Biologische Vorbilder in Bau- und Verfahrenstechnik


Facharbeit (Schule), 2013

29 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge
1.1 Definition und Teilgebiete
1.2 Geschichte der Bionik
1.3 Vorgehensweise der Bioniker

2 Biologische Vorbilder
2.1 Leichtbau
2.1.1 Paradiesvogelblume
2.1.2 Honigwaben
2.2 Solare Energieproduktion
2.2.1 Fotosynthese der Pflanze
2.2.2 Solare Wasserstoffproduktion
2.2.3 Lichtabsorptionsfähigkeit von Blättern
2.3 Geometrieoptimierung – Phyllotaxis der Pflanzen

3 Förderung der Bionik in Deutschland

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

1.1 Definition und Teilgebiete

Der Begriff „Bionik“ stammt aus einem Seminar mit dem Thema „Living Prototypes – the Key to New Technology“, das im September 1960 in Ohio stattgefunden hat. Dort ist zum ersten Mal der Begriff „bionics“ verwendet worden. Es sind im Wortlaut verschiedene, inhaltlich dennoch gleiche Definitionen verschiedener Biologen und Zoologen verbreitet.[1]Die gängigste und vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) anerkannte Definition formulierte Neumann 1993. Sie lautet: „Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme.“[2]Nachtigall hat diese 2002 wie folgt ergänzt: „Dazu gehören auch Aspekte des Zusammenwirkens belebter und unbelebter Teile und Systeme sowie die wirtschaftlich-technische Anwendung von Organisationskriterien. Bionik betreiben bedeutet Lernen von den Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien der Natur für eine positive Vernetzung von Mensch, Umwelt und Technik.“[3]Als wichtigste Teilbereiche des umfassenden Begriffs der „Bionik“ dürfen die Konstruktions- und Strukturbionik, Material- und Werkstoffbionik, Baubionik, Verfahrensbionik, Klima- und Energiebionik, Bewegungsbionik, Sensorbionik, Informations- und Neurobionik, Anthropobionik, Organisationsbionik und Evolutionsbionik genannt werden.[4]

1.2 Geschichte der Bionik

Im 15. Jahrhundert begann Leonardo da Vinci (1452 - 1519) mit den ersten bionischen Ansätzen: Er studierte den Vogelflug, um dessen Prinzip in der Konstruktion von Fluggeräten, Hubschraubern und Fallschirmen anzuwenden. Eine ernsthafte Produktion von Flugapparaten nach da Vincis Überlegungen konnte aufgrund des Forschungsstandes der damaligen Zeit nicht realisiert werden. Seine Erkenntnisse hielt er allerdings in seinem Werk „Sul vol degli uccelli“ für die Nachwelt fest.

Hezarfen Ahmed Celebi (1607 - 1649) nutzte die Überlieferungen Leonardo da Vincis, führte sie fort und konnte somit 1647 ein Fluggerät kreieren, mit dem es ihm gelang, den Bosporus vom Galata Turm in Istanbul aus, nach Uskadar zu überqueren (s. Abb. 1).

Als sich England und Spanien im 17. Jahrhundert um die Herrschaft über die Weltmeere stritten, half Matthew Baker (1619 - 1698)[5]seinem Land mit dem Bau eines nach ihm benannten Schiffsrumpfes. Die Baker-Galeone, orientiert an der Körperform von Dorschkopf und Makrelenschwanz, war ungewöhnlich manövrierfähig und reduzierte den durch das Wasser gegebenen Widerstand.

Ein weiterer wichtiger Vertreter der historischen Bionik war Sir Georg Cayley (1773 - 1857). Er erkannte als Erster, dass die Frucht des Wiesenbocksbarts wegen seines weit unten liegenden Schwerpunktes und seiner nicht ebenen, sondern außen hochgezogenen tragenden Fläche autostabil fällt. Diese Aufteilung übernahm er beim Bau seines Fallschirms.

Um seine Viehherde zusammenzuhalten, entwickelte Michael Kelly (Lebensdaten nicht bekannt) 1868 nach dem Vorbild des Osagedorn (Maclura pomifera), einem mit Dornen versehenen Strauch, den sogenannten „stacheligen Draht“. Da dessen Herstellung allerdings zu teuer für den alltäglichen Gebrauch war, veränderten zwei Männer namens Glidden und Haish Kellys Produkt hin zu einer billigeren Variante und werden daher heute als die Erfinder des Stacheldrahtes bezeichnet. Otto Lilienthal (1848 - 1896)[6], der sich dem Storchflug widmete und somit wiederholt erfolgreiche Flugversuche durchführen konnte, zählt heute wahrscheinlich aufgrund seines Todes bei einem seiner Flüge zu den bekanntesten Bionikern der Vergangenheit.

