„I think the biggest innovations of the 21st century will be at the intersection of biology and technology. A new era is beginning.” Steve Jobs, Apple Gründer
Die Innovationskraft der Bionik entspringt aus dem nahezu grenzenlosen Pool an biologischen Vorbildern für spezifische Antworten auf technische Fragestellungen. In beeindruckender Vielfalt schafft die Natur Inspirationen für technische Entwicklungen, die Marktrelevanz in den unterschiedlichsten Branchen haben.
Hier haben wir Erfolgsbeispiele der Bionik zusammengestellt, die wir nach dem Schema (1) Bionik-Innovation, (2) Technische Anwendung, (3) Bionisches Funktionsprinzip und (4) Vorbild aus der Natur aufbereitet haben – unterstützt von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt im Rahmen der Förderung unseres Bionik-Unternehmensforums.
Willkommen bei den Innovationen an der Schnittstelle von Biologie und Technik.
Grüne Jobs entdecken in Weltretter-Workcamps der Bionik
Einfach mal die Welt retten? Und das in nur vier Tagen? „Yes, You Can! Green Up Your Future” lautet die Antwort von BIOKON. Die Forschungsgemeinschaft Bionik- Kompetenznetz e.V. macht dies jetzt in einer fesselnden Earth-Challenge-Experience in Joachimsthal bei Berlin für junge Menschen in der Berufsorientierung spannend erlebbar.
Die mysteriöse Forschungsstation „Bionika“, eine geheimnisvolle Earth-Challenge-Experience voller (noch) ungelöster Rätsel plus faszinierende Bionik: Das sind die Leitplanken der interaktiven Weltretter-Workcamps, die im Projektzeitraum 2020 bis 2022 jeweils 16 Teilnehmer*innen im Alter von 18 bis 22 Jahren für Greening-Potenziale in Jobs mit Zukunft begeistern. „Ein einzigartiges Bionik-Abenteuer vor den Toren Berlins mit packender Dramaturgie und großem Online-Weltretter-Community-Building“, erklärt BIOKON-Geschäftsführer Dr. Rainer Erb.
„Die Natur kann mit ihrem Entwicklungsvorsprung von über drei Milliarden Jahren Evolution oft überraschende „grüne“ Lösungsansätze für die Herausforderungen unserer Zeit bieten“, stellt der BIOKON-Geschäftsführer fest. Das Workcamp greife diese Faszination der Bionik auf und verbinde sie mit einer erlebnispädagogisch geführten Earth Challenge. Dabei könnten sich die Teilnehmer*innen auf ganz unterschiedlichen Tätigkeitsfeldern ausprobieren und so herausfinden, was alles in ihnen steckt.
Welcher Job passt zu welcher Persönlichkeit und zu welchem Talent? Die Workcamp-Module orientieren sich bei den Antworten am Interessensmodell von John L. Holland. Der amerikanische Psychologe hatte darin aus arbeits- und organisationspsychologischer Sicht die menschlichen Interessen und Neigungen in sechs Schwerpunkte geclustert: RIASEC – Realistic, Investigative, Artistic, Social, Enterprising und Conventional.
„Indem die Teilnehmer*innen Aufgabenstellungen aus ganz unterschiedlichen Perspektiven angehen, lernen sie, sich nicht nur innerhalb der eigenen, bekannten Interessen zu bewegen, sondern gezielt auch die persönlichen Komfortzonen zu verlassen, um sich so neue Denk- und Handlungsoptionen zu erschließen“, erklärt Dr. Rainer Erb.
„Ziel der Weltretter-Workcamps ist es, dass die jungen Leute praktisch erfahren, wie sie ihre Zukunft in die eigenen Hände nehmen und über das Greening von Berufen zu einer nachhaltigeren Entwicklung ihrer Lebens- und Arbeitswelt beitragen können“, so Dr. Erb. „Die Botschaft lautet: Du kannst sehr viel mehr als Du glaubst. Entdecke, was in Dir steckt: Yes, You Can! Green Up Your Future.“
Yes, You Can! Green Up Your Future“ ist ein Projekt von BIOKON – der Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e. V. – und wird durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit und den Europäischen Sozialfonds für Deutschland (ESF) gefördert.
Den Rahmen dafür steckt das ESF-Bundesprogramm „Berufsbildung für nachhaltige Entwicklung befördern. Über grüne Schlüsselkompetenzen zu klima- und ressourcenschonendem Handeln im Beruf – BBNE“.
