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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

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Die bionische Leichtbau-Kabinentrennwand wurde nach dem Vorbild der Natur 3D-gedruckt.
Bild: Airbus

Aktuelles // 06. Dezember 2016

Airbus A320-Kabinenstruktur nach dem Vorbild der Natur: Bionische Leichtbau-Trennwand mit dem Ecodesign-Preis ausgezeichnet

Für das Konzept einer bionischen Kabinentrennwand hat BIOKON-Mitglied Airbus den Bundespreis Ecodesign in der Kategorie Konzept erhalten. Bundesumweltministerin Barbara Hendricks zeichnete Peter Sander und Bastian Schäfer aus dem Team für Zukunftstechnologien (Emerging Technologies & Concepts) aus.

Die bionische Trennwand nach dem Vorbild aus der Natur von Airbus ist 45 % leichter als herkömmliche Trennwände für Flugzeuge. Durch die Gewichtsreduktion wird Kraftstoff eingespart und die CO2-Emission pro Flugzeug jährlich um 10 Tonnen verringert.

 

Das Design basiert auf generativen Gestaltungs- und Fertigungsverfahren sowie auf der Entwicklung eines eigenen, leichten Legierungsmaterials. Dank der additiven Produktion im so genannten 3D-Druck und des modularen Aufbaus lassen sich die Trennwände auch in bestehende Flugzeugkabinen einbauen. Einzelne Komponenten können bei Bedarf einfach ersetzt werden. Das verwendete Material ist komplett rezyklierfähig.

 

"Airbus zeigt mit der bionischen Trennwand in beispielhafter Weise auf, welche Möglichkeiten generative Fertigung bietet. Im Flugverkehr bedeutet die erreichte Gewichtsreduktion um 45 Prozent eine enorme Kraftstoffersparnis. Die astähnlichen Strukturen bieten einen Ausblick auf das formalästhetische Potential der topologischen Optimierung", so Prof. Matthias Held, Mitglied der Jury des Bundespreises Ecodesign.

"Bionisches Design und additive Fertigungsverfahren spielen eine Schlüsselrolle bei der Flugzeugentwicklung und -fertigung der Zukunft, wo sich fast alles um Gewichtsreduktion dreht", gratulierte Dr. Klaus Richter, Vorsitzender der Geschäftsführung Airbus in Deutschland dem Entwicklungsteam der Airbus Operations GmbH.

 

Die bionische Trennwand hat Airbus gemeinsam mit dem US-Softwarehersteller Autodesk entwickelt. Seit mehreren Jahren arbeitet Airbus bereits daran, additive Fertigungsverfahren und 3D-Druck für die Flugzeugfertigung nutzbar zu machen. Weitere Beispiele hierfür sind neben der Kabinentrennwand auch Kabinenhalter, Bremsklappen oder Rohrleitungen.

Schmetterlingsflügel_inspiriert_Photovoltaik
Nanostrukturen auf dem Flügel von Pachliopta aristolochiae lassen sich auf Solarzellen übertragen und steigern deren Absorptionsraten um bis zu 200 Prozent.
Grafik: Radwanul H. Siddique, KIT/CalTech.

Forschung // 08. Juni 2018

Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.1700232).

 

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht besonders gut absorbiert. Noch spannender als sein Aussehen sind für uns die Mechanismen, mit denen er die hohe Absorption erreicht. Das Optimierungspotenzial, das eine Übertragung dieser Strukturen für die Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten“, sagt Dr. Hendrik Hölscher vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) am KIT.

 

Die Wissenschaftler um Hendrik Hölscher und Radwanul H. Siddique (ehemals KIT, jetzt CalTech) bildeten die beim Schmetterling identifizierten Nanostrukturen auf der Siliziumschicht einer Dünnfilm-Solarzelle nach. Die anschließende Analyse der Licht-Absorption lieferte vielversprechende Ergebnisse: Im Vergleich zu einer flachen Oberfläche steigt die Absorptionsrate bei senkrechtem Lichteinfall um 97 Prozent und steigert sich stetig, bis sie bei einem Einfallswinkel von 50 Grad sogar 207 Prozent erreicht. „Dies ist vor allem für europäische Lichtverhältnisse interessant, da hier häufig diffuses Licht herrscht und das Licht nur selten senkrecht auf die Solarzellen fällt“, sagt Hendrik Hölscher.

