland-Berichtes der Vereinten Nationen von 1987. In dieser heißt es: "Humanity has the ability to make development sustainable - to en­sure that it meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.“⁶⁷ Dies bedeutet frei übersetzt, dass die Menschheit über die Fähigkeit verfügt, Entwicklung nachhaltig zu ge­stalten, um sicherzustellen, dass sie die Bedürfnisse der Gegenwart erfüllt, ohne die Fähigkeit zukünftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Be­dürfnisse zu erfüllen. Nachhaltigkeit wird laut dieser Definition als eine Ent­wicklung beschrieben, die sowohl auf die Gegenwart als auch die Zukunft aus­gerichtet ist. Allerdings bietet diese Definition auch eine Grundlage für Diskus­sionen, da sie Raum für unterschiedliche Interpretationen lässt. Aus diesem Grund ist es nicht verwunderlich, dass mittlerweile zahlreiche Begriffsdefiniti­onen kursieren. In Abhängigkeit ihres Ursprungs beziehen sich die jeweiligen Definitionen allerdings häufig nur auf Teilaspekte der Nachhaltigkeit.⁶⁸ Wie auch schon im Kapitel 2.1 bei der Definition der Bionik, sollen in der Darstel­lung 37 im Anhang 4 (Definitionen der Nachhaltigkeit) drei weitere Definitionen gegeben werden. Dabei wird der Begriff in die Teilgebiete Ökologie, Soziales und Ökonomie differenziert, auf deren Bedeutung in dem nachfolgenden Ka­pitel detaillierter eingegangen wird. Die Bezeichnung „Nachhaltige Entwick­lung“ ist die deutsche Übersetzung des englischen Begriffs „sustainable deve­lopment". Weitere Übersetzungen, die in der Literatur verwendet werden, sind unter anderem die Begriffe: „umweltgerechte Entwicklung“, „ökologisch-dau­erhafte Entwicklung“ sowie „zukunftsverträgliche Entwicklung“.⁶⁹

3.2 Grundlagen der Nachhaltigkeit

Nach der Definition aus Kapitel 3.1 ist nachhaltige Entwicklung als eine Ent­wicklung definiert, welche die heutigen Bedürfnisse zu decken vermag, ohne dass künftige Generationen weniger Möglichkeiten haben, ihre eigenen Be­dürfnisse zu befriedigen. Aus dieser Definition wurden Modelle entwickelt, die eine enge Verzahnung von wirtschaftlicher sowie bewusster sozialer Entwick­lung im Sinne von gesellschaftlicher und ökologischer Entwicklung beinhalten. Diese Thematik sowie die Nachhaltigkeitsstrategien der Bundesrepublik Deutschland sollen nachfolgend behandelt werden.