Öl stellt für Wasserlebewesen eine erhebliche Gefahr dar. Forscher der Universitäten Bonn und Aachen sowie der Heimbach-GmbH haben eine neue Methode entwickelt, solche Verunreinigungen zu beseitigen: Textilien mit speziellen Oberflächeneigenschaften schöpfen das Öl dabei passiv ab und transportieren es in einen schwimmenden Behälter. Als Vorbild dienten den Wissenschaftlern dabei Oberflächen aus dem Pflanzenreich. Die Studie ist nun in der Zeitschrift „Philosophical Transactions A“ erschienen.
Der Video-Clip ist ebenso kurz wie beeindruckend: Die 18-sekündige Sequenz zeigt eine Pipette, aus der dunkel gefärbtes Öl in ein Glas Wasser tropft. Dann hält ein Forscher ein grünes Blatt an den Fleck. Binnen weniger Augenblicke saugt es das Öl von der Wasseroberfläche, ohne auch nur einen winzigen Rest zurückzulassen.
Der Star des Films, das grüne Blättchen, stammt vom Schwimmfarn Salvinia. Für Wissenschaftler ist er aufgrund der besonderen Fähigkeiten seiner Blätter hochinteressant. Denn die sind extrem wasserscheu: Untergetaucht hüllen sie sich in einen Luftmantel und bleiben so vollkommen trocken. Forscher nennen dieses Verhalten „superhydrophob“, was sich mit „äußerst wasserabweisend“ übersetzen lässt.
Die Salvinia-Oberfläche liebt aber Öl – das ist gewissermaßen eine Kehrseite der Superhydrophobie. „Die Blättchen können daher auf ihrer Oberfläche einen Ölfilm transportieren“, erklärt Prof. Dr. Wilhelm Barthlott, Emeritus der Universität Bonn und ehemaliger Direktor des dortigen botanischen Gartens. „Und diese Eigenschaft konnten wir auch auf technisch herstellbare Oberflächen übertragen, etwa auf Textilien.“
Funktionstextilien als „Saugrüssel“
Derartige superhydrophobe Stoffe lassen sich dann beispielsweise einsetzen, um Ölfilme effizient und ohne Einsatz von Chemie von Wasseroberflächen zu entfernen. Anders als andere Materialien, die zu diesem Zweck bislang genutzt werden, nehmen sie das Öl aber nicht in sich auf. „Stattdessen wandert es, einzig und allein getrieben von seinen Adhäsionskräften, auf der Oberfläche des Textils entlang“, erklärt Barthlott. „Im Labor haben wir derartige Stoff-Bänder beispielsweise über den Rand eines auf dem Wasser treibenden Behälters gehängt. In kurzer Zeit hatten sie das Öl nahezu komplett von der Wasseroberfläche entfernt und in den Behälter transportiert.“ Den Antrieb liefert dabei die Schwerkraft; der Boden des Behälters muss deshalb unterhalb der Wasseroberfläche mit dem Ölfilm liegen. „Das Öl wird dann vollständig abgeschöpft – wie mit einem automatischen Fettlöffel für die Fleischbrühe.“
Damit werden superhydrophobe Textilien auch für die Umwelttechnik interessant. Versprechen sie doch einen neuen Lösungsansatz für das drängende Umwelt-Problem zunehmender Ölverschmutzungen auf Gewässern. Auf dem Wasser schwimmende Ölfilme verhindern einerseits den Gasaustausch durch die Oberfläche. Andererseits sind sie für viele Pflanzen und Tiere bei Kontakt gefährlich. Da sich Ölfilme zudem schnell über große Oberflächen ausbreiten, können sie ganze Ökosysteme gefährden.
Reinigung ohne Chemie
Das neue Verfahren kommt ohne den Einsatz von Chemikalien aus. Von herkömmlichen Bindemitteln wird das Öl zudem einfach aufgesaugt und kann dann später meist nur noch verbrannt werden. Anders bei der Superhydrophobie-Methode: „Das in den schwimmenden Behälter abgeschöpfte Öl ist so sauber, dass es sich wiederverwenden lässt“, erklärt Prof. Barthlott.
Das Verfahren ist nicht für großflächige Ölkatastrophen wie nach einem Tankerunglück gedacht. Aber gerade kleine Verschmutzungen – etwa durch Motoröl von Autos oder Schiffen, Heizöl oder Leckagen – sind ein drängendes Problem. „Besonders in stehenden oder langsam fließenden Gewässern werden auch geringe Mengen zu einer Gefahr für das Ökosystem“, betont der Biologe. Dort sieht er denn auch das Haupteinsatzpotenzial der neuen Methode, die von der Universität Bonn zum Patent angemeldet wurde.