 

Das bedeute allerdings nicht automatisch eine Effizienzsteigerung der gesamten PV-Anlage in gleicher Höhe, so Guillaume Gomard vom IMT. „Auch andere Komponenten spielen eine Rolle. Die 200 Prozent sind daher eher als theoretische Obergrenze für die Effizienzsteigerung zu sehen.“

 

Vor dem Übertragen der Nanostrukturen auf die Solarzellen ermittelten die Forscher Durchmesser und Anordnung der Nanolöcher auf dem Flügel des Schmetterlings mittels Mikrospektroskopie. Anschließend analysierten sie in einer Computersimulation die Stärke der Licht-Absorption bei unterschiedlichen Lochmustern: Dabei zeigte sich, dass unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern, so wie sie beim Schmetterling zu finden sind, die stabilsten Absorptionsraten über das gesamte Spektrum und verschiedene Einfallswinkel erzielten. Dementsprechend haben sie die Löcher auf der Solarzelle zufällig und mit unterschiedlichen Durchmessern von 133 bis 343 Nanometern angeordnet.

 

Die Wissenschaftler konnten mit ihrer Forschung zeigen, dass durch die Wegnahme von Material die Lichtausbeute erheblich gesteigert werden kann. Im Projekt arbeiteten sie mit amorphem Silizium, allerdings, so die Forscher, ließe sich jede Art von Dünnfilm-Photovoltaik-Modulen mit solchen Nanostrukturen verbessern, sogar in industriellem Maßstab.

 

Hintergrundinformation:

Dünnfilm-Photovoltaik-Module stellen eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen dar, da die lichtabsorbierende Schicht bis zu 1000-mal flacher ist und damit der Rohstoffbedarf deutlich kleiner ausfällt. Allerdings liegen die Absorptionsraten der dünnen Schichten unter denen kristalliner Zellen. Deshalb werden sie vor allem dort eingesetzt, wo nur wenig Strom benötigt wird, etwa in Taschenrechnern oder Armbanduhren. Eine Steigerung der Absorption macht Dünnfilm-Zellen auch für größere Anwendungen wie Photovoltaik-Anlagen auf Dächern wirtschaftlich attraktiv.

 

Quelle: Presseinformation KIT

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Die Paradiesvogelblume (Strelitzia reginae) - wunderschön und Ideengeberin für den Flectofin®-Klappmechanismus ohne verschleißanfällige Gelenke und Scharniere.
Bild: Thinkstock Photos.

Aktuelles // 31. Januar 2018

Immer besser

Nobody is perfect. Oder doch? Seit 3,8 Milliarden Jahren optimiert sich die Natur selbst. Und das überaus erfolgreich. Die Evolution „produziert“ nur Sieger, die sich einen Tick besser als ihre Vorgänger an verändernde Lebensumstände anpassen. Das ist jedes Mal ganz nah an der Vollkommenheit – bis sich eine weitere Optimierungsmöglichkeit bietet.

 

Was braucht es, damit Sie diesen Text mit Vergnügen und Erkenntnisgewinn lesen? Etwa 20 Watt. Soviel steckt in gerade einmal zwei großen Bananen, deren Energie ausreicht, um pro Tag die 86 Milliarden Nervenzellen und zehnmal so viele Helferzellen unseres Gehirns in Gang zu halten. Würden wir alle Nervenbahnen, die für die Entstehung eines Gedankens notwendig sind, aneinanderreihen, ergäbe sich eine Länge von 5,8 Millionen Kilometern. So kann eine einzige Nervenzelle mit bis zu 10.000 anderen Nervenzellen verschaltet sein, kommunizieren und so komplexeste neuronale Muster, wie Aha-Erlebnis, Liebe oder Trauer entstehen lassen.

 

Keine Frage: Der Mensch ist ein Wunderwerk – auf seinem Weg vom Primaten über den Neandertaler und Homo Sapiens zum „Homo Digitalis“ der Gegenwart in seiner Wahrnehmungs- und Handlungsfähigkeit maximal effizient ausgerüstet. Da kommen selbst heute die größten und besten Hochleistungsrechner des Big-Data-Zeitalters nicht mit.