Das erste bionische Patent in Deutschland meldete Raoul Francé (1874 - 1943)[7]an: den „Neuen Streuer“. Die Aufgabe Francés war es, Kleinstlebewesen gleichmäßig auf einer landwirtschaftlich genutzten Fläche zu verteilen, was ihm mit Hilfe der Natur gelang. Der „Neue Streuer“ ist an der Mohnkapsel orientiert, die durch die besondere Lochanordnung die Fähigkeit besitzt ihre Samen gleichmäßig unter dem Einfluss von Wind zu verbreiten.

Während der Name des Erfinders Georges de Mestral (1907 - 1990)[8]den wenigsten etwas sagt, zählt sein Produkt - der Klettverschluss - zu den bekanntesten bionischen Beispielen. Der Klettverschluss beruht auf dem Prinzip der Klettfrucht. Dieses nachgebaut, gab de Mestral ihm den Namen „VELCRO“.[9]

1.3 Vorgehensweise der Bioniker

Bioniker können auf zwei verschiedene Weisen ihrer Wissenschaft nachgehen. Bei einer Vorgehensweise, dem Top-Down-Prozess, suchen sie bewusst nach Lösungen bzw. Analogien in der Biologie, deshalb auch Analogie-Bionik genannt. Dabei geht man, wie der Name schon sagt, von „oben“ nach „unten“ vor: Zunächst wird das Problem definiert, anschließend sucht man nach Analogien in der Natur, die dann genau analysiert werden. Schließlich wird mithilfe der erworbenen Erkenntnisse nach Lösungen gesucht. Otto Lilienthals Flugapparate sind auf diese Weise entstanden.

Der zweiten Vorgehensweise hat man den Namen „Bottom-Up-Prozess“ gegeben. Weil hier das Prinzip des biologischen Vorbilds abstrahiert wird, kann dieses wissenschaftliche Vorgehen auch als Abstraktions-Bionik bezeichnet werden. Entgegen der Analogie-Bionik versuchen die Forscher, nachdem die biologische Grundlage ausreichend erforscht worden ist, das zu Grunde liegende Prinzip zu erkennen und zu beschreiben, um es im Anschluss von dem Vorbild loszulösen. Danach wird nach möglichen technischen Anwendungen gesucht, an deren Umsetzung man sich schließlich macht. So ist beispielweise der „Effekt“ der Lotusblüte auf Dachziegeln übertragen worden.[10]

2 Biologische Vorbilder

2.1 Leichtbau

2.1.1 Paradiesvogelblume

Die Paradiesvogelblume, auch Strelitzia reginae genannt, ist eine ganzjährig blühende Pflanze aus Südafrika, die heute in Ländern, in denen ein frostfreies, ausreichend feuchtes Klima herrscht, kultiviert wird.[11]

Die Besonderheit der Paradiesvogelblume besteht in ihrer Bestäubung. Denn auch nach mehreren Bestäubungsvorgängen ist kein Verschleiß der Blütenteile erkennbar bzw. werden die Materialeigenschaften nicht beeinträchtigt. Dieses Phänomen ist auf die Art der Deformation, das sog. Biegedrillknicken, zurückzuführen. Vögel lassen sich auf den zwei verwachsenen, blauen Blütenblättern, die als Sitzstange fungieren, nieder. Im Querschnitt sind diese Blätter monosymmetrisch aufgebaut. Beidseitig bestehen sie aus drei verstärkten Leisten, die durch ein dünnes Blütenblattgewebe verbunden sind. Die beiden untersten Leisten sind auf zellulärer Ebene verzahnt, während im oberen Bereich das Gebilde von einer aussitzenden, flächigen Lamina abgeschlossen wird. Die vertikal wirkende Kraft (Gewichtskraft des Vogels) verformt Leisten und Lamina. Dabei klappt das symmetrische System auf, der klebrige Pollen gelangt aus dem Inneren und haftet am Bestäuber. Nach dem Weiterflug des Vogels schließt sich der Komplex wieder, wodurch die Sitzstange in ihren Ausgangszustand zurückkehrt (s. Abb. 2 u. 3).[12]

Diese elastische Verformung ist eine für das Bauingenieurwesen interessante Entdeckung, da technische Konstruktionen mit Hilfe von Gelenken und Scharnieren verschleißanfällig und wartungsintensiv sind.

