von Frank Fleschner

Ein Griff in den Saharasand, und schon hat Ingo Rechenberg eine Eidechse gefangen. Das Reptil versucht nicht, aus der Hand des Professors zu entfliehen. "Bei uns sind die Tiere richtig zahm geworden", sagt Rechenberg und legt seine Beute zurück ins Terrarium. Vor einem Jahr hat er Saharasand und vier Eidechsen aus Marokko mitgebracht. Jetzt leben sie in Berlin-Wedding, im Institut für Bionik und Evolutionstechnik der Technischen Universität (TU), das Rechenberg leitet.

Seit der gelernte Flugzeugbauer die Tiere entdeckt hat, begeistert er sich für ihre Fortbewegungsart: "Diese sogenannten Sandfische schwimmen regelrecht unter der Sandoberfläche." Dabei legen die Eidechsen ihre Beine an und schlängeln sich mit unglaublicher Geschwindigkeit durch den Saharaboden. Welche Mechanismen hat die Natur hervorgebracht, um diese raffinierte Fortbewegung zu ermöglichen? Wie kommt es, daß der Reibungswiderstand der Eidechsenhaut am Sand offenbar minimal ist? Das sind die Fragen, die Rechenberg beantworten will. Wie alle Vertreter dieser Wissenschaftsdisziplin untersucht er Prinzipien, welche die Evolution in Jahrmillionen entwickelt und perfektioniert hat, um diese für technische Anwendungen nutzbar zu machen.

Forschung als Leidenschaft

Das Kunstwort Bionik entstand um das Jahr 1960 als Mischung aus den Begriffen Biologie und Technik. "Unser Institut ist in Deutschland und wahrscheinlich sogar weltweit das einzige, an dem Bionik umfassend und systematisch betrieben wird", sagt Rechenberg, der wohl zu den schillerndsten Wissenschaftlerpersönlichkeiten der TU gehört. Bioniker zu sein, ist für den 63jährigen gebürtigen Berliner mehr als ein Beruf, eher eine Leidenschaft, von der er selbst im Urlaub nicht lassen kann. Jedes Jahr fährt er allein mit einem VW-Bus nach Marokko, um dort Wüstenlebewesen zu beobachten und neue Ideen zu sammeln. Für knapp einen Monat begibt sich Rechenberg dann in die Einsamkeit der Sahara, schläft im Auto, kilometerweit von der nächsten Siedlung entfernt und nur mit Nomaden als Nachbarn. "Natürlich erhole ich mich auch", sagt der TU-Professor. Aber darüber hinaus experimentiert er mit den flinken Sandfischen, die er sich von Nomadenjungen fangen läßt.

Bei seinen ersten Saharareisen wollte Rechenberg die in dortigen Wasserstellen vorkommenden Purpurbakterien untersuchen. Diese Lebewesen setzen bei Sonnenbestrahlung Wasserstoff als Stoffwechselprodukt frei. Rechenberg hatte die Idee, die Bakterien als Wasserstoffproduzenten in großem Stil zu nutzen und so eine alternative Energiequelle zu erschließen. Das Projekt läuft inzwischen nur noch auf Sparflamme weiter. Das Bundesforschungsministerium habe die Förderung eingestellt, weil das Verfahren noch viele Jahre von der Anwendungsreife entfernt war, sagt Rechenberg. Aber noch immer bestrahlen im Keller seines Instituts Dutzende von Lampen ebenso viele mit Nährlösung und Purpurbakterien gefüllte Flaschen und verleihen dem Raum eine sakrale Stimmung.

Das Institut für Bionik und Evolutionstechnik, das im Hinterhof einer früheren Fabrikanlage untergebracht ist, wirkt wie eine Mischung aus Zukunftswerkstatt und Technikmuseum. In der großen Experimentierhalle im Erdgeschoß wartet ein neuer Flugzeugflügel auf seinen ersten Testeinsatz im Windkanal. Daneben stehen große Windräder - Überbleibsel eines früheren Projekts. Eine Etage darüber sind mehrere Computerarbeitsplätze eingerichtet. Und zwischen ihnen steht unscheinbar die Apparatur, an der Rechenberg 1964 seine bedeutendste wissenschaftliche Idee testete: die Evolutionsstrategie. Mit dieser Methode übertrug der damals 29 Jahre alte Flugzeugbau-Student erstmals die biologischen Prinzipien Mutation und Selektion auf die Technik. Er erfand ein Optimierungsverfahren, das in Konkurrenz zu mathematischen Methoden steht und heute weltweit in Forschung und Industrie eingesetzt wird.

