Mit Blick auf geniale Naturprinzipien entwickeln Forscher der Technischen Universität Ideen für Windräder, Zeppeline und Flugzeugflügel

 Von Bernd Ebeling

 Die ehemaligen Fabrikhalle in Berlin-Wedding erinnert an ein Kabinett für skurrile Erfindungen: Neben großen Konstruktionen, die wie metallene Windmühlen aussehen, stehen dort ungewöhnlich aussehende Flugzeugflügel, Laborgeräte, Wasserbekken und allerlei Pinguinmodelle aus Kunststoff. An den Gerätschaften in der sogenannten Bionik-Versuchshalle der Technischen Universität proben Ingenieure und Wissenschaftler den Spagat zwischen Natur und Technik. Sie versuchen, von der Natur zu lernen und ihre Beobachtungen in praktikable Pläne für neuartige Schiffe, Flugzeuge oder Windkraftanlagen umzusetzen. 

"Die Bionik will eine Brücke schlagen von der Biologie zur Technik", sagt Rudolf Bannasch, Mitarbeiter am Fachgebiet für Bionik und Evolutionstechnik. Die Natur sei der Technik weit voraus, erklärt der Wissenschaftler und führt als Beispiele dafür die hohe Empfindlichkeit von Hundenasen für Gerüche an, die von keinem noch so hochentwickelten Detektor erreicht werde. Oder die Grubenorgane von Schlangen, die äußerst sensibel auf Wärmeunterschiede reagieren. "Aus den Vorbildern der Natur ergeben sich effektive Lösungen für viele technische Fragen", betont der Zoologe Bannasch. "Aber leider verstehen Biologen und Techniker oft wenig vom Fachgebiet des anderen." Die Bioniker hätten sich deshalb das Ziel gesetzt, "den Spagat zu schaffen". 

Pinguine als Lehrmeister

 Bannasch selbst sieht in den Pinguinen seine besten Lehrmeister. Dank der Stromlinienform ihres Körpers erreichen die Tiere beim Tauchen hohe Geschwindigkeiten und verbrauchen dabei wenig Energie: Mit einem Verbrauch von umgerechnet einem Liter Benzin schaffen sie es, über 1 500 Kilometer durch das Eismeer zu schwimmen. "Der Pinguin wurde im Verlauf der Evolution von der Natur optimal geformt", sagt Bannasch bewundernd.

 Um den außergewöhnlichen Fähigkeiten der Pinguine auf die Spur zu kommen, haben er und seine Kollegen Monate bei den Tieren in der Antarktis verbracht. Für die Studien wurde eine Art Aquarium von über 20 Meter Länge aufgebaut. Aus ihren Beobachtungen an den schwimmenden Tieren wollten die Wissenschaftler Anregungen für neue Boots- und Flugzeugformen gewinnen.

 Anders als Fische oder Delphine setzen Pinguine ihren Rumpf nicht für die Schuberzeugung ein. Sie bewegen sich unter Wasser kraft ihrer Flügel fort. Dabei bleibt der Körper bis auf leichte Schwingungen fast starr. Das macht die Tiere für die Bioniker besonders interessant, da Transportmittel wie U-Boote oder Flugzeuge ebenfalls mit starrem Rumpf gebaut werden.

 Um einen Modellkörper für ein solches Fahrzeug zu finden, haben Bannasch und seine Kollegen flügellose Kunststoffmodelle von unterschiedlichen Pinguinarten hergestellt und im Strömungskanal untersucht. Anschließend bauten sie einen spindelförmigen Strömungskörper, dessen Widerstand um bis zu 35 Prozent geringer ist als derjenige vergleichbarer technischer Körper.

 Würden Transportmittel in dieser Form gebaut, kämen sie bei gleichem Energieverbrauch schneller voran als Fortbewegungsmittel mit herkömmlichem Aussehen. Und bei gleicher Geschwindigkeit wären sie sparsamer im Verbrauch. "Es könnte viel Energie eingespart werden, und der Schadstoffausstoß könnte vermindert werden", so Bannasch. Ein Liegerad mit aerodynamischer Außenverkleidung in Pinguin-Form ist an der TU schon entwickelt worden. Als nächstes könnten Forschungs-Unterseeboote oder Zeppeline auf der Grundlage des Berliner Strömungskörpers gebaut werden, sagt Bannasch. Ein Modell für einen solchen Zeppelin haben Studenten der Technischen Universität kürzlich im Windkanal getestet.

 In der Bionik-Versuchshalle sticht ein windmühlenähnlicher Apparat ins Auge. Es handelt sich um den Windenergie-Konzentrator "Berwian" (für: Berliner Windkraftanlage). Wie die Blütenblätter einer Blüte umgibt ein großer Flügelkranz aus Metall einen Propeller. "Mit dieser speziellen Konstruktion fangen wir Windenergie auf einem großen Querschnitt ein und lenken sie auf die Flügel einer kleinen Turbine", erklärt Alexander Mehlhorn, der sich in der Gruppe von Institutsleiter Ingo Rechenberg mit der Weiterentwicklung der Anlage beschäftigt hat. Im Prinzip funktioniert der Flügelkranz ähnlich wie eine Linse, die Licht sammelt und im Brennpunkt konzentriert oder wie ein Trichter zum Sammeln von Regenwasser. "Ein solcher Trichter vor der Turbine wäre in der Praxis jedoch wirkungslos", erläutert Mehlhorn, "schließlich läßt sich Wind, anders als Wasser, nicht durch einen Trichter zwängen."

