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Samstag, 23. Februar 2019

Bionik

Wo die Industrie abkupfert

Von Silvia von der Weiden | 15. Dezember 2016 | Ausgabe 50

Oft bringen spezielle Oberflächenstrukturen in der Natur Vorteile im Überlebenskampf. Ingenieure leiten davon jetzt effiziente Techniken gegen Motorverschleiß ab.

Bionik BU
Foto: Institut für Biologie II der RWTH Aachen

Die Krötenechse sammelt Wasser zwischen den Schuppen direkt aus der Luft. Das Prinzip dahinter haben Ingenieure jetzt für die Schmierung von Pumpen und Motoren weiterentwickelt.

Wie transportiert man kleinste Flüssigkeitsmengen ohne Energieeinsatz – und sogar entgegen der Schwerkraft? Die Lösung des Problems, das sich Motorenentwicklern bei der gezielten Zuführung von Schmierstoffen stellt, fanden Forscher bei der texanischen Krötenechse. Diese sammelt winzige Feuchtigkeitsmengen aus der Luft, die sich in haarfeinen Kanälchen zwischen den Schuppen niederschlagen. Das Kapillarsystem leitet das mit der Körperoberfläche eingefangene Wasser direkt ins Maul.

Das funktioniert aufgrund der besonderen Struktur der Kapillaren: Immer zwei liegen leicht versetzt nebeneinander und sind regelmäßig in der Mitte verbunden. Zudem verengen sie sich, um sich danach wieder sprunghaft auszuweiten. Kapillaren und Querverbindungen sind so aufgebaut, dass sich die Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung in Richtung Maul bewegt.

Das Team aus Forschern der RWTH Aachen, des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen und der Universität Linz hat anhand der Kapillarstrukturen nun haarfeine Strukturen per Laser auf Bauteile aus Kunststoff und Metall übertragen. Das verbessert deren Benetzung mit Schmierstoffen und minimiert den Verschleiß von Pumpen und Motoren.

„Das Phänomen beruht auf der besonderen Geometrie der Kapillarkanäle. Wir konnten diese abstrahieren und die Struktur so weit optimieren, dass eine industrielle Fertigung möglich ist und wir Flüssigkeiten gezielt gegen die Schwerkraft transportieren können“, erläutert Teamsprecher Philipp Comanns von der RWTH Aachen.

Die pfiffige Umsetzung könnte vielfach in der Industrie angewendet werden und wurde deshalb kürzlich im Rahmen des Bionik-Kongresses „Patente aus der Natur“ in Bremen mit dem vom VDI verliehenen „International Bionic Award“ der Schauenburg-Stiftung ausgezeichnet.

Mikro- und Nanostrukturen, wie sie die Natur entwickelt hat, steigern auch die Effizienz von organischen Solarzellen, wie Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg herausfanden.

Winzige Zellstrukturen auf den Blütenblättern einer tiefroten Rosensorte sorgen für die intensive Färbung, indem sie die Lichtreflexion drastisch senken. Diesen Effekt nutzen die Forscher, indem sie eine transparente Nachbildung der obersten Zellschicht der Blütenblätter in eine organische Solarzelle integrierten. Das erhöhte die Energieumwandlungseffizienz bei senkrechtem Lichteinfall um 12 %.

Bei sehr flachem Einfallswinkel war die Effizienzsteigerung noch höher. Die Forscher führen das auf die richtungsunabhängige Antireflexwirkung der Struktur zurück. „Unsere Methode lässt sich auch auf andere Photovoltaiktechnologien anwenden“, meint KIT-Forscher Guillaume Gomard und sieht große Chancen für die Industrie.

Für die neueste Generation energiesparender Lüfterventilatoren wiederum hat der Klimatechnikhersteller Ziehl-Abegg aus Künzelsau beim Buckelwal abgekupfert. Bei ihm weisen die Vorderkanten der Brustflossen golfballgroße Ausbuchtungen auf. Wie sich im Windkanal zeigte, optimieren diese die Druckverteilung. Das verhindert einen Strömungsabriss, was die bis zu 30 t schweren Tiere schnell und wendig macht. „Dies haben wir an der Vorderkante unserer Ventilatorschaufeln nachempfunden und als gewelltes Profil umgesetzt“, erklärt Walter Angelis, Technischer Leiter bei Ziehl-Abegg.

Die Strömungstechniker haben dem Wal zudem genauer auf die Hinterflosse geschaut – und fanden einen weiteren Optimierungsansatz für die Ventilatorschaufeln. Danach entwarfen sie eine V-förmige Kontur des hinteren Flügelabschnitts, der mögliche Strömungsabrisse verzögert. Dadurch eignet sich der Radialventilator für viele unterschiedliche Druckbereiche. Insgesamt ergebe das bionisch inspirierte Konzept Energieeinsparungen von bis zu 10 %, so die Hersteller, und die Laufräder würden dadurch leiser.

Um Gewicht und damit Kosten zu sparen, hat der Flugzeughersteller Airbus zusammen mit dem Softwareunternehmen Autodesk eine Kabinentrennwand für die A320-Familie entwickelt, die um 45 % leichter und rund die Hälfte preiswerter ist als eine konventionelle Wand. Dafür kommen eine superleichte und sehr feste Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung (Scalmalloy) sowie günstige 3-D-Drucktechnik zum Einsatz.

Dabei haben sich die Entwicklungsingenieure vom menschlichen Knochen inspirieren lassen. Statt massiver Bauweise nehmen materialsparende Verbindungsstege hohe Belastungen auf, ohne dass der Knochen bricht. Die „Bionic Partition“ genannte Trennwand zwischen Kabine und Bordküche wird derzeit getestet und soll 2018 eingesetzt werden. Für das „innovative“ Modellobjekt erhielt Airbus von Maria Krautzberger, der Präsidentin des Umweltbundesamtes (UBA), kürzlich den Bundespreis Ecodesign.ber