Einerseits, so Rechenberg, habe ihn hierbei die damals populäre Kybernetik beeinflußt - ein Wissenschaftszweig, der sich mit Regelkreisläufen beschäftigt und dabei auch biologische und technische Lösungen analysiert. Andererseits beeindruckte ihn eine Biologievorlesung, die er besuchte, weil zu dieser Zeit auch fachfremde Lehrveranstaltungen zum Pflichtprogramm angehender Ingenieure gehörten. "Der Professor schwärmte von der Leistungsfähigkeit der biologischen Evolution." Und Rechenberg dachte: Wenn das Prinzip so gut ist, muß es auch in der Technik funktionieren.

Darwins Theorie im Test

Er entwarf daraufhin ein simples Windkanal-Experiment. Darin wollte er die Theorie Darwins nutzen, um den Strömungswiderstand eines Flugzeugflügels in möglichst wenig Schritten zu optimieren. Rechenberg zimmerte aus sechs Brettern eine Art Platte, die aber mit arretierbaren Scharnieren zwischen den Brettern in eine Ziehharmonikaform gebracht werden konnte. Jedes Gelenk war in 51 Stufen verstellbar. Als Ausgangsstellung für seinen Holzflügel wählte der Student eine willkürliche Zickzackform mit miserablem Strömungswiderstand. "Ich tat so, als wäre das der Urwurm in der Ursuppe", erklärt Rechenberg. Die optimale Einstellung, die bei dem Versuch herauskommen sollte, war ihm natürlich im voraus bekannt: eine ebene Platte, bei der alle Bretter glattgestellt sind. Wie in der Evolution sollte der Zufall in dem Experiment eine wichtige Rolle spielen. Spontane Veränderungen des Erbguts - Mutationen genannt - bildete Rechenberg durch Würfeln nach. Ausgehend von der Zickzackform, die er als Elterngeneration bezeichnete, würfelte er für jedes der Gelenke eine neue Einstellung aus und bestimmte anschließend den Strömungswiderstand des entstandenen Gebildes. Er konstruierte auf diese Weise zehn neue Tragflächenprofile, die er Kinder nannte.

Nach Darwins Theorie setzt sich immer jene Lösung durch, die die beste Anpassung an die äußeren Bedingungen bietet. Rechenberg übertrug dieses Prinzip, indem er das Tragflügel-Kind mit dem geringsten Strömungswiderstand zum Elternteil machte und die anderen Einstellungen "aussterben" ließ. Dann würfelte er zehn neue Nachkommen aus und wählte erneut den Besten aus. Er war überzeugt: Sein Verfahren mußte nach einigen Durchläufen zwangsläufig zur optimalen Flügelform führen. Planloses Ausprobieren wäre hoffnungslos gewesen. Denn seine Apparatur bot immerhin 345 Millionen Einstellmöglichkeiten. Hätte er für jede davon auch nur eine halbe Minute Zeit zum Testen gebraucht, wären darüber mehr als 300 Jahre vergangen. Rechenberg kam schon nach einigen Stunden ans Ziel. In nur 340 Schritten hatte er mit seiner Evolutionsstrategie den optimalen Tragflügel gefunden.

Kurz darauf bekam "Der Spiegel" Wind von der Sache und brachte einen Artikel über den Studenten, der damit als Wissenschaftler eine gewisse Berühmtheit erlangte. Erst nach zwanzig Semestern schloß er sein Studium ab. Was heute als Makel im Lebenslauf auffallen würde, will Rechenberg nicht missen: "Ich habe die Studentenzeit intensiv genutzt." Rechenberg stürzte sich mit Begeisterung in die Flugzeugbau-Forschung. Er verbrachte mehr Zeit am Windkanal des TU-Instituts für Strömungstechnik als im Hörsaal. Nach seinem Abschluß bekam Rechenberg eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU.

