Tools


Siemens Worldwide

NewsHub

Language

 

Contact

Kontakt
NewsHub
Subtitel
titel
Subtitel
Alle Produkte in der Übersicht
Produkte

Bionik

Die Natur als Vorbild

Bionik beschreibt das kreative Umsetzen von Anregungen aus der Biologie in die Technik und ist mittlerweile eine etablierte Innovationsmethode. Auch Siemens-Ingenieure machen sich Eigenschaften der Natur zunutze.

Dass die Natur einfallsreich ist, weiss man. So besitzt sie oft überraschende Lösungen, die in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung erprobt und optimiert wurden. Da liegt es nahe, dass der Mensch die Natur immer wieder als Vorbild nimmt und versucht, gewisse hilfreiche Eigenschaften für sich nutzbar zu machen. Daraus entstanden ist die Bionik. Sie beschäftigt sich mit dem systematischen Erkennen von Lösungen und dem Übertragen der Phänomene der Natur auf die Technik. Es handelt sich dabei um eine eher junge, aber wissenschaftlich anerkannte Disziplin. Das interdisziplinäre Forschungsfeld mag zwar eine junge Wissenschaft sein, dennoch gibt es jahrhundertealte Ansätze, die grosse Bekanntheit erlangten. Ein besonders berühmtes Beispiel aus der Geschichte dafür ist Leonardo da Vincis Idee, den Flügelschlag der Vögel auf Flugmaschinen zu übertragen. Da Vinci gilt somit als Vater der Bionik. Seit ein paar Jahren erfreuen sich die Möglichkeiten der Bionik immer grösserer Beliebtheit und beschäftigen Naturwissenschaftler, Ingenieure, Architekten, Philosophen und Designer. Erst kürzlich gab es aus diesem Umfeld zwei neue Meldungen: Ein Schmetterlingsflügel inspirierte Forscher dazu, die Absorption von Solarzellen um 200 % zu steigern. Oder die Pomelo-Frucht: Sie sorgt mit ihrer guten Dämpfung dafür, neue Velohelme zu entwickeln. Es gibt auch ältere Beispiele von Bionik-Entdeckungen, die es mittlerweile zu alltäglichen Anwendungen geschafft haben.

Christoph Kiener inspiziert das Ergebnis eines 3D-Drucks. Was so aussieht wie eine Fenchelknolle, ist ein Plastikmodell einer Brennerspitze, deren Design der Bionik entstammt.

Haarige Entdeckung

Eine besonders nützliche und auch bekannte Entdeckung ist der Klettverschluss. Der Schweizer Ingenieur Georges de Mestral unternahm mit seinen Hunden oft Spaziergänge in der Natur. Dabei entdeckte Mestral immer wieder kleine Bällchen, die im Fell der Hunde haften blieben. Er untersuchte die Früchte der Grossen Klette unter seinem Mikroskop und erkannte, dass sie winzige elastische Häkchen haben, die auch bei gewaltsamem Entfernen aus Haaren oder Kleidern nicht abbrechen. Mestral untersuchte deren Beschaffenheit und sah eine Möglichkeit, zwei Materialien auf einfache Art und Weise reversibel zu verbinden. Er entwickelte den textilen Klettverschluss und meldete seine Idee 1951 zum Patent an. Heute werden Klettverschlüsse zum Beispiel an Schuhen und Kleidern, Rucksäcken und Taschen oder an Raumanzügen von Astronauten verwendet. Ein weiteres, bekanntes Beispiel sind die Winglets bei Flugzeugen. Dabei handelt es sich meistens um nach oben verlängerte Aussenflügel an den Enden der Tragflächen. Sie sorgen für eine Verringerung des Luftwiderstands, für mehr Auftrieb und die Reduktion des Treibstoffverbrauchs. Auch hier galt die Natur als Vorbild: Die Flügel von Adler, Geier, Storch oder Milan spreizen sich gegen Ende nach oben. Dadurch entstehen mehrere kleinere Wirbel, die sich gegenseitig teilweise auslöschen und so dem Strömungswiderstand reduzieren.