Im Prinzip zeigen viele Oberflächen superhydrophobes Verhalten, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Grundvoraussetzung ist zunächst einmal, dass das Material selbst wasserabweisend ist – zum Beispiel aufgrund einer Wachs-Beschichtung. Das allein reicht aber nicht aus: „Superhydrophobie basiert immer auch auf bestimmten Strukturen auf der Oberfläche wie etwa kleinen Haaren oder Warzen – oft in nanotechnologischer Dimension“, sagt der Botaniker der Universität Bonn. Auch ihm ist zu verdanken, dass die Wissenschaft inzwischen sehr viel mehr über diese Zusammenhänge weiß als noch vor einigen Jahrzehnten.
Die Forschungsarbeiten werden von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördert. „Das hilft uns nun dabei, in Kooperation mit der RWTH Aachen gezielt öladsorbierende Materialien mit besonders guten Transporteigenschaften zu entwickeln“, sagt Barthlott.
Publikation: W. Barthlott, M. Moosmann, I. Noll, M. Akdere, J. Wagner, N. Roling, L. Koepchen-Thomä, M.A.K. Azad, K. Klopp, T. Gries & M. Mail (2020): Adsorption and superficial transport of oil on biological and bionic superhydrophobic surfaces: a novel technique for oil-water separation. Philosophical Transactions A., DOI >> https://doi.org/10.1098/rsta.2019.0447 Quelle: Presseinformation der Uni Bonn
Turnusgemäß haben die BIOKON-Mitglieder nach drei Jahren ihren neuen Vorstand gewählt. BIOKON-Geschäftsführer Dr. Rainer Erb freut sich, dass im fünfköpfigen Vorstandsteam des interdisziplinären Bionik-Kompetenznetzes auch weiterhin Biologen und Ingenieure, Wissenschaftler und Unternehmensvertreter vertreten sind. So aufgestellt, treibt BIOKON die Verwirklichung der anstehenden Biologischen Transformation von Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft weiter voran.
Vorstandsvorsitzende ist erneut Professorin Dr. Antonia Kesel von der Hochschule Bremen. Sie hat den des ersten internationalen Bachelor- und Masterstudiengang „Bionik“ gegründet und leitet das Bionik-Innovations-Centrums Bremen (B-I-C Bremen) an der Hochschule Bremen.
Stellvertretender Vorstandsvorsitzender ist Markus Hollermann. Er ist Mitbegründer des Start-ups „die Bioniker GbR“ und Bionik-Experte der Altran Deutschland S.A.S. & Co. KG., einem der führenden Akteure im Innovation und High-Tech Engineering Consulting.
Professor Dr. Ivo Boblan lehrt Elektrotechnik, Aktorik, Robotik und Bionik an der Beuth Hochschule für Technik Berlin. Als Experte für bionische Robotik beschäftigt er sich insbesondere mit nachgiebigen Assistenzsystemen für Anwendungen in der sicheren Mensch-Technik-Interaktion.
Professor Dr. William Megill ist sowohl Ingenieur als auch Biologe mit den Schwerpunkten Sensorik und Robotik an der Hochschule Rhein-Waal. Er entwickelt und baut u.a. Antriebssysteme und Sensoren für kleine U-Boote und Boote.
Mario Stegerer arbeitet als Entwicklungsingenieur in der „Ideenwerkstatt“ der Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG daran, Bionik künftig als Routine in den industriellen Entwicklungsprozess zu integrieren.
Alle zwei Jahre wird der International Bionic Award für herausragende Forschungsarbeiten in der bionischen Produktentwicklung verliehen. Der Preis richtet sich an Nachwuchswissenschaftler aus der ganzen Welt. Im Oktober 2020 findet die nächste Verleihung des International Bionic Awards statt. Bionische Forschungsarbeiten, die nicht älter als zwei Jahre sind, können ab sofort bis Ende Februar 2020 per E-Mail in englischer Sprache eingereicht werden.
Ausgezeichnet wird eine herausragende Arbeit, beispielsweise in Form einer bionischen Produktentwicklung, einer Bachelorarbeit oder einer Dissertation/Habilitation. Teilnehmen können sowohl Einzelpersonen als auch Teams.
Die Auswahl erfolgt in 2020 erstmals jährlich nach neuem Konzept: Eine internationale, aus hochrangigen Bionik-Fachleuten zusammengesetzte Jury ermittelt im Vorfeld maximal drei Finalisten. Auf dem 10. Bionik-Kongress am 23.10.2020 in Bremen werden diese Projekte in einem spannenden Science Pitch vorgestellt. Das Preisgeld für den Gewinner beträgt EUR 5.000. Die zweit- und drittplatzierten Teams erhalten eine Urkunde sowie einen Reisekostenzuschuss von bis zu EUR 600,-.