 

Das Gehirn und seine evolutionäre Entwicklung ist nur eines von zahllosen Beispielen für den Drang in der Natur nach permanenter Verbesserung durch Anpassung an die Herausforderungen und Vollendung. Diesen macht sich die Bionik, die Verbindung von Biologie und Technik, zu eigen. Den Klettverschluss, der aus der Beobachtung und dem Verstehen der notorisch „anhänglichen“ Klettpflanze hervorging, kennt mittlerweile (fast) jedes Kind auf der ganzen Welt.

 

Ein weiteres Beispiel liefern die Optimierungsprogramme von Professor Claus Mattheck und seiner Arbeitsgruppe in der Abteilung Biomechanik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort haben die Bioniker die Prinzipien, wie Bäume und Knochen sich entwickeln und sich dabei selbst an sich verändernde Lastfälle anpassen, früh erkannt und sukzessive auf die Optimierung von Bauteilen hinsichtlich Leichtbau und Dauerfestigkeit übertragen. Heute ist mittlerweile in nahezu allen wesentlichen Leichtbau-Innovationen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie immer auch ein Stück Bionik eingearbeitet.

 

Oder die Organisationsbionik: Sie liefert über das Schwarmverhalten von Ameisen oder Fischen wichtige Erkenntnisse für das autonome Fahren oder die Steuerung hochkomplexer logistischer Systeme.

 

Es liegt in der „Natur“ der Bionik, Problemlösungen über Perspektivwechsel herbeizuführen, dazu immer einen ganzheitlichen Blick einzunehmen und disziplinübergreifend zu arbeiten. Eine Grundvoraussetzung dafür ist Achtsamkeit. Die Wissenschaft schätzt, dass es auf der Erde zehn bis 20 Millionen Arten gibt. Davon sind gerade einmal 1,75 Millionen Arten erfasst und beschrieben. Umso problematischer ist der fortschreitende Artenrückgang. Artenverlust lässt den „Ideenpool“ unwiederbringlich austrocknen.

 

Fest steht: Nur durch Erhalt der biologischen Vielfalt können Wissenschaftler und Ingenieure auch künftig all den genialen Vorbildern der Natur nachspüren, die Vielfalt an ressourceneffizienten Funktionsprinzipien von Pflanzen und Tieren verstehen und in innovative Technik umsetzen. Wohl wissend, dass bei aller Genialität noch besser werden immer eine Option ist. Jedenfalls dann, wenn wir weiter genau hinsehen und unseren Verstand und unser Vorstellungsvermögen bestmöglich aktivieren. Zwei Bananen können dabei schon sehr hilfreich sein.

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3,8 Milliarden Jahre Innovationsvorsprung auf 24 Seiten - IMPULS B

Presse // 21. Dezember 2017

IMPULS B – Bionik Business Cases aus der Natur

Neu: das erste Unternehmensmagazin für Innovatoren, die auf 3,8 Milliarden Jahre Evolutionserfahrung bauen 

 

Vorsprung durch Bionik: Technische Innovationen und Best Practices nach dem Vorbild der Natur stehen im Mittelpunkt von IMPULS B, dem neuen Unternehmensmagazin von BIOKON, der Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e. V.

 

Auf 24 Seiten dreht sich alles um die intelligente Verbindung von Natur und Technik, mit der es forschenden Unternehmen gelingt, im engen Schulterschluss mit der Wissenschaft ihre Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit so voranzubringen, dass sie auf ihren Kernmärkten nachhaltig erfolgreich sind und mittel- und langfristig den Wert ihrer Marke bei Kunden und Mitarbeitenden steigern.

 

Bionisch inspirierte Leichtbaustrukturen im Flugzeug- und Fahrzeugbau setzen dabei genauso neue Bestmarken wie eine vollkommen neue Formen- und Materialsprache in der Architektur oder bisher nicht für möglich gehaltene Ausprägungen der Mensch-Maschinen-Kooperation. „Die gezeigten Beispiele aus der Bionik überraschen, begeistern und laden Innovatorinnen und Innovatoren zum Dialog mit BIOKON und dem Unternehmensforum des Bionik-Kompetenznetzes ein“, erklärt BIOKON-Geschäftsführer Dr. Rainer Erb.