3.2.1 Historische Entwicklung

Der Begriff Nachhaltigkeit kommt ursprünglich aus der Forstwirtschaft. Hans Carl von Carlowitz entwickelte aufgrund der damaligen Holzknappheit in Sach­sen ein Konzept, welches eine dauerhafte Bereitstellung von ausreichenden Holzmengen gewährleistete. Im Jahr 1973 veröffentlichte Carlowitz in einem Folienband seine Anweisung zur Baum-Zucht. Seine Idee war es, aus einem Wald immer nur so viel Holz zu schlagen, wie durch Wiederaufforstung nach­wachsen konnte. Mit seiner Leitidee schuf er die Grundlagen einer nachhalti­gen Forstwirtschaft, die bis heute umgesetzt wird. Bis ins 19. Jahrhundert wurde die Idee der Nachhaltigkeit um ökologische und ästhetische Aspekte erweitert und auch auf andere Wirtschaftszweige übertragen. Allerdings wurde zu dieser Zeit von einer unbeschränkten Verfügbarkeit der Produktionsfakto­ren ausgegangen.⁷⁰ Diese Meinung wurde 1972 durch den Bericht „Grenzen des Wachstums“ des Club of Rome (eine informelle Vereinigung von Wirt­schaftsführern, Politikern und Wissenschaftlern) beeinflusst. In ihrer Publika­tion stellten sie die Unerschöpflichkeit der global verfügbaren Ressourcen in Frage.⁷¹ Einen wesentlichen Baustein zum heutigen Verständnis von „Nach­haltigkeit“ legte die UN-Kommission WCED fest (World Commission on En- viroment and Development). Unter der Leitung von Gro Harlem Brundtland forderte die Brundtland-Kommission in ihrem Bericht von 1987 eine Entwick­lung, die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Mög­lichkeiten künftiger Generationen zu gefährden. Die Entwicklung wurde mit „sustainable development“, also der „nachhaltigen Entwicklung“, beschrieben. Diese beinhaltete einen Veränderungsprozess, in dem die Nutzung der Res­sourcen, die Struktur der Investition, die Orientierung des technischen Fort­schritts sowie die institutionellen Strukturen konsistent gemacht werden. Aus der Definition der Brundtland-Kommission ist allerdings nicht deutlich erkenn­bar, ob der nächsten Generation die Gesamtsumme der verschiedenen Kapi­talien, im Sinne von Sach-, Human- und Naturkapital, oder der absolute Wert einzelner Kapitalien erhalten bleiben soll. Im ersten Fall spricht man von „schwacher Nachhaltigkeit“, bei der die einzelnen Kapitalien gegeneinander ausgetauscht oder ersetzt werden können (der Baum als Naturkapital wird durch den Holztisch als Sachkapital ersetzt). Nur die Summe soll der nachfol­genden Generation erhalten bleiben. Im zweiten Fall wird von „starker Nach­haltigkeit“ gesprochen. Das Naturkapital wird dabei als unersetzlich angese­hen, d. h., die Naturkapitalien, wie z. B. Fischbestände und Wälder, sollen kon­stant erhalten bleiben. Das sehr breite Verständnis wurde später konkretisiert. Nachhaltige Entwicklung berücksichtigt heute demnach gleichermaßen sozi­ale, ökologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte.⁷² In der Literatur werden diese Faktoren mit unterschiedlichen Darstellungen beschrieben. Nachfolgend sollen diese unterschiedlichen Modelle vorgestellt werden.

3.2.2 Modelle

Da der Begriff Nachhaltigkeit komplex ist, versucht man mithilfe verschiedener Modelle und Konzepte den Begriff bzw. das Prinzip der Nachhaltigkeit zu kon­kretisieren und fassbar zu machen. Sehr verbreitet sind das Dreieck der Nach­haltigkeit und das Drei-Säulen-Modell, welches auf denselben theoretischen Annahmen beruht wie das erstere. Beiden Modellen ist gemein, dass sie die Nachhaltigkeit in die Dimensionen Ökologie, Soziales und Ökonomie differen­zieren. Die Definitionen zu diesen Teilaspekten wurden bereits im Kapitel 3.1 und in der Darstellung 37 im Anhang 4 beschrieben. Beide Modelle gehen da­von aus, dass alle drei Aspekte gleich wichtig sind und kein Bereich bevorzugt werden sollte.⁷³ Exemplarisch soll das Drei-Säulen-Modell vorgestellt werden. Die Darstellung 13 zeigt beide Modelle mit dem jeweiligen Aufbau der Dimen­sionen.

