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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

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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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Fotonachweis: Thinkstockphotos.de

Presse // 25. November 2018

So geht Zukunft: Mit Bionik zur „biologischen Transformation“

Die „biologische Transformation“ ist im Kommen. Dank der Errungenschaften der Bionik sind wir hier in Deutschland besser aufgestellt als in weiten Bereichen der digitalen Transformation. Der Grund: Die systematische Übertragung bewährter biologischer Problemlösungen und Optimierungsstrategien auf neuartige Produkte und Technologien liegt in der „Natur“ der Bionik und macht sie damit zum Ideengeber und Innovationsmotor mit nachhaltigem Nutzen für Technik, Wirtschaft und Gesellschaft.Dabei arbeiten Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen verschiedener Fachrichtungen seit langem und sehr erfolgreich zusammen. Interdisziplinäres, kreatives und systemisches Denken und Handeln ist in der Bionik eine von Anfang an gelebte Selbstverständlichkeit. Innovative Ideen und Entwicklungen auf diese Weise schneller und zuverlässiger in den Markt bringen zu können, wird von vielen Unternehmen in Zeiten der Globalisierung, volatiler Märkte und der digitalen Transformation als Chance begriffen. 

Während andere noch ihre Innovations- und Prozessarchitektur aufsetzen, ist die Bionik bereits einen Schritt weiter und trägt schon jetzt dazu bei, im Schulterschluss von Wissenschaft und Wirtschaft das vorhandene bionische Wissen in zählbaren Nutzen zu verwandeln. 

 

Um ihre Innovationskraft noch weiter zu bündeln, Synergien zu nutzen und den Pool an Ideen, Erfahrungen und Inspirationen auszuweiten, haben sich Hochschulen, Forschungsinstitute, Unternehmen und Einzelpersönlichkeiten, die auf dem Gebiet der Bionik arbeiten, in der Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz BIOKON zusammengeschlossen. Hier beschäftigt man sich beispielsweise mit bioinspirierten Materialien, die adaptiv oder selbstreparierend sind, mit multifunktionalen Oberflächen, Antriebsmechanismen für energieeffiziente Lokomotionskonzepte oder mit autonomen, bionischen Robotern mit hoch sensitiven Sensoren und verlässlicher Kommunikationstechnik, die als Katastrophenfrühwarnsysteme zum Einsatz kommen können. Aber auch Bereiche wie Architektur – etwa mit Blick auf klimaneutrales Bauen oder neuartige revolutionäre Konstruktionsideen –, Medizintechnik und Neurobionik mit Anwendungen in der Prothetik sind im Fokus des Interesses der Bioniker*innen. Hier liegen Multifunktionalität und Mehrfach-Innovationen stets eng beieinander, sodass weitere Entwicklungsschübe bis hin zu Sprunginnovationen forciert werden. Ohne Zweifel lohnen sich die gemeinsamen Anstrengungen von Forscher*innen und Unternehmer*innen.

 

Willkommen in der spannenden und grenzenlosen Ideenwelt der Bionik … 

 

 

Im Video – einige Beispiele für bionische Innovationen aus dem BIOKON-Kosmos.

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Einer der drei Preisträger des Internationalen Bionic Award, Dr. Guillaume Gomar, mit Vertretern des Stifters und des VDI sowie Mitgliedern der Jury.
(Bild: S. Labisch, BIC Bremen)

Aktuelles // 06. November 2018

Internationaler Bionic Award 2018 für Forschungsarbeit zur Photovoltaik

Der International Bionic Award der Schauenburg-Stiftung geht in diesem Jahr an ein interdisziplinäres und internationales Team von drei Nachwuchswissenschaftlern. Die mit 10.000 Euro dotierte Auszeichnung erhielten Dr. Radwanul Hasan Siddique vom California Institute of Technology und M.Sc. Yidenekechaw J. Donie sowie Dr. Guillaume Gomard vom Karlsruher Institut für Technologie für ihre herausragende Forschungsarbeit zur Photovoltaik.

 

Das Forscherteam hat Nanostrukturen mit einzigartigen optischen Eigenschaften entwickelt, welche die Absorptionsrate von Solarzellen um bis zu 200 % erhöhen sollen. Ihr Vorbild dafür war ein Schmetterlingsflügel. Die Verleihung fand am 26. Oktober 2018 im Rahmen des Bionik-Kongresses „Patente aus der Natur“ in Bremen statt.

 

Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) haben eine augenscheinliche Besonderheit: Sie sind extrem dunkelschwarz. Damit kann er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht besonders gut absorbieren. „Noch spannender sind für uns die Mechanismen, mit denen er diese hohe Absorption erreicht. Das Optimierungspotenzial, das eine Übertragung der Nanostrukturen für die Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten“, erklärt Teamsprecher Dr. Radwanul H. Siddique. Dem jungen Forscherteam ist es gelungen, die Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 % zu steigern. 

 

Mit dieser Idee, die das interdisziplinäre Arbeiten und konstruktive Querdenken in der Bionik par excellence verkörpert, überzeugten die Nachwuchswissenschaftler die internationale Experten-Jury. Prof. Dr. Antonia B. Kesel von der Hochschule Bremen und Vorsitzende des VDI-Fachbereichs Bionik betont: „Das Produkt ist noch nicht fertig, aber greifbar und unsere internationale Jury hat das große Potenzial der Energieeffizienz fasziniert, selbst eine Leistungssteigerung um 50 % wäre eine Sensation, denn natürlich spielen auch alle anderen Komponenten einer Photovoltaik-Anlage eine Rolle!“

 

„Neben der Photovoltaik können diese Nanostrukturen auch die Effizienz des umgekehrten Prozesses steigern, nämlich die Lichtauskopplung aus organischen Leuchtdioden (OLEDs). Auch eine Anwendung in der Medizintechnik als „Lab on a Chip“ ist denkbar. Diese breiten Anwendungsfelder haben mein besonderes Interesse geweckt“, freut sich Marc-Georg Schauenburg, Sohn des Stifters der Schauenburg-Stiftung.

 

Seit 2008 wird der Bionic Award von der Schauenburg-Stiftung gestiftet. Diese wurde 1986 von Hans-Georg Schauenburg, dem Gründer der seit über 60 Jahren in Mülheim an der Ruhr tätigen Schauenburg Gruppe, ins Leben gerufen und wird vom Stifterverband treuhänderisch verwaltet. Mit dem Preis verfolgen die Schauenburg-Stiftung und der VDI das Ziel, praxisorientierte Forschungsergebnisse und Entwicklungsarbeiten sowie Innovationen des wissenschaftlichen Nachwuchses im Bereich Bionik zu fördern. Weitere Informationen unter www.vdi.de/bionic2018.

Quelle: VDI

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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.

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