Die Bionik als interdisziplinäre Disziplin aus Natur- und Ingenieurwissenschaften gehört zu den wichtigsten Zukunftstechnologien. Bionische Entwicklungen liefern innovative und neuartige Lösungen für technische Probleme mit Hilfestellungen aus der Natur.
„Intelligente Waschmaschinen-Schublade“ inspiriert vom Riechorgan des Hammerhais
Die Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg wurde zusammen mit ihrem langjährigen Industrieprojektpartner E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH für das „Einschubkasten-Modul zur Sensoraufnahme für Waschmaschinen“ mit dem Materialica Gold Award 2019 in der Kategorie „Surface and Technology“ ausgezeichnet.
Bei Waschmaschinen steigen die Anforderungen an Energieeffizienz und Prozessergebnis stetig. Diesen kann man mit Hilfe unterschiedlicher Sensoren gerecht werden. Der passende Ort, an dem sie platziert werden können, ist der Einschubkasten, in den das Waschmittel gefüllt wird. Der Fluidstrom wird über eine Abzweigung aus der Trommel eingebracht. Um die Waschlauge zu untersuchen, braucht es dort aber speziell konstruierte beruhigte Zonen. Andernfalls fließt das Waschwasser zu schnell, sodass mit den Sensoren dort bislang keine Messungen möglich war.
Zum Lösungsansatz führte die Bionik – und zwar war das Riechorgan des Hammerhais das Vorbild. Dieses verfügt über Kanäle, die hindurchfließendes Wasser so verlangsamen, dass die darin befindlichen Duftstoffe wahrgenommen werden können. Nach diesem natürlichen Vorbild konstruierte das Forschungsteam mithilfe des 3D-Drucks einen Einsatz für den Einschubkasten, der einen Teil des durchströmenden Wassers in kleine Kanäle abzweigt und abbremst. In diesen Strömungszonen können bis zu fünf Sensoren beispielsweise messen, welchen pH-Wert die Waschlauge hat oder wie stark sie durch Mikrofasern, die der Waschvorgang aus der Kleidung gelöst hat, belastet ist. Das Wasser wird anschließend wieder zurück in die Trommel geführt, sodass keine zusätzlichen Ressourcen dabei verbraucht werden. Auf diese Weise lässt sich der Zustand der Waschlauge während des gesamten Waschvorgangs live erheben und online übermitteln.
Quelle: Presseinformation der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Validierungspreis für neuartige Schiffstechnologien
Von schmutzabweisenden Oberflächen bis hin zu reibungsreduzierenden Lufthüllen an Schiffen: Biologische Vorbilder wie die Lotuspflanze oder der Schwimmfarn Salvinia lieferten für BIOKON-Ehrenmitglied Prof. Dr. Wilhelm Barthlott die Grundlage für die Revolutionierung neuer Materialien. Ihm wurden nun zusammen mit Mitarbeitern und Kollegen der Universität Rostock sowie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vom Parlamentarischen Staatssekretär Dr. Michael Meister der renommierte Validierungspreis 2019 des Bundesforschungsministeriums (BMBF) verliehen.
Ausgezeichnet wurden die neuesten zukunftsträchtigen Technologien in Deutschland, die an der Schwelle zur Anwendung stehen. „Das Projekt leitet eine revolutionäre Entwicklung in der Schifffahrt ein“, sagte der Vorsitzende des Gutachtergremiums Prof. Dr. Siegfried Neumann von der TU Darmstadt in seiner Laudatio bei der Verleihung, die während der Hightech Strategie-Innovationstagung VIP und VIP+ am 26.03.2019 in Berlin stattfand. Hochtechnologien aus der belebten Natur sind an der Universität Bonn das Thema der Bionik, mit dem sich der Biologe Prof. Dr. Wilhelm Barthlott seit drei Jahrzehnten beschäftigt. Seine Entdeckung des Lotus-Effektes wurde 1999 mit dem Deutschen Umweltpreis ausgezeichnet und erregt bis heute weltweit Aufsehen und hat ein großes wirtschaftliches Potential erschlossen. Wasser perlt von den Blattoberflächen der Lotuspflanze ab und nimmt dabei die Schmutzpartikel mit. Diese Selbstreinigungsfähigkeit verdankt die Lotuspflanze einer speziellen nanostrukturierten Oberfläche.