Ein Projekt, bei dem man sich diese Erkenntnisse zu nutzen gemacht hat, trägt den Namen flectofin. flectofin ist eine Konstruktion, bestehend aus einer Lamelle und einem steifen Rückgrat. Sie soll eine bessere Alternative zu den herkömmlichen Jalousien darstellen. Für das Material der Lamelle wurde eine Kombination aus Harz und glasfaserverstärktem Kunststoff gewählt, der als flexibel, stabil, witterungsbeständig und günstig gilt. Um den bei der Anwendung entstehenden Spannungen stand zu halten und das Einreißen beim Auftreffen von einem elastischen (Lamelle) auf ein steifes Element (Rückgrat) zu verhindern, haben sich Forscher an dem Übergang von Mittelader zu Blattspreite des Eukalyptusblattes orientiert und somit die Anordnung der Glasfasern angepasst.

Je nachdem, wie stark man das Rückgrat biegt, geben die dünnen Lamellen der Spannung nach und können bis zu 90° zur Seite umklappen (Abb. 4).[13]

Der Biegevorgang kann manuell, motorisch oder auch durch die Temperaturausdehnung durch geeignete Wahl des Materials des Rückgrats herbeigeführt werden. Bei letzterem wird die Krümmung direkt im Rückgrat initiiert und nicht durch externe Einflüsse veranlasst. Aufgrund dieser temperaturabhängigen Steuerung und der Tatsache, dass sich flectofin an komplex geformten Fassaden ohne Probleme anbringen lässt, sehen die Forscher den Einsatzbereich ihres Projekts vor allem in heißen Ländern, in denen Bauwerke mit ungewöhnlicher Bauform stehen bzw. gebaut werden sollen (s. Abb. 5).[14]

2.1.2 Honigwaben

Die Bienenwabe ist ein Wabengebilde aus Bienenwachs, das von der Honigbiene errichtet wird. In ihr leben die Bienen und brüten ihre Eier aus, aber auch der Honig wird in ihr produziert und gelagert. Außerdem kommunizieren die Bienen über die vibrierenden Zellwände untereinander. Die Deckenzellen der Bienenwabe sind fünfeckig, nach unten folgen die typischen sechseckigen Zellen, deren Abstand von Wabenmitte zu Wabenmitte circa 35 mm beträgt. Der Zellinnenraum hat etwa eine Größe von 1 cm. Seit Francois Huber weiß man, dass die Biene nicht die Fähigkeit besitzt, die Waben direkt sechseckig zu bauen. Viel mehr nutzt sie ihren eigenen Körper als Schablone, demnach ist die Wabe zunächst rund. Durch Erwärmen des Wachses auf 40° C erhält die Bienenwabe aufgrund der Sprungtemperatur des Wachses ihre sechseckige Form.[15]

Die Bienenwabe ist aus zwei Schichten aufgebaut, die so gegeneinander versetzt sind, dass sich die Zellen der 1. Schicht jeweils mit drei Zellen der 2. Schicht ein Stück Zellboden in Form einer Raute teilen (s. Abb. 6). Diese besondere Geometrie der Waben ist äußerst ökonomisch, da sie mit dem geringstem Flächenaufwand ein größtmögliches Fassungsvermögen und ein Maximum an umbauten Raum aufweist und zudem noch höchst stabil ist.

Das Maximum an umbauten Raum ließe sich auch mit einem gleichseitigen Dreieck oder einem Quadrat erreichen, da man auch diese Körper lückenlos aneinander setzen kann. Allerdings sieht man an folgendem Rechenbeispiel, dass sich dabei der Flächenaufwand und somit der Wachsverbrauch für die Zellwände vergrößert:[16]

„Bei einer Querschnittsfläche einer Zelle der Größe F ergibt sich der Umfang eines Dreiecks zu [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten][Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], der eines Quadrats zu und der eines regelmäßigen Sechsecks zu [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].“[17]

Im Leichtbau hat man sich dieses ökonomische Naturbeispiel zum Nutzen gemacht:

Das honeycomb sandwich ist eine dreischichtige Konstruktion, bestehend aus einem Stützkern (s. Abb. 7, C), der von zwei Deckschichten (s. Abb. 7, B) umschlossen wird.

