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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

Dracaena
Die dreidimensionale Abbildung der äußeren Form (links) sowie des gesamten Leitbündelsystems (rechts) der Ast-Stamm-Anbindung im Drachenbaum zeigt, welche Teile sich Pflanze im belasteten Zustand (gelb) im Vergleich zum unbelasteten (rot) verschieben.

Forschung // 15. September 2016

Vom Drachenbaum zum Werkstoff

Drachenbäume als Ideengeber für den Leichtbau: Ein Forschungsteam der Universität Freiburg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat die Grundlagen dafür erarbeitet, technische Faserverbundverzweigungen nach dem Vorbild von Ast-Stamm-Anbindungen zu entwerfen. Mithilfe von hochauflösenden Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dabei erstmals gelungen, am lebenden Drachenbaum zu beobachten, wie sich das pflanzliche Gewebe bei Belastung verschiebt. Technische Faserverbundverzweigungen, die sich ähnlich verhalten wie das natürliche Vorbild, könnten künftig zum Beispiel in architektonischen Tragwerken, Fahrradrahmen oder in Autokarosserien zum Einsatz kommen. Das Team hat die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.  

 

Für die Studie haben die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Thomas Speck, Leiter der Plant Biomechanics Group und Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg, und Prof. Dr. Jan G. Korvink, Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik am KIT, einen neuartigen Versuchsaufbau entwickelt. Die Biologin Linnea Hesse von der Universität Freiburg und der Medizinphysiker Dr. Jochen Leipold von der Klinik für Radiologie – Medizinphysik des Universitätsklinikums Freiburg bildeten zunächst mithilfe eines Magnetresonanztomographen (MRT) das Innere von Stamm und Ast eines Drachenbaums im unbelasteten Zustand ab. Anschließend belasteten sie den Ast, indem sie ihn mittels eines mechanischen, von außerhalb des MRT gesteuerten Arms verbogen, und bildeten die inneren Strukturen der Pflanze erneut ab. Aus beiden Bildersätzen erstellten die Wissenschaftler dreidimensionale Computermodelle. Anhand dieser konnten sie vergleichen, wie sich das Gewebe, das eine Pflanze stabilisiert, jeweils verhält und wie es sich bei Belastung verschiebt: einerseits die Leitbündel, die Stoffe und Flüssigkeiten innerhalb von Pflanzen transportieren, und andererseits die Faserkappen, die diese Leitbündel umgeben und festigen. Dabei betrachteten die Wissenschaftler sowohl die gesamte Ast-Stamm-Anbindung als auch einzelne Leitbündel, um Veränderungen vom unbelasteten zum belasteten Zustand möglichst genau zu ergründen. Je nach ihrer Lage in der Verzweigung werden die Bündel und die Kappen teilweise längs gedehnt und können so Zuglasten aufnehmen oder auch quer gegen das umliegende Gewebe gedrückt, um Druckkräfte abzudämpfen.  

 

Auf dieser Basis ist es nun möglich, die wissenschaftlichen Erkenntnisse in technische Faserverbundverzweigungen zu übertragen – mit dem Ziel, sowohl leichte als auch stabile Werkstoffe mithilfe des natürlichen Vorbilds noch weiter zu verbessern.  

 

Originalveröffentlichung: Hesse, L., Masselter, T., Leupold, J., Spengler, N., Speck, T., Korvink, J.G.: Magnetic resonance imaging reveals functional anatomy and biomechanics of a living dragon tree. Sci. Rep. 6, 32685; doi: 10.1038/srep32685 (2016).  

 

Quelle: Presseinformation der Universität Freiburg.

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Die Epidermis eines Rosenblütenblatts wird in einer transparenten Schicht nachgebildet; diese wird in die Vorderseite einer Solarzelle integriert.
Quelle: Guillaume Gomard, Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Forschung // 02. Juli 2016

„Flower Power“: Photovoltaik nach dem Vorbild der Rose

Mit einer Oberfläche wie bei Pflanzen können Solarzellen mehr Licht aufnehmen und damit mehr Strom erzeugen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) reproduzierten die epidermalen Zellen von Rosenblütenblättern, die eine besonders starke Antireflexwirkung besitzen, und integrierten die transparente Nachbildung in eine organische Solarzelle. Dies führte zu einer relativen Erhöhung der Effizienz von zwölf Prozent. Darüber berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600046).