„Bei den neuen Arbeiten geht es um extrem wasserabstoßende Oberflächen und neue Anwendungspotentiale“, sagt Barthlott. „Es freut mich deshalb sehr, dass diese zukunftsweisenden Technologien mit dem Validierungspreis gewürdigt werden.“ Der Schwimmfarn Salvinia molesta ist extrem wasserscheu: Taucht man ihn unter und zieht in wieder heraus, perlt die Flüssigkeit sofort von ihm ab. Ein hauchdünnes Kleid aus Luft verhindert, dass die Pflanze mit Wasser in Kontakt kommt. Die Blattoberfläche von Salvinia ist so strukturiert, dass eine Luftschicht von ihr festgehalten wird. Diese Entdeckung lässt sich auch für Schiffe verwenden. Hält die Oberfläche des Schiffsrumpfes dauerhaft eine Lufthülle, ist die Reibung und damit der Spritverbrauch und Kohlendioxidausstoß der Schiffe sehr stark reduziert. Angesichts des Klimawandels und der schwindenden Vorräte an fossilen Ressourcen ist dies ein vielversprechender Ansatz: nicht nur wirtschaftlich, sondern auch extrem umweltfreundlich.
In den Jahren von 2002 bis 2017 hat Barthlott ununterbrochen in acht vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Projektphasen die Reibungsreduktion an Schiffshüllen (Passive Air Lubrication) grundlegend erforscht. Die Arbeiten führt Barthlott nach seiner Emeritierung im Jahr 2011 mit seinem Mitarbeiter Dr. Matthias Mail sowie Wissenschaftlern von der Universität Rostock und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) weiter.
„Das letzte Teilprojekt ARES – Air Retaining Surfaces – hat nun zu einem EU-Projekt mit einem Konsortium von zehn Partnern aus Industrie und Forschung aus sechs Ländern geführt“, berichtet Barthlott. Die relevanten drei Patente wurden 2007, 2008 und 2016 von der Universität Bonn angemeldet beziehungsweise sind erteilt. Die neuen Technologien werden von der Bonner Uni und der Patentagentur PROvendis auf der kommenden Hannovermesse vom 1. bis 5. April vorgestellt.
Quelle: Pressemitteilung der Universität Bonn
Biologische Transformation – wenn Technik und Biologie verschmelzen
Wir verbrauchen zu viele Ressourcen und belasten das Weltklima. Wohlstand und Umweltverträglichkeit müssen dringend wieder in Einklang gebracht werden. Der Ausweg: die Biologische Transformation. Doch was ist das? Wie wird sich die Welt und die Gesellschaft durch Biointelligente Systeme und Technologien verändern? Dazu hat die Fraunhofer-Gesellschaft eine Voruntersuchung erstellt.
BIOTRAIN heißt die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und vom Projektträger Karlsruhe PTKA betreute Voruntersuchung. Die darin dokumentierte Analyse des Status quo zeigt, dass deutsche Unternehmen derzeit in vielen relevanten Bereichen der Biologischen Transformation, zwar nicht führend, aber in einer aussichtsreichen Position sind, wenn nun rasch die richtigen Maßnahmen ergriffen werden. Doch welche sollen das sein? Die nun öffentlich verfügbare Broschüre Biointelligenz, die gemeinsam von den Fraunhofer-Instituten IPA, IGB, IML, IPT, IWM, IWU verfasst wurde, gibt Aufschluss darüber und stellt die wichtigsten Ergebnisse vor.
Zunächst lotet die Voruntersuchung die Position Deutschlands aus und analysiert die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken – auch im internationalen Vergleich. Im Anschluss werden die notwendigen Basistechnologien und zentralen Handlungsfelder vorgestellt sowie mögliche Entwicklungspfade und Szenarien durchgespielt. Dies leitet hin zur Entwicklung und Gestaltung einer positiven Vision für Deutschland. Konkrete Empfehlungen, insbesondere an die Politik, sind ebenfalls Thema der Broschüre. So raten die Autoren dazu, ein geeignetes politisches Rahmenwerk zur Biologischen Transformation zu schaffen und die Forschungs- und Transferaktivitäten in zehn identifizierten Handlungsfeldern zu intensivieren. Ferner sollten Bildungsprogramme angepasst und geeignete Rahmenbedingungen für etablierte Unternehmen wie Start-ups geschaffen werden.
Im Video: Professor Thomas Bauernhansl, einer der beiden Leiter des Fraunhofer IPA und Mitautor der Voruntersuchung.
Quelle: Fraunhofer-Pressemitteilung vom 07.03.2019
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.
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 unterwww.vdi.de/bionic2018.
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.
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.
