Technik nach dem Vorbild der Natur

Geradezu federleicht: Entwicklungsingenieur Marvin Frank demonstriert, wie wenig Gewicht ein Bionik-Leichtklapprad auf die Waage bringt. (PETRA STUBBE)

Vom Alfred-Wegener-Institut Bremerhaven kam der Entwicklungsingenieur Marvin Frank ins Universum, um zu erläutern, wie Leichtbau nach dem Vorbild der Natur funktioniert. Dazu stellte er das „Bionic Bike“ aus der laufenden Ausstellung „Bike it – Vom Laufrad zum Lebensgefühl“ in den Mittelpunkt. Bionik, das Wort setzt sich aus Bio-logie und Tech-nik zusammen, und es bringt die Prinzipien der Natur in technische Konstruktionen. Neben Marvin Frank steht das Klapprad, dessen Rahmen vom 3D-Drucker gedruckt wurde, das sich zweifach zusammenklappen lässt, komplett 7,6 Kilogramm wiegt und Erwachsene sogar Sprünge über Bordsteine machen lässt, ohne Schaden zu nehmen. Daneben steht ein handgroßer Titanträger der Arian, eine Versteifung der A-Säule eines VW Cabriolets, die zehntausendfache Vergrößerung einer Kieselalge mit stabiler Struktur. Alles Werkstücke, die aufgrund von Bionik und 3D-Druck entstanden sind.

In der Arktis und Antarktis betreibt das Alfred-Wegener-Institut Grundlagenforschung, dort schwimmt millionenfach die Kieselalge als Plankton, eine Silicatstruktur, und ist Nahrung des Ruderflusskrebses, wenn er denn die Hülle geknackt bekommt. Der Biss des Ruderflusskrebses trifft die Kieselalge so fest, als würde einen Menschen eine tonnenschwere Last treffen, aber sie hält stand. Bei der extremen Festigkeit ihrer Hülle muss die Kieselalge gleichzeitig leicht sein, damit sie in oberen Wasserschichten schwimmen kann, wo sie noch Licht bekommt, denn ohne Licht stirbt sie. Ihre Silicathülle und dessen Struktur erforscht das Alfred-Wegener-Institut, um technische Anforderungen erfüllen zu können. So ist das Versteifungsteil der A-Säule genauso haltbar wie das Serienelement aus gepresstem Hochleistungsstahl, wiegt aber 70 Prozent weniger. Wegen hoher Herstellungskosten ist es nicht serienreif.

Naturnahe Konstruktion

Den Fahrradrahmen des „Bionic Bike“ konstruierte das Team um Marvin Frank mit „Elise“, einem Projekt, das einen Methodenbaukasten für naturnahe Konstruktionen weiterentwickelt. Mit diesem System wurden die Ziele des „Bionic Bike“ festgelegt wie die Belastbarkeit oder Steifigkeit des Rahmens. Auch wichtig: In welchem Verhältnis das Gewicht auf dem Sattel auf die Räder verteilt werden soll und welche Rohrmasse für Anbauteile wie Lenker, Sattel und Tretlager eingehalten werden muss. Durch mehrfache Berechnungsdurchläufe mit Optimierungen entstand die Rahmenkonstruktion. Beim „Bionic Bike“ sind die Rohre nicht von gleichmäßiger Stärke und nicht hohl. In ihrem Inneren befindet sich vielmehr eine Wabenkonstruktion, die sich dem jeweiligen Rohrdurchmesser und den Wandstärken angleicht. Die Schweiß- oder Übergangsbereiche zu anderen Rohren sind größer und stärker als Rohrverlauf und -mitte. Die Übergänge erinnern an Übergänge von Eichenstämmen ins Erdreich. Sie sind nicht rund, sondern zeigen stabilisierende Wulste um den sich vergrößernden Durchmesser. Die „Bionic Bike“-Konstruktion ist alltagstauglich, aber der Druck des Leichtbaurahmens im Drucker dauerte 18 Stunden und kostete etwa 18 000 Euro.

Für Marvin Frank ist die Herausforderung, weiter zu denken und zu entwickeln. Er zeigt drei Eichenbäume. Der erste steht solitär windschief auf einem Feld. Der Zweite ist ein wahrer Prachtbaum und dominiert einen ganzen Naturbereich. Der dritte neigt sich einem Wasserlauf zu und seine Wurzeln umschlingen Felsen, graben sich aber auch tief in den Lehmboden. „Was ist diesen Bäumen gleich?“, will Frank wissen und gibt selbst in einem Bild die Antwort. er verweist auf die kleine Baumfrucht, die jedem Baum die immer gleiche Voraussetzung mitgibt, sich seiner Umwelt anzupassen. Frank definiert dadurch das Ziel für den Methodenbaukasten von „Elise“, der nach Vorbildern der Natur konstruiert und so entwickelt werden müsste, dass ein Kunde ein System-Fahrrad kauft. Zu Hause gibt er seine „Umwelt“ ein, seine Anforderungen: zum Beispiel ist ein Lastenrad für den Transport von zwei Kindern mit Fahrer und einigen Einkäufen erforderlich.

Sparpotenzial von 80 Prozent

Das System „Elise“ führt daraufhin alle erforderlichen Berechnungen durch: für Rohrstärken für Versteifungen, für Gangschaltung und Wenderadius, für Lastverteilung und alle Optimierungen an Übergangen nach Prinzipien der Natur. Und druckt dem Kunden dann sein persönliches Lastenrad, mit dem er auch den Weinberg hochkommt.

Nach Marvin Franks Annahmen können mit so einem ausgereiften System in Zukunft 80 Prozent an Konstruktionskosten eingespart werden. Und das bei Leichtbau nach dem Vorbild der Natur mit erheblich geringerem Materieleinsatz als bisher und weniger produktionsbedingtem CO2-Ausstoß. Wobei das Verfahren natürlich nicht an die Konstruktion von Fahrrädern gebunden ist, sondern alle technischen Konstruktionen betrifft: wie zum Beispiel Handschuhfächer, Radlaufverkleidungen oder Armlehnen für die Autoindustrie. Profitieren könnten auch Raketen wie die Ariane, die ihrer Konkurrenz gegenüber noch zu teuer ist.

Was nach Zukunftsmusik klingt, hat sich vor der Bionik und zu Beginn der Industrialisierung vor gut 100 Jahren schon vielfach ganz unbeachtet ereignet. Gab es einst nur massive runde Träger und Achsen bei Wagen und Windmühlen, so setzten sich später Rohre durch, die leichter und materialsparender bei gleicher Stabilität sein konnten.

Weitere Informationen

Ausstellung „Bike it – Vom Laufrad zum Lebensgefühl“ bis 5. Mai, Universum Bremen, Wiener Straße 1a, Öffnungszeiten: Montag bis Freitag 9 bis 18 Uhr,  Sonnabend, Sonntag und Feiertags: 10 bis 18 Uhr. Eintritt: Erwachsene: 16 Euro, ermäßigt 11 Euro, Familien: 40 Euro.