 

Photovoltaik ähnelt im Prinzip der von Pflanzen betriebenen Photosynthese: Lichtenergie wird absorbiert und in eine andere Form von Energie konvertiert. Dabei ist es wichtig, das Lichtspektrum der Sonne möglichst breit zu nutzen und das Licht aus verschiedenen Einfallswinkeln aufzunehmen, da sich der Winkel mit dem Sonnenstand ändert. Pflanzen haben dies in ihrer langen Evolution erreicht – Grund genug für Photovoltaikforscher, sich bei der Entwicklung von Solarzellen mit breitem Absorptionsspektrum und hoher Einfallswinkeltoleranz an der Natur zu orientieren.

 

Wissenschaftler am KIT und am Zentrum für Sonnenenergie­ und Wasserstoff-Forschung Baden­Württemberg (ZSW) schlagen nun in der Zeitschrift Advanced Optical Materials vor, das äußere Abschlussgewebe von Blättern höherer Pflanzen, die sogenannte Epidermis, in einer transparenten Schicht nachzubilden und diese in die Vorderseite von Solarzellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern.

 

Zunächst untersuchten die Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI), Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT), Institut für Angewandte Physik (APH) und Zoologischen Institut (ZOO) des KIT sowie am ZSW die epidermalen Zellen verschiedener Pflanzenarten auf ihre optischen Eigenschaften und vor allem ihre Antireflexwirkung. Diese erwies sich als besonders stark bei Rosenblütenblättern, bei denen sie für stärkere Farbkontraste sorgt und damit die Chance auf Bestäubung erhöht. Wie die Wissenschaftler unter dem Elektronenmikroskop feststellten, besteht die Epidermis der Rosenblütenblätter aus einem ungeordneten Feld dicht gedrängter Mikrostrukturen, zusätzlich gerippt durch zufällig platzierte Nanostrukturen.

 

Um die Struktur dieser epidermalen Zellen über eine größere Fläche exakt zu reproduzieren, übertrugen die Forscher sie in eine Form aus Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis, drückten die so entstandene negative Struktur in einen optischen Kleber ein und ließen diesen unter UV-Betrahlung aushärten. „Diese Methode ist einfach und kostengünstig und erzeugt Mikrostrukturen von einer Tiefe und Dichte, wie sie sich mit künstlichen Techniken kaum erreichen lassen“, berichtet Dr. Guillaume Gomard, Leiter der Gruppe Nanophotonik am LTI des KIT.

 

Die Wissenschaftler integrierten die transparente Nachbildung der Rosenblütenblätter-Epidermis in eine organische Solarzelle. Dadurch erhöhte sich die Energieumwandlungseffizienz bei senkrechtem Lichteinfall um zwölf Prozent (relative Steigerung). Bei sehr flachen Einfallswinkeln fiel die Effizienzsteigerung noch höher aus. Die Forscher führen die Steigerung vor allem auf die hervorragende richtungsunabhängige Antireflexwirkung der nachgebildeten Epidermis zurück. Diese kann die Oberflächenreflexion unter fünf Prozent halten, auch wenn der Lichteinfallswinkel fast 80 Grad beträgt. Darüber hinaus fungiert jede einzelne der nachgebildeten epidermalen Zellen als Mikrolinse, wie Untersuchungen mit einem Konfokal-Lasermikroskop zeigten. Der Mikrolinseneffekt verlängert den optischen Pfad innerhalb der Solarzelle, steigert die Licht-Materie-Interaktion und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Lichtteilchen absorbiert werden.

 

„Unsere Methode lässt sich sowohl auf weitere Pflanzenarten als auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden“, erklärt Guillaume Gomard. „Da die Oberflächen von Pflanzen multifunktional sind, könnte es künftig möglich sein, von ihnen mehrere Eigenschaften in einem Schritt zu übernehmen.“ Die Arbeit der Forscher wirft darüber hinaus eine grundlegende Frage auf: Welche Rolle spielt Unordnung in komplexen photonischen Strukturen? Zu dieser Frage laufen weitere Untersuchungen, von deren Ergebnissen die nächste Generation von Solarzellen profitieren könnte.