Nach dem Prinzip des Doppel-T-Trägers für das Flächentragwerk sind die Deckschichten für einen großen Flächenträgheitsmoment verantwortlich und geben somit dem Werkstück eine hohe Biegesteifigkeit. Die Erzeugung der Schubsteifigkeit dagegen ist Aufgabe des Kerns, genauso wie er die Deckschichten gegen Beulen und Knittern stützen muss. Er besteht - je nach Anwendungsbereich - aus unterschiedlichen Materialen, dabei wird zwischen Papier bzw. Pappe, Kunststoff und Faserverbundstoffe oder Aluminium ausgewählt. Die Papierwaben finden beispielweise bei Trennwänden, im Möbelbau, im Kulissen- und Bühnenbau oder auch in Bodensystemen oder Decken-/ Wandverkleidungen ihre Anwendung. Die Anwendung der anderen Materialen erfolgt meist bei Produkten, bei denen, aufgrund des Aspekts des Kraftstoffverbauchs, die Leichtigkeit von großer Bedeutung ist. So zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Bootsbau.[18]

2.2 Solare Energieproduktion

2.2.1 Fotosynthese der Pflanze

Die Fotosynthese, die von Pflanzen, Algen und einigen Bakteriengruppen betrieben wird, ist ein biochemischer Vorgang, der Lichtenergie in chemische Energie umwandelt, und deshalb so interessant, weil er energiearme Stoffe zu energiereichen Stoffen verarbeitet.[19]Aus diesem Grund ist die Fotosynthese der entscheidende biochemische Grundprozess der meisten Ökosysteme und ermöglicht auch durch ihre Freisetzung von Sauerstoff die Energiegewinnung in der aeroben Atmung.[20]

[...]


[1]Vgl. http://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab108.pdf , 05.10.13.

[2]http://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab108.pdf , 05.10.13.

[3]http://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab108.pdf , 05.10.13.

[4]Vgl. http://www.bionikzentrum.de/img_upload/bionik_bundestag.pdf, 05.10.13.

[5]Vgl. http://en.wikipedia.org/wiki/Matthew_Barker, 12.10.13.

[6]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Lilienthal, 12.10.13.

[7]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Raoul_Heinrich_Francé, 12.10.13.

[8]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Georges_de_Mestral, 12.10.13.

[9]Vgl. http://www.bionikzentrum.de/default.asp?navA=bionik&navB=geschichte&navID=3&editable=1, 05.10.13.

[10]Vgl. http://www.buerklin.net/bionik.htm, 05.10.13.

[11]Vgl. http://www.blumenlexikon.de/strelitzie.htm, 13.10.13.

[12]Vgl. http://www.simonschleicher.com/Flectofin_Bremen.pdf, 13.10.13.

[13]Vgl. http://www.zukunftbau.ch/fileadmin/ablage/Bauinnovationen/ PDF_Artikel_Bauinnovationen/architektur_technik_Bionik_Storen.pdf, 13.10.13.

[14]Vgl. http://www.youtube.com/watch?v=XyLR_-fW0aA, 13.10.13.

[15]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Bienenwabe, 26.10.13.

[16]Vgl. http://www2.hs-fulda.de/~grams/Problemloesen/Bienenwabe.pdf, 21.10.13.

[17]http://www2.hs-fulda.de/~grams/Problemloesen/Bienenwabe.pdf, 21.10.13.

[18]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Sandwichplatte_mit_Wabenkern, 21.10.13.

[19]Vgl. http://www.nationalgeographic.de/aktuelles/kuenstliches-blatt-erzeugt-strom, 21.10.13.

[20]Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Fotosynthese, 26.10.13.

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Details

Titel
Biologische Vorbilder in Bau- und Verfahrenstechnik
Autor
Jahr
2013
Seiten
29
Katalognummer
V266189
ISBN (eBook)
9783656563839
ISBN (Buch)
9783656563815
Dateigröße
2405 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
biologische, vorbilder, bau-, verfahrenstechnik
Arbeit zitieren
Nathalie Gottwald (Autor), 2013, Biologische Vorbilder in Bau- und Verfahrenstechnik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/266189

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