Eulen machen Windräder leiser

Auch für die Weiterentwicklung von Siemens-Produkten schauen unsere Ingenieure immer wieder gerne bei der Natur ab. Um Windturbinenflügel leiser zu machen, nahmen sie die Eule als Vorbild. Eulen sind besonders leise Jäger. Auf Beutezug nähern sie sich in geräuschlosem Flug der Beute. Dazu besitzen Eulen eine besondere Struktur an ihren Schwingen: Vor allem die kammartig gezackte Hinterkante sowie eine weiche Struktur der Flügeloberfläche nehmen der Luftströmung durch gezielte Verwirbelungen das Rauschen. Diesen Effekt machten sich Siemens-Entwickler zu eigen und optimierten so die Aerodynamik der Rotorblätter. Zusätzlich zu Verwirbelungsgeneratoren auf den Blattrücken kommen an den Hinterkanten der Blattenden jetzt kammartige Elemente zum Einsatz. Ihre Struktur ist halb Kamm, halb gezackt. Sie erzeugt feine Luftwirbel an genau der Stelle, an der die schnellere Oberströmung des Rotorblatts auf die langsamere Unterströmung trifft. Das sonst übliche Rauschen wird damit erheblich gedämmt.

Auch bei Flugzeug-Winglets galt die Natur als Vorbild: Die Flügel von Adler, Geier, Storch oder Milan spreizen sich gegen Ende nach oben.

Fenchel für Gasturbinen

Erst kürzlich entwickelten Siemens-Ingenieure eine Brennerspitze für Gasturbinen, deren Aufbau dem einer Fenchelknolle ähnelt. Weil der Fenchel sehr sensibel gegenüber Wärme ist, verfügt die Pflanze über eine Vielzahl von Hohlkörpern, welche die Wärme ideal abtransportieren. Dieses Prinzip haben die Ingenieure von Siemens übernommen und am Computer nachgebaut, simuliert und so verfeinert, bis die Dimensionen und Eigenschaften passten, um die optimierte Düse herzustellen. Doch der Aufbau war mit seinen Feinheiten zu komplex für herkömmliche Fertigungsmethoden. Deshalb entschieden sich die Forscher, die Düse mittels 3D-Druck herzustellen. Auch wenn die neuartige Brennerspitze nicht serienmässig umgesetzt wurde, ist sie ein gutes Beispiel, welche Möglichkeiten sich durch die Bionik eröffnen. Dieser Ansatz steht dank zweier neuer Fertigungstechniken, der generativen Software und dem 3D-Druck, vor einer Revolution. Das könnte Branchen wie die Fahrzeugindustrie oder die Luft- und Raumfahrt von Grund auf verändern. «Bei Siemens wollen wir die neuen Gestaltungsmöglichkeiten mithilfe unserer Product Lifecycle Management Software ebenfalls nutzen, denn die so entwickelten Bauteile sind meist leistungsstärker, kostengünstiger und wartungsärmer», erläutert Christoph Kiener, der bei Siemens Corporate Technology neue Design-Möglichkeiten für Siemens-Technologien erforscht.

Evolution im Schnelldurchgang

Neue Software erweitert heute also das Repertoire der Bionik. Obwohl der digitale Ausleseprozess nicht auf Ideen aus der Natur beschränkt ist, wirken die Designs, je länger die Algorithmen rechnen, umso organischer. Das ist kein Wunder, denn was sich im evolutiven Entwicklungsprozess der Natur als gut erwiesen hat, erweist sich auch im digitalen Testverfahren als geeignet. Zudem sind die technischen Bauteile bei geringem Material- und Energieeinsatz in der Regel sehr leistungsstark – fast so, wie es auch der Natur gelingt, mit Wenigem maximale Ergebnisse zu erzielen. Auf diesem Wege perfektioniert die Software das Strömungsverhalten eines Bauteils, seine Wärmeübertragung, Festigkeit, Tragkraft und andere Eigenschaften, ohne dass ein Ingenieur auch nur einen Schraubenzieher in die Hand nehmen müsste. Und nachdem eine Lösung errechnet wurde, ermöglicht additive Fertigung, selbst komplexe Designs schnell, materialsparend und kostengünstig zu realisieren.

Mehrere Materialien in einem Bauteil

Und die Entwicklung geht weiter. In Kieners Nachbarbüro arbeitet der Bionik-Experte Tobias Kamps an Druckverfahren, die mehrere Baustoffe in ein Teil integrieren. Auch hier kommt Bionik zur Anwendung. «Ein Arm besteht aus Knochen, Fleisch, Adern, Haut», sagt Kamps. «Mit additiver Fertigung werden wir Bauteile ebenfalls aus mehreren Materialien in einem Stück herstellen können.» So liesse sich ein durch Algorithmen angepasstes Bauteil dort, wo es in der Nähe einer Wärmequelle eingesetzt wird, aus teuren, hochtemperaturbeständigen Legierungen formen, während seine weiter entfernt arbeitenden Bestandteile aus gewöhnlicheren Metallen hergestellt werden könnten.

Fabienne Schumacher
Picture credits: Siemens / Pixabay