Die Evolution des Leichtbaus

Sie sind zwar mikroskopisch klein, aber könnten schon bald einen umso größeren Einfluss auf die Leichtbauweise der Zukunft haben. Die Rede ist von Radiolarien und Diatomeen oder zu deutsch Kieselalgen. Um Photosynthese nahe der Meeresoberfläche betreiben und sich gleichzeitig vor Fressfeinden schützen zu können, haben diese Kleinstorganismen über Jahrmillionen ebenso leichte wie robuste Schalenstrukturen ausgebildet. Was die Evolution perfektioniert hat, dient dem Bioniker Sebastian Möller und einem Team von Biologen und Ingenieuren am Alfred Wegener Institut als Inspiration. Vom effizienteren Automobil bis zum leichteren Staubsauger, die Einsatzgebiete der Bionik im Leichtbau sind so vielfältig wie die Vorbilder aus der Natur.

Aus der Datenbank der Natur

Über 90.000 Kieselalgen-Arten lagern in der Sammlung des Instituts in Bremerhaven. Einzigartige Konstruktionen aus Waben und Streben. In diesen belastbaren Strukturen steckt nicht ein Nanogramm Material zu viel. Doch wie wird aus den Bauplänen der Natur ein leichteres Produkt? „Wir nutzen den ELiSE (Evolutionary Light Structure Engineering) Produktentstehungsprozess”, erklärt Sebastian. „Wir schauen zunächst, welchen Belastungen ein ganzes Bauteil oder eine Struktur ausgesetzt ist und suchen in unserer Datenbank nach natürlichen Vorbildstrukturen.” Dann geht es darum, zu verstehen, warum die Natur für die einzelnen Belastungszonen bestimmte Lösungen gefunden hat. Die so identifizierten Prinzipien werden auf das technische Bauteil übertragen und weiter optimiert.

„Im Gegensatz zu uns Menschen ist die Natur eher bereit Neues auszuprobieren.”

Mit ELiSE zum Bionic Bike

Welches Potenzial im bionischen Leichtbau steckt, demonstriert das einzigartige, ultraleichte Bionic Bike. Das Aluminium-Falt-Fahrrad wurde bewusst nicht für klassische Guss- oder Schweißkonstruktionen entwickelt, sondern ganz konkret für die Möglichkeiten des 3-D-Metalldrucks. „Organische Strukturen lassen sich so deutlich besser umsetzen”, erklärt Sebastian. „Typischerweise werden Fahrräder verschweißt. Dank des 3-D-Drucks sind beim Bionic Bike sehr geschwungene Formen möglich. Es gibt keine konstanten Wandstärken und Durchmesser.” Dadurch kommt das Bionic Bike gerade einmal auf sieben Kilogramm Gesamtgewicht. Drei Kilo weniger als normale Falträder. „Betrachtet man nur den Rahmen, haben wir sogar 60 Prozent Gewicht einsparen können.” Im Vergleich zu Leichtbaumaterialien wie faserverstärkten Kunststoffen, wird die Gewichtsreduktion hier ausschließlich durch einen sparsameren Einsatz des ursprünglichen Baumaterials erzielt.


Was macht die Natur also besser als der Mensch? Sebastian glaubt, dass sich der evolutive Erfindergeist in einem Punkt besonders vom Menschen unterscheidet: „Die Natur hat viele Lösungen hervorgebracht und wieder verworfen. Der Mensch entwickelt viele Lösungen, aber tut sich schwer, einen einmal eingeschlagenen Weg wieder zu verlassen.” Ob von Menschen oder von der Natur geschaffene Systeme, schon als Kind interessierten Sebastian beide Seiten der Bionik – sprich Biologie und Technik. „Selbst so etwas einfaches wie eine Wasserpumpe im Garten konnte mich faszinieren”, erinnert sich Sebastian. „Genauso stand ich gerne mit Gummistiefeln im Fluss und habe die Fische beobachtet, die vorbeigeschwommen sind.” Ein Hobby, dem der begeisterte Freediver inzwischen in Gewässern rund um den Globus nachgeht. Vor allem als Ausgleich zu seiner Arbeit, aber wer weiß, vielleicht schwimmt ihm dabei auch schon die nächste bionische Zukunftslösung über den Weg.

Die VDI-Ingenieurgeschichten

Entdecken Sie, wie Ingenieure unseren Alltag verbessern und lassen Sie sich von der Vielfältigkeit des Ingenieurberufs überraschen.

Ein Klick auf die Galerie führt Sie zur nächsten Ingenieurgeschichte. Denn wer könnte besser für den Berufsstand sprechen, als die Ingenieure selbst?