Natürliche Stabilität

Elektronenmikroskopaufnahme von Kieselalgen.

Bionik

Natürliche Stabilität

Von Sebastian Rams

Das Streben nach Vollkommenheit ist ein Naturprinzip. Triebfeder des Prozesses ist die Evolution. Alle Organismen versuchen sich so perfekt wie möglich an ihren Lebensraum anzupassen, um überleben zu können. Energie und Material sind dabei kostbare Güter. Tiere und Pflanzen haben deshalb Eigenschaften und Fähigkeiten entwickelt, schonend und sparsam mit Ressourcen umzugehen.

Kieselalgen – Vorbild für Ingenieure und Architekten

Der Lebensraum der Kieselalgen ist das Wasser. Die winzigen, mikroskopisch kleinen Organismen – sie sind gerade einmal ein zwanzigstel Millimeter groß – mussten sich an hohen Druck in größeren Tiefen anpassen und ein widerstandsfähiges Skelett entwickeln. Es durfte aber nicht zu schwer sein, um die Schwebefähigkeit der Algen zu gefährden. Und das Skelett sollte auch noch gegen Fressfeinde schützen.

Die Kieselalgen lösten das Problem durch eine äußerst stabile Leichtbauweise bei minimalem Materialaufwand. Sie stellen ihr Skelett, das gleichzeitig auch Schutzpanzer ist, aus Siliziumoxid her. Material und Gewicht sparen Kieselalgen durch vielfältige Verstrebungen und Rippen im Körpergerüst ein. Der Panzer ist von vielen Waben und Poren durchzogen.

Algen

Der Panzer der Kieselalge hält extreme Belastungen aus

Bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz kann der Panzer extrem hohen Belastungen widerstehen. Zum Beispiel den brachialen Kauwerkzeugen ihrer Feinde, den vergleichsweise großen Ruderfußkrebsen.

Bei mikromechanischen Crashtests hielten die Schalen Belastungen von 700 Tonnen pro Quadratmeter stand. Verstrebungen und Rippen verteilen die angreifenden Kräfte gleichmäßig über den Körper, um ein Auseinanderbrechen der Hülle zu verhindern.

Diese Eigenschaften interessieren Bioniker wie Dr. Christian Hamm und Ulf Lüdemann vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. Sie haben die Kieselalgen zum Vorbild genommen, um stabilere Autofelgen zu entwickeln.

Ihre Prototypen haben die ersten Tests auf der Straße bereits bestanden. Die Autofelgen nach dem Algenvorbild zeichnen sich durch eine gute Straßenlage bei erhöhter Stabilität aus. Zudem sind sie deutlich leichter als herkömmliche Felgen. Auch für Architekten könnte die stabile Leichtbauweise in Zukunft interessant sein.

Spinnen – Beutefang mit reißfesten Netzen

Auch die besonderen Fähigkeiten von Spinnen könnten Pate für technische Innovationen stehen. Fast alle Spinnen fangen ihre Beute in extrem stabilen, reißfesten Netzen.

Das Geheimnis der Elastizität von Spinnennetzen liegt im molekularen Aufbau der Spinnenseide. Sie besteht aus langen Eiweißketten, die die Spinnen zu festen Fäden verarbeiten. Die Eiweißmoleküle sind in einem unterschiedlich hohen Grad miteinander vernetzt.

Spinnennetz mit Tautropfen.

Spinnenseide ist enorm belastbar

Auf diese Weise wechseln sich in der räumlichen Anordnung der Seidenproteine äußerst stabile mit höchst flexiblen Bereichen ab und je nach Anforderungsprofil kann die Spinne die Zusammensetzung und folglich die Eigenschaften der Spinnenfäden sogar variieren. Durch die spezielle molekulare Anordnung wird das Material sehr dehnbar, extrem belastbar und enorm zugfest – nur so kann das Spinnennetz die Wucht abfangen, mit der zum Beispiel Insekten aus vollem Flug aufprallen.

Da synthetische Fasern, wie zum Beispiel Kevlar, nicht an die Leistungen der natürlichen Spinnenseide heranreichen, versuchen Forscher diese mit molekularbiologischen Hilfsmitteln nachzubauen. Potenzielle Einsatzgebiete gibt es genügend. Zum Beispiel in reißfesten Textilien, in Arbeitsschutzkleidung oder im Automobilbau.

Weiterführende Infos

Stand: 17.08.2016, 13:10

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