 

Originalpublikation:

Ruben Hünig, Adrian Mertens, Moritz Stephan, Alexander Schulz, Benjamin Richter, Michael Hetterich, Michael Powalla, Uli Lemmer, Alexander Colsmann, and Guillaume Gomard: Flower Power: Exploiting Plants’ Epidermal Structures for Enhanced Light Harvesting in Thin-Film Solar Cells. Advanced Optical Materials, 2016. DOI: 10.1002/adom.201600046

 

Quelle: Presseinformation 097/2016 des KIT.

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Der Schwimmfarn Salvinia ist mit seinen an Schneebesen erinnernden Härchen auf den Schwimmblättern in der Lage, über lange Zeit eine Luftschicht unter Wasser an seiner Oberfläche zu halten.
Bild: Wilhelm Barthlott, Universität Bonn.

Aktuelles // 22. Juni 2016

„Mr. Lotuseffekt“ wird 70

Der Lotuseffekt war eine grundlegende Entdeckung in der Bionik. Er führte zu einem Paradigmenwechsel in bestimmten Bereichen der Materialwissenschaften und ermöglichte die Entwicklung superhydrophober bionischer Oberflächen. Das 20-jährige Jubiläum des Lotuseffekts selbst feiern wir zwar erst im kommenden Jahr, aber sein Entdecker, BIOKON-Ehrenmitglied Professor Dr. Wilhelm Barthlott, begeht heute seinen 70sten Geburtstag, zu dem wir herzlichst gratulieren.

 

Geboren in Forst, studierte Wilhelm Barthlott Biologie und Geographie an der Universität Heidelberg und arbeitete danach von 1974 bis 1981 als Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Systematische Botanik und Pflanzengeographie der Universität Heidelberg. 1981 habilitierte er an derselben Universität und untersuchte das Phänomen der selbstreinigenden Oberflächen. Diese Arbeit führte schließlich zur Übertragung des Lotus-Effekts auf technische Anwendungen. Von 1982 bis 1985 war er Professor und Abteilungsleiter am Institut für Systematische Botanik und Pflanzengeographie der Freien Universität Berlin. 1985 wurde er an die Universität Bonn berufen, wo er bis 2002 Professor und Direktor am Botanischen Institut und des Botanischen Gartens der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn war. Nach Neustrukturierung und Modernisierung des wunderschönen botanischen Gartens und Umstrukturierung des botanischen Instituts 2002 war Professor Barthlott seit 2003 bis zu seiner Emeritierung im Juli 2011 Geschäftsführender Direktor des neugegründeten Nees-Instituts für Biodiversität der Pflanzen und Direktor der Botanischen Gärten der Universität.

 

Der von Professor Barthlott 1997 beschriebene Lotus-Effekt ist das Paradebeispiel der Bionik. Rund um diese bahnbrechende Innovation, die zu den 12 wichtigsten Innovationen aus Deutschland der letzten 50 Jahre gezählt wird, existieren mittlerweile rund 200 Nebeninnovationen. Kaum ein anderes Beispiel der Bionik hat einen vergleichbaren Weg in die Öffentlichkeit gefunden und sich dabei gleichzeitig oft weit vom eigentlichen Inhalt gelöst.

 

Doch auch wenn der Lotus-Effekt zweifellos seine bekannteste Entdeckung ist, sind seine Forschungsfelder sehr vielfältig, was auch die mehr als 400 Publikationen umfassende Publikationsliste belegt. Gerade hat er, gemeinsam mit Matthias Mail und Professor Christoph Neinhuis eine umfangreiche Arbeit zu superhydrophoben Oberflächen abgeschlossen, die innerhalb der nächsten Tage in einem Sonderband der Phil Trans A veröffentlicht wird.

Darüber hinaus hat Professor Barthlott auch etliche weitere Forschungsgebiete maßgeblich beeinflusst: von der Systematik der Kakteen, den pflanzlichen Oberflächen, über die Erforschung tropischer Inselberge, den Epiphyten von Regenwäldern, bis hin zur weltweiten Biodiversitätskartierung.

 

Mit dieser Vielzahl an Fragestellungen wird es einem natürlich nicht langweilig und so leitet Wilhelm Barthlott noch heute eine Arbeitsgruppe. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Erforschung des Salvinia-Effekts. So gibt es auch immer wieder neue spannende Themen - gerade im letzten Jahr wurde ein völlig neuartiges biologisches Sensorsystem entdeckt und patentiert.

 

Wilhelm Barthlott ist Mitglied mehrerer nationaler und internationaler wissenschaftlicher Vereinigungen – darunter der Akademie der Wissenschaften und Literatur Mainz, der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften Düsseldorf, der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina, sowie Foreign Member der Linnean Society London Komitees.

