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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

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

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

Kontakt

Geschäftsstelle

BIOKON - Bionik-Kompetenznetz

 

Dr. Rainer Erb | Geschäftsführer

Jessica Rudolph | Assistentin des Geschäftsführers

 

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