Das Drei-Säulen-Modell

Die drei Säulen der Nachhaltigkeit sind in den 1990er Jahre entstanden. Erst­mals wurden sie 2002 beim Weltgipfel von Johannesburg als Maßstab für Nachhaltigkeit in internationalen Verträgen verwendet und auch vom Bundes­tag aufgegriffen. Das Modell basiert auf den Gedanken, dass alle Säulen gleichgewichtet sind und eine nachhaltige Entwicklung nur zu erreichen ist, wenn umweltbezogene, wirtschaftliche und soziale Ziele gleichzeitig und gleichberechtigt umgesetzt werden. Auf diese Weise kann die Leistungsfähig­keit einer Gesellschaft sichergestellt und verbessert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 13: Dreieck der Nachhaltigkeit (links), Drei-Säulen Modell (rechts)74

Die rechts in der Darstellung 13 aufgezeigte ökologische Nachhaltigkeit fordert dazu auf, die Umwelt einschließlich der natürlichen Ressourcen zu schonen. Alle Unternehmen und Staaten müssen sich für einen bewussten Umgang mit Wasser, Energie und endlichen Rohstoffen einsetzen. Es dürfen außerdem nur so viele nichtnachwachsende Rohstoffe der Erde entnommen werden, wie durch erneuerbare Rohstoffe ersetzt werden können. Die Säule steht aber auch für einen bewussten Umgang mit der menschlichen Gesundheit. Die Säule der sozialen Nachhaltigkeit hingegen stellt den Menschen in den Mittel­punkt. Sie symbolisiert, dass die Würde des Menschen und die freie Entfaltung der Persönlichkeit keinem Menschen abgesprochen werden dürfen. Außer­dem fordert diese Säule eine faire Bezahlung, die Umsetzung von Arbeitneh­merinteressen sowie die Möglichkeit zur Aus- und Fortbildung und freien be­ruflichen Entfaltung. Die dritte und letzte Säule, die Säule der Ökonomie, be­inhaltet ein gutes Wirtschaften. Unternehmen sollten genug Gewinne erzielen, um diese beispielsweise in moderne Maschinen, neue Mitarbeiter und Fortbil­dungen investieren zu können. Zu der ökonomischen Nachhaltigkeit zählt ebenso der faire Handel.⁷⁴

Kritikpunkt: Sowohl das Drei-Säulen-Modell als auch das Nachhaltigkeitsdrei­eck gehen, wie bereits erwähnt, davon aus, dass alle drei Dimensionen (Öko­logie, Soziales und Ökonomie) gleichberechtigt sind. Genau das werfen Kriti­ker den Konzepten jedoch vor. Durch die Gleichberechtigung der drei Dimen­sionen wird der Eindruck erweckt, dass etwas weniger Nachhaltigkeit in dem einen Bereich durch ein wenig mehr Nachhaltigkeit in dem anderen Bereich ausgeglichen werden könnte.

Das gewichtete Säulenmodell

Das gewichtete Säulenmodell, auch Vorrangmodell genannt, welches man der Darstellung 14 links entnehmen kann, ist eine Weiterentwicklung bzw. Ab­wandlung des klassischen Nachhaltigkeitsdreiecks bzw. Drei-Säulen-Modells. Es orientiert sich ebenfalls an den drei Dimensionen Ökologie, Soziales und Ökonomie, allerdings werden die drei Aspekte nicht gleich behandelt, sondern gezielt gewichtet bzw. sortiert. Demnach steht die Ökologie immer an erster Stelle. Danach folgt die soziale Dimension und anschließend die Ökonomie. Begründet wird diese Vorgehensweise damit, dass der Mensch nur in einer gesunden Umwelt (ökologische Dimension) geeignete Lebensbedingungen vorfindet, in der er gesellschaftliche Strukturen (soziale Dimension) etablieren kann, aus denen heraus durch wirtschaftliches Handeln (ökonomische Dimen­sion) Wohlstand entstehen kann.

Neben den bereits genannten Konzepten gibt es noch weitere Modelle bzw. Modellvarianten, die es sich zur Aufgabe gemacht haben, das Prinzip der Nachhaltigkeit zu veranschaulichen. Das Viereck der Nachhaltigkeit sowie die Zauberscheiben der Nachhaltigkeit sollen nachfolgend lediglich kurz beschrie­ben werden.