Er wurde mit verschiedenen angesehenen Preisen ausgezeichnet. Neben dem Karl Heinz Beckurts-Preis 1997 für wirtschaftlich innovative Grundlagenforschung sind dies insbesondere der der Philip-Morris-Forschungspreis 1999 sowie der Deutschen Umweltpreis ebenfalls 1999.

 

Aber Wilhelm Barthlott ist nicht nur ein erfolgreicher Forscher, sondern auch ein sehr erfolgreicher Lehrer. 140 Studenten haben Diplom- oder Staatsexamen bei ihm gemacht, 42 Doktoranden haben erfolgreich promoviert und 8 davon haben sich habilitiert und sind mittlerweile alle als Professoren an Hochschulen berufen.

 

Wir sind sicher, dass ihn das Interesse an der Biologie, vor allem aber an der Bionik noch sehr lange antreibt und Wilhelm Barthlott als aktiver Bioniker und wichtiger Teil des Bionik-Kompetenznetzes weiter herausragende Forschung betreibt, worauf wir uns voller Spannung freuen.

Zum 70. gratulieren wir herzlich.

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BIOKON-Ehrenmitglied Professor Wilhelm Barthlott bei der Woche der Umwelt im Park von Schloss Bellevue am 07.06.2016 mit First Lady Daniela Schadt und BIOKON-Geschäftsführer Dr. Rainer Erb.

Aktuelles // 06. Juni 2016

Superhydrophobe Oberflächen – technische Anwendungen von zwei Best Practices der Bionik

Selbstreinigende Oberflächen (Lotus-Effekt®) und permanent unter Wasser lufthaltende Oberflächen (Salvinia-Effekt®) sind zwei Erfolgsgeschichten der Bionik, die zu einem Paradigmenwechsel in bestimmten Bereichen der Materialwissenschaften führten und die Entwicklung superhydrophober bionischer Oberflächen ermöglichten. Beide werden am 07. und 08.06.2016 auf der Woche der Umwelt im Park von Schloss Bellevue von BIOKON mit der Firma Sto SE & Co. KGaA und dem Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen der Universität Bonn präsentiert.

Entdeckt und beschrieben hat beide Effekte der Bonner Botaniker und Bioniker Professor Wilhelm Barthlott, Gründungs- und Ehrenmitglied von BIOKON. Sie beruhen auf dem Vorbild der mikro- und nanostrukturierten superhydrophoben Strukturen der Blätter der Lotus-Blume bzw. der elastischen superhydrophobe Schneebesen-Haare des Schwimmfarns Salvinia molesta.

 

Superhydrophob heißt, dass diese Oberflächen extrem wasserabweisend sind. Auf Grundlage der Forschungsarbeiten Professor Barthlotts ausgerüstete Textilien schützen beispielsweise Kleidungsstücke vor Wasser und Schmutz und mit der Firma Sto entwickelte Fassadenfarben machen Häuserfassaden wasserfest und selbstreinigend. Der Lotus-Effekt ist eine der 12 wichtigsten Innovationen aus Deutschland der letzten 50 Jahre; es existieren mittlerweile über 200 Nebeninnovationen.

 

Manche extrem wasserabweisenden biologischen Oberflächen verfügen über eine erstaunliche Fähigkeit: Unter Wasser getaucht halten sie dauerhaft eine Luftschicht (Salvinia-Effekt). Solche Luftschichten sind technisch höchst interessant. Sie können beispielsweise zur Reibungsreduktion oder zur Verhinderung des Bewuchses mit Foulingorganismen in marinen Anwendungen eingesetzt werden. Auf Schiffsrümpfen können solche „Gleitfilme“ den Treibstoffverbrauch erheblich senken − bis zu 3 % des globalen Treibstoffverbrauchs lassen sich sparen, wenn Frachtschiffe auf Luftschichten durch das Wasser gleiten und dadurch viel weniger Treibstoff verbrauchen.

 

Lotus und Salvinia sind nur zwei Beispiele von rund 280.000 bekannten Pflanzenarten. Alle sind in Jahren der Evolution in Mutation und Selektion funktional optimiert und bilden eine unerschöpfliche Quelle der Inspiration für Techniker und Materialwissenschaftler − sie zeigen eindringlich, welche technischen Meisterleistungen die Evolution hervorgebracht hat. Wir verlieren die Artenvielfalt und damit die Vorbilder für unsere Bionik-Entwicklungen derzeit in dramatischem Ausmaß. Die Bionik ist ein wichtiges Argument für den Erhalt unserer Umwelt mit ihrer Biodiversität.