 

Den „roten Faden“ von IMPULS B bilden Megatrends und sich verändernde Lebenswelten, die Unternehmen im 21. Jahrhundert besonders herausfordern: Mobilität & Logistik, Energie- & Ressourceneffizienz, Forschung & Entwicklung, Vernetzung & Digitalisierung sowie Leben & Arbeiten. Kleine Features, Portraits und Experten-Interviews vermitteln dazu ein überaus lebendiges Bild von der Bionik als Impulsgeber für echte Innovationssprünge.

 

„Bionik ist Hightech-Forschung und heute gefragt wie nie. Denn sie spielt mit Hilfe der Natur und mit allen erdenklichen Algorithmen auf Basis der Benchmarks von 3,8 Milliarden Jahren Evolutions-Optimierung die gesamte Innovationsklaviatur“, erklärt Erb. Viele Unternehmen nutzten diesen Vorsprung bereits für ihre eigene technologische Forschung und Entwicklung. IMPULS B zeige exemplarisch, wie Akteure aus den unterschiedlichsten Branchen im engen Verbund mit der Wissenschaft herausragende, zum Teil revolutionäre Innovationen in Gestalt von neuen Produkten und Organisationsstrukturen auflegten. „Diese Impulse aus der Bionik haben oft das Zeug, Branchen und Märkten ganz neue Richtungen zu weisen“, so der BIOKON-Geschäftsführer. „IMPULS B bringt dies auf den Punkt und macht Lust auf Zukunft.“

 

IMPULS B gibt es hier als PDF >> 

Materialica_Gold_Award_„Surface_and_Technology“_
Das Preisträger-Team um Christoph Neinhuis (2 v.r.).
(c) TU Dresden

Aktuelles // 22. November 2017

Materialica Gold Award 2017 für neuartige Oberflächen

Forscher vom Institut für Botanik der TU Dresden wurden am 17. Oktober 2017 in München mit dem Materialica Gold Award im Bereich „Surface and Technology“ ausgezeichnet. BIOKON-Mitglied Professor Dr. Christoph Neinhuis und sein Mitarbeiter Dr. Wilfried Konrad entwickelten zusammen mit Dr. Jörg Adam vom VDEh-Betriebsforschungsinstitut in Düsseldorf, sowie Siegfried Konietzko von der Firma Hundt & Weber (Lebronce-Alloys) in Siegen eine neuartige Oberfläche für Bauteile im Hochtemperaturbereich.

 

Ziel der Entwicklung war die Verbesserung der Standfestigkeit von Blasformen im Hochofen, wodurch sich ein enormes Potenzial für die Einsparung von Rohstoffen und Energie ergibt. Durch die Blasformen wird heiße Luft mit etwa 1200 Grad Celsius in den Hochofen gepresst, während sich in unmittelbarer Umgebung flüssiges Eisen mit bis zu 2300 Grad Celsius befindet. Daher müssen die aus Kupfer bestehenden Blasformen ständig aufwändig gekühlt werden. Trifft flüssiges Roheisen auf die Oberfläche der Form, kann diese zusätzliche Hitze oft nicht abgeführt werden und die Blasform wird beschädigt oder brennt im Extremfall durch.

 

Durch die neuartige Oberfläche, die sich an den wasserabstoßenden Eigenschaften zahlreicher biologischer Oberflächen orientiert, perlt flüssiges Roheisen von der Blasform ab, die sich daher kaum aufheizt, wodurch die Gefahr der Beschädigung und des Durchbrennens deutlich verringert wird. Damit reduzieren sich auch Stillstandszeiten am Hochofen und nachfolgend im Stahl- oder Walzwerk.

 

Die Auszeichnung wurde im Rahmen der Messe eMove 360 in München verliehen. Das Kooperationsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Quelle: Internetauftritt der TU Dresden, Anne Göhre

Dr. Rainer Erb und Jessica Rudolph

Kontakt

Geschäftsstelle

BIOKON - Bionik-Kompetenznetz

 

Dr. Rainer Erb | Geschäftsführer

Jessica Rudolph | Assistentin des Geschäftsführers

 

Ackerstraße 76

13355 Berlin 

Tel. +49.(0)30.46 06 84 84

E-Mail: kontakt@biokon.de