Das Viereck der Nachhaltigkeit

Das Modell bezieht neben den drei bekannten Dimensionen Ökologie, Sozia­les und Ökonomie auch noch eine vierte Dimension hinzu. Je nach Modell und Quelle ist dies entweder die politische oder die kulturelle Dimension. Mit die­sem zusätzlichen Aspekt fällt das Viereck der Nachhaltigkeit etwas detaillierter aus als das der Nachhaltigkeit, bei dem sowohl die politischen als auch kultu­rellen Aspekte in den Bereich Soziales eingeordnet werden.

Zauberscheiben der Nachhaltigkeit

Auch das Modell der Zauberscheiben der Nachhaltigkeit, welches man der Darstellung 14 rechts entnehmen kann, orientiert sich grundsätzlich an den drei bekannten Dimensionen, allerdings mit den Bezeichnungen der Umwelt, Gesellschaft/Soziales und Wirtschaft. Das Modell unterscheidet sich dahinge­hend, dass die einzelnen Dimensionen jeweils durch einige Unterkategorien bzw. Schlüsselwörter näher definiert werden. Der Aspekt Umwelt wird bei­spielsweise durch folgende Unterthemen ergänzt: Luft, Energie, Biodiversität, Abfall, Ressourcen, Umweltschutz. 76

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 14: Gewichtetes Dreiecksmodell (links)77, Zauberscheiben der Nachhaltigkeit (rechts)78

3.2.3 Strategien

Seit 2016 orientiert sich die Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie an globalen Nachhaltigkeitszielen der Agenda 2030 der Vereinten Nationen, die erstmals 2002 beschlossen wurden und in regelmäßigen Abständen aktualisiert wer­den. In diesem Jahr hat das Bundeskabinett die Weiterentwicklung der Nach­haltigkeitsziele am 10. März 2021 beschlossen. Vom Kampf gegen Hunger und Armut über bezahlbare und saubere Energie bis hin zum Klimaschutz, 17 globale Ziele für eine nachhaltige Entwicklung, die in der Darstellung 38 im Anhang 5 (Die 17 globalen Ziele für eine nachhaltige Entwicklung) aufgeführt sind, haben die 193 Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen definiert, um bis 2030 wichtige Bereiche des menschlichen Zusammenlebens auf einen guten Weg zu lenken.^{75 76 77} „Um die Ziele der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie und der Agenda 2030 zu erreichen, müssen wir den Weg einer wirklich anspruchs­vollen Transformation gehen, der wichtige Bereiche wie Energie, Klimaschutz, Kreislaufwirtschaft, Wohnen, Verkehr, Ernährung und Landwirtschaft um- fasst“⁷⁸, betont Bundeskanzlerin Merkel im Vorwort der neuen Strategie. Die Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie soll nachfolgend kurz erklärt werden.

[...]

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¹ Vgl. (Bernert, 2018)

² Vgl. (Herstatt, Kalogerakis, & Schulthess, 2014, S. 150)

³ (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. XII)

⁴ (Nachtigall & Pohl, Bau-Bionik Natur - Analogien - Technik, 2012, S. 4-5)

⁵ Vgl. (Herstatt, Kalogerakis, & Schulthess, 2014, S. 150)

⁶ Vgl. (Nachtigall & Pohl, 2012, S. VII)

⁷ Vgl. (Schulthess, 2012, S. 11)

⁸ Vgl. (Nachtigall & Wisser, Bionik in Beispielen, 2013, S. o. S. )

⁹ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 19)

¹⁰ Vgl. (Lindinger, 2009)

¹¹ (Lentink, 2009)

¹² (Lentink, 2009)

¹³ (Wawers, 2020, S. 32)

¹⁴ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 19)

¹⁵ Vgl. (Rüter, Projektmappe Biologie - Bionik, 2009, S. 58)

¹⁶ Vgl. (Hill, 2019, S. 40-42)

