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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, Uni Bonn

Presse // 05. Februar 2020

Neue Methode zur Entfernung von Öl aus Gewässern

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

Vorstand-2019
Vorstand und Geschäftsführung von BIOKON (v.l.n.r.): Ivo Boblan, Rainer Erb (Geschäftsführer), Mario Stegerer, Antonia Kesel (Vorstandsvorsitzende), William Megill, Markus Hollermann (stellvertretender Vorstandsvorsitzender).

Aktuelles // 28. November 2019

Ein starkes Team für die Bionik

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.

Statuette_Bionic-Award_05
Die Bionic-Award-Statuette ist eine stilisierte Diatomee und soll als Symbol für den reichen Schatz, den die Natur als Vorbild für Übertragungsmöglichkeiten in die Technik bietet, dienen. Design: Pohl Architekten.

Aktuelles // 30. Oktober 2019

Bewerbungsstart für den Bionic Award 2020

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. 

 

Weitere Informationen zum International Bionic Award 2020 und den Teilnahmebedingungen hier >>

Bioinspirierte_Waschmaschinenschublade
Bioinspiriertes Einschubkasten-Modul zur Sensoraufnahme für Waschmaschinen.
Bild: Plant Biomechanics Group

Forschung // 17. Oktober 2019

„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

VIP_Preis
Das Gewinner-Team (v.l.): Dr. Matthias Mail (Uni Bonn), Dr. Stefan Walheim (KIT), Dr. Martin Brede (Uni Rostock), Prof. Dr. Wilhelm Barthlott (Uni Bonn), Prof. Dr. Thomas Schimmel (KIT) und der Parlamentarische Staatssekretär Dr. Michael Meister (BMBF).
(c) Foto: Uni Bonn

Presse // 27. März 2019

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

Dr. Rainer Erb und Jessica Rudolph

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