 

Beide Bionik-Erfolgsgeschichten in eindrucksvollen Bildern und gut erklärt von Professor Barthlott sehen Sie hier im Video (Quelle: FutureMag von Arte; Sendung vom 04.06.2016).

CloudFisher
Nebelfänger-Testanlage in Marokko.
Foto: Aqualonis GmbH 2016.

Presse // 22. Februar 2016

Bionischer Nebelfänger gewinnt Wasser aus Nebel

Kein Rohstoff ist so bedeutend wie Wasser, der Zugang zu sauberem Wasser gilt als Menschenrecht. Für viele Menschen ist Wasser eine Selbstverständlichkeit, über dessen Gewinnung, Aufbereitung und Verteilung zu wenig nachgedacht wird. Damit gehört dieses Thema zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit und besonders in Entwicklungsländern nimmt die Trinkwassergewinnung in vielen Regionen der Welt an Bedeutung zu.

 

In trockenen Gebieten hat die Natur effiziente Methoden entwickelt, um das Überleben von Pflanzen und Tieren in trockenen Regionen durch die Gewinnung von Wasser aus Feuchtigkeit in der Luft zu sichern. An dieser Stelle setzte ein dreijähriges Bionik-Projekt zur Entwicklung effizienter, innovativer Nebelfänger an. Deutschlands größtes Textilforschungszentrum und BIOKON-Mitglied, das Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) der Deutschen Institute für Textil und Faserforschung Denkendorf, der Garnproduzent Nextrusion und Essedea, Hersteller des Abstandsgewirks 3DEA®, haben in vielen Entwicklungsschritten das patentierte Nebelfangsystem FogHa-TiN® entwickelt. Dabei handelt es sich um eine dreidimensionale, etwa zwei cm dicke Textilstruktur aus schwarz eingefärbten Polymerfasern. Erstmals wurde die dritte Dimension eines Textils für das Auffangen und Abscheiden von Wasser genutzt und eine neuartige Struktur von 3DEA eigens zu diesem Zweck entwickelt.

 

Auch die deutsche Wasserstiftung arbeitete an einem Nebelkollektor, der mittlerweile unter dem Namen CloudFisher von der Aqualonis GmbH vertrieben wird und ebenfalls 3DEA zur Wassergewinnung einsetzt. In ihm wird die innovative Textilstruktur  mit einer neuartigen Rahmenkonstruktion kombiniert und dadurch optimiert.

Die neuartigen Nebelfänger stellen innovative Lösungen zur Wassergewinnung in trockenen Gebieten dar.

 

Der CloudFisher wurde von der WasserStiftung in einem anderthalbjährigen Feldversuch in Marokko in Zusammenarbeit mit der TU München unter Einsatz verschiedener Abscheidematerialien getestet.

 

Das Ergebnis:

  • CloudFisher ist der weltweit erste serienmäßige Nebelfänger, der Windgeschwindigkeiten von bis zu 120 km/h standhält.
  • 3DEA Abstandsgewirk ist fast 20% effektiver als das zweitbeste getestete Material und hat in der Untersuchung in Marokko Spitzenwerte bis zu 600 Liter Wasser pro Tag und Modul von 9m² „geerntet“ (d.h. 66 l pro m² und Tag). Je nach Region und Jahreszeit liegen die Werte für gewöhnlich bei 36-126 Litern pro Tag und Modul von 9m².

 

Nebelfänger können hunderttausende Menschen mit Wasser versorgen, die sonst keinen oder nur einen sehr begrenzten Zugang zu Süßwasser haben. Denkbar ist die Nutzung für die Land- und Forstwirtschaft, aber auch für kommerzielle Zwecke.

Die möglichen Einsatzgebiete sind überaus zahlreich: In Frage kommen Gebirgs- und Küstenregionen weltweit, in denen selten Regen fällt und ein hohes Nebelaufkommen herrscht.

Quelle: Essedea GmbH & Co. KG

 

In diesem Film sehen Sie die wichtigsten Fakten über den CloudFisher:

Dr. Rainer Erb und Jessica Rudolph

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