¹⁷ Vgl. (Hoffmann, 2018)

¹⁸ (Blümel, 2018)

¹⁹ (Hoffmann, 2018)

²⁰ Vgl. (de Bruyn, Ludwig, & Schwertfeger, 2009, S. 91)

²¹ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 20)

²² Vgl. (Rüter, Projektmappe Biologie - Bionik, 2009, S. 52)

²³ (Trinkl, 2015)

²⁴ (Boos, o. J. )

²⁵ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 20-21)

²⁶ (Hill, 2019, S. 57)

²⁷ (Hill, 2019, S. 57)

²⁸ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 22)

²⁹ Vgl. (Rüter, Projektmappe Biologie - Bionik, 2009, S. 27)

³⁰ Vgl. (Dohr, 2010)

³¹ (Leitl, o. J.)

³² Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 21)

³³ Vgl. (Rüter, Bionik: Wissen leicht gemacht, 2007, S. 80)

³⁴ (Lüttge, 2017, S. 286)

³⁵ (Young, o. J.)

³⁶ Vgl. (Nachtigall & Wisser, Bionik in Beispielen, 2013, S. 98)

³⁷ Vgl. (Nachtigall & Wisser, Bionik in Beispielen, 2013, S. 38)

³⁸ Vgl. (Perschall, 2010, S. 4)

³⁹ (Muschner, 2018)

⁴⁰ (Laurien & Oertel, 2013, S. 277)

⁴¹ Vgl. (Rüter, Bionik: Wissen leicht gemacht, 2007, S. 92)

⁴² Vgl. (Hill, 2019, S. 17)

⁴³ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 23)

⁴⁴ Vgl. (Haug, 2017, S. 1)

⁴⁵ (Deutscher Verlag für Gesundheitsinformation, 2017)

⁴⁶ (HiSoUR, o. J.)

⁴⁷ Vgl. (Rüter, Projektmappe Biologie - Bionik, 2009, S. 43)

⁴⁸ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 24)

⁴⁹ (Füßler, 2020)

⁵⁰ (Fischer, o. J. )

⁵¹ Vgl. (Hill, 2019, S. 18)

⁵² Vgl. (Rüter, 2015)

⁵³ (Albat, 2019)

⁵⁴ (Rohrer, 2010)

⁵⁵ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 25)

⁵⁶ Vgl. (Hill, 2019, S. 18)

⁵⁷ (Soll, 2014)

⁵⁸ (Hanow, 2021)

⁵⁹ Vgl. (Nachtigall, Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 1998, S. 25)

⁶⁰ Vgl. (Hill, 2019, S. 90-93)

⁶¹ Vgl. (Nachtigall & Wisser, Bionik in Beispielen, 2013, S. 222)

⁶² (Pelli, 2019)

⁶³ (Hill, 2019, S. 94)

⁶⁴ Vgl. (Wawers, 2020, S. 30-33)

⁶⁵ Vgl. (Wawers, 2020, S. 35-37)

⁶⁶ Vgl. (Wawers, 2020, S. 309)

⁶⁷ (Takeuchi, Hamlin, Kundzewicz, Rosbjerg, & Simonovic, 1998, S. 32)

⁶⁸ Vgl. (Hardtke & Prehn, 2001, S. 9-11)

⁶⁹ Vgl. (Baldin, 2015)

⁷⁰ Vgl. (Kreutle, o. J., S. 9)

⁷¹ Vgl. (Schilling, 2016)

⁷² Vgl. (Kreutle, o. J., S. 9-14)

⁷³ Vgl. (Perez-Diehl, 2021)

⁷⁴ Vgl. (Schulz, 2020)

⁷⁵ (Perez-Diehl, 2021)

⁷⁶ Vgl. (Diefenbacher, 1997, S. 72)

⁷⁷ Vgl. (Kaiser, 2021)

⁷⁸ (Kaiser, 2021)