 Windrad auf Energiefang 

Bei "Berwian" standen große Seglervögel wie Geier oder Störche Pate. Durch die aufgefächerten Federn am Flügelende entstehen bei ihnen hinter dem Flügel viele Wirbel mit verstärkter Luftströmung - "eine Art Strahlschub, der den Luftwiderstand vermindert", so Mehlhorn.

 Was gut klingt, ist jedoch offenbar noch nicht reif für die Praxis. So arbeiten herkömmliche Windräder wirtschaftlicher als der in seinen Grundzügen schon Mitte der achtziger Jahre entwickelte "Berwian". "Wir müssen noch an dem System arbeiten", räumt Alexander Mehlhorn ein. Dabei habe "Berwian" durchaus Vorteile: Neben dem geringen Verschleiß hebt Mehlhorn die einfache Konstruktionstechnik hervor und die Möglichkeit, die auf die Turbine treffende Windenergie mit dem Flügelkranz gut zu regulieren. 

Durch Beobachtungen am Vogelflügel entstand auch eine Idee, die Flugzeuge sicherer machen soll. Infolge der gewölbten Form der Tragflächen fließt die Luft auf der Oberseite von Flugzeugflügeln schneller als auf der Unterseite und es entsteht ein Sog, der das Flugzeug trägt. Wenn ein Flugzeug - etwa infolge defekter Instrumente - mit allzu steilem Anstiegswinkel fliegt oder abrupt die Richtung ändert, kann der Luftstrom über den Tragflächen plötzlich abreißen. Wird der Steuerfehler nicht rechtzeitig korrigiert, kommt es zum Absturz. Dies war wahrscheinlich die Ursache für ein Unglück im vergangenen Jahr, bei dem eine Maschine der Gesellschaft "Birgen-Air" vor der Dominikanischen Republik wie ein Stein vom Himmel fiel.

 Die Berliner Wissenschaftler haben beobachtet, daß sich bei Vögeln in solch kritischen Situationen einige Deckfedern auf der Flügeloberseite abheben. Dadurch wird verhindert, daß die Luftströmung abreißt. 

Mit einer deckfederähnlichen Konstruktion, so nehmen die TU-Forscher an, müßte sich auch die Stabilität von Flugzeugen verbessern lassen. Versuche im Windkanal verliefen erfolgversprechend. Die von den Forschern entwickelten Rückstromklappen stellten sich selbständig auf, wenn die Tragfläche in einen zu steilen Winkel gedreht wurde.

 "Die Praxistests an Motorseglern in der Luft verliefen unglaublich gut", sagt Werner Müller, der an der Entwicklung beteiligt war. Nach dem Auslaufen des gemeinsamen Projekts mit der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt und dem Strausberger Flugzeughersteller Stemme hoffen die Berliner Wissenschaftler nun auf weitere Förderung.

Patentlösung vom Klapperstorch

 Deutschlands größte Bionik-Forschergruppe an der TU Berlin

 In einem alten Fabrikgebäude aus Backstein im Berliner Stadtteil Wedding ist seit 1973 Deutschlands größte Bionik-Forschergruppe untergebracht. Unter den 
zeitweise bis zu 15 Mitarbeitern um Fachgebietsleiter Ingo Rechenberg sind Biologen, Ingenieure, Mathematiker und Physiker vertreten. Ziel der 
Wissenschaftler ist es, von "Patentlösungen" zu lernen, die die Natur im Verlauf von Jahrmillionen beispielsweise für die Fortbewegung in der Luft oder im Wasser hervorgebracht hat. Dazu beobachten und untersuchen sie Tiere wie Pinguine, Störche, Haie oder Delphine . Aber nicht nur die Ergebnisse, auch der Evolutionsprozeß interessiert die Forscher. Das Prinzip, nach dem die Natur durch spontane Erbgutveränderung und anschließende Auslese neue Arten entstehen läßt, nutzen sie beispielsweise zur schrittweisen Optimierung von Kaffee- und Farbmischungen .

 Derzeit absolvieren jedes Semester etwa 100 angehende Ingenieure an der 
TU Praktika in Bionik und Evolutionstechnik. Außer in Berlin wird Bionik 
hierzulande nur noch in Saarbrücken gelehrt. Dort untersucht eine Gruppe um 
den Biologie-Professor Werner Nachtigall unter anderem den Vogel- und 
Insektenflug . In den USA, wo das Fach "Biomimetics" heißt, engagieren sich 
etliche Arbeitsgruppen. Auch in Rußland und der Ukraine gibt es viele Bioniker. 
Mit ihnen wollen die Berliner Forscher bald verstärkt zusammenarbeiten. ebe