Seine Karriere schien nach Plan zu verlaufen und stand dennoch wenig später fast vor dem Ende. "Ich war damals unglaublich eingebildet und meinte, ich hätte mit meiner Evolutionsstrategie die größte Erfindung der Welt gemacht." Er sei fest davon überzeugt gewesen, er müsse sich in seiner Forschung voll und ganz der neuen Methode widmen. Nur verpflichtete ihn seine Stelle am Institut für Strömungstechnik eigentlich zu ganz anderen Aufgaben, die der frischgebackene Ingenieur vernachlässigte. Rechenberg wurde gekündigt, was er heute verstehen kann. Es begann eine dreijährige Durststrecke, während der Rechenberg zwar im Labor forschen durfte, dafür aber nicht entlohnt wurde. Er kam über die Runden, weil er bei den Eltern wohnte. Und er stellte einen Förderungsantrag bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die von der Finanzierung eines unerfahrenen Ingenieurs aber nicht viel hielt.

Das änderte sich, als sein Mitstreiter Peter Bienert - heute Wissenschaftler an Rechenbergs Institut - einen Brief an den Bundesforschungsminister schrieb, und der das Schreiben offenbar an einen interessierten Beamten weiterleitete. "Heute würde diese Methode nicht mehr funktionieren", meint Rechenberg. Damals brachte sie ihm den ersten Forschungsauftrag ein. Und danach ging alles sehr schnell: 1970 wurde Rechenberg promoviert, und schon zwei Jahre später bekam er an der TU den neuen Lehrstuhl für Bionik und Evolutionstechnik. "Ich weiß nicht, wie es weitergegangen wäre, wenn wir das Fördergeld nicht bekommen hätten", sagt Rechenberg. Eine Stelle in der Industrie sei für ihn nie in Frage gekommen. "Ich wollte doch meine Evolutionsstrategie weiterentwickeln, die damals noch ein zartes Pflänzlein war."

Bioniker sind gefragte Leute

Heute steht die Theorie auf einem festeren Fundament. Und die Industrie hat so großen Bedarf an Evolutionsstrategen, daß Rechenbergs Studenten leicht einen Job finden. Aber noch immer treibt den TU-Bioniker die Sorge um, seine Idee könnte in einigen Jahren aus der Wissenschaftslandschaft verschwinden. "Deshalb will ich in erster Linie an der Theorie arbeiten, damit sie wirklich zu einem festen Gebäude wird."

Er bekomme viele Anfragen aus der Industrie, von denen er aus Zeitmangel inzwischen einige an drei frühere Mitarbeiter weiterleitet, die eine Firma gegründet haben. Dabei bedauert er aber: "Meist werden Forschungsprojekte am Computer finanziert." Viele seiner rund zwanzig Mitarbeiter bekomme er kaum noch in die große Experimentierhalle. Im Herbst will der Professor neue Wissenschaftler einstellen. Dann soll ein Forschungsvorhaben mit einem deutschen Automobilkonzern beginnen. Vorher wird sich Rechenberg aber noch einen Monat Ruhe gönnen - allein in der Sahara.

BIONIK UND FLUGZEUGBAU

Vögel fliegen sicherer als Jets

Der Bioniker Ingo Rechenberg will sich Vögel zum Vorbild nehmen, um Flugzeuge sicherer zu machen.

1996 stürzte ein Jet der Birgen-Air über der Karibik ab. Weil die Bordinstrumente falsche Daten lieferten, flog der Pilot zu langsam. An der Vorderseite der Tragfläche entstand deshalb ein Unterdruck, der zu einer Umkehr der Luftströmung führte - der Auftrieb riß ab.

Vögel schützen sich gegen diesen Effekt mit Deckfedern auf den Flügeln. Sie stellen sich auf, wenn Luft zurückströmt - wirken also wie ein Rückklappventil. Der Auftrieb bleibt konstant.

Rechenbergs Team plant künstliche Deckfedern auf Tragflächen. Erste Versuche verliefen vielversprechend. (ff.)

"Ich tat so, als wäre das der Urwurm in der Ursuppe."

Ingo Rechenberg