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Mehr zum Thema / Hermann Mörwald / Donnerstag 08.04.21

Natur­prin­zi­pi­en in die (Bau)-Technik

Ein flo­ra­les Mus­ter auf einer Fas­sa­de oder ein Sta­di­on in Form eines Vogel­nes­tes ist noch nicht Bio­nik in der Archi­tek­tur. In der klas­si­schen Bio­nik geht es viel­mehr dar­um, Prin­zi­pi­en aus der Bio­lo­gie in tech­ni­sche Lösun­gen umzu­set­zen. Dar­in stim­men Petra Gru­ber, Archi­tek­tin mit dem Spe­zi­al­ge­biet Bio­nik und Lukas Zeilbau­er von der TU Wien, Insti­tut für Archi­tek­tur­wis­sen­schaf­ten Trag­werks­pla­nung und Inge­nieur­holz­bau (ITI), überein.
APA (dpa)

„Wenn wir uns ein Natur­phä­no­men anschau­en, dann ver­su­chen wir eine stra­te­gi­sche Ana­ly­se durch­zu­füh­ren, damit man die ent­schei­den­de Struk­tur oder auch den essen­zi­el­len Pro­zess dahin­ter ver­steht und in Archi­tek­tur oder Tech­nik über­lei­tet. Und letzt­lich ist das ganz stark mit Opti­mie­rung ver­knüpft“, erklärt Zeilbau­er, der an der TU Wien die Lehr­ver­an­stal­tung „Modul: Logik der Struk­tur“ anbie­tet. Man macht die bio­lo­gi­sche Funk­ti­on für den Men­schen anwend­bar, oder: „Es geht nicht um die Kopie einer Form, son­dern um eine Funk­ti­ons­ana­lo­gie.“ In der klas­si­schen Bio­nik wer­den Prin­zi­pi­en aus der Bio­lo­gie in tech­ni­sche Lösun­gen umgesetzt.

„Der Pro­zess funk­tio­niert schließ­lich über die Abs­trak­ti­on“, so Gru­ber, die Adjunct Asso­cia­te Pro­fes­sor am Bio­mi­micry Rese­arch and Inno­va­ti­on Cen­ter an der Uni­ver­si­ty of Akron (USA) und seit Anfang des Jah­res wie­der in Öster­reich ist. In der Grund­la­gen­for­schung fin­det man inter­es­san­te Kon­zep­te in bio­lo­gi­schen Pro­zes­sen, Mikro­or­ga­nis­men, Öko­sys­te­men aber auch der phy­si­ka­li­schen Welt. Das ver­sucht man über Abs­trak­ti­on, qua­li­ta­ti­ve und quan­ti­ta­ti­ve For­schung zu ver­ste­hen und über­trägt dann funk­tio­nel­le Kon­zep­te und Prin­zi­pi­en in einen völ­lig ande­ren – tech­ni­schen – Kon­text. Dabei geht natür­lich auch sehr viel ver­lo­ren, „Lebe­we­sen sind immer mul­ti­funk­tio­nell“ (Wachs­tum, Meta­bo­lis­mus, Fort­pflan­zung, Evo­lu­ti­on etc.). „Man nimmt letzt­lich einen klei­nen Teil, den man ver­stan­den hat, und wen­det die­sen in einem tech­ni­schen Bereich an“, erläu­tert die Wissenschafterin.

Vor­bild Baum

 

Wie Bio­nik „am Bau“ funk­tio­niert, erklärt Zeilbau­er anhand des „bio­ni­schen Mul­ti­ta­lents“ Baum (sie­he dazu auch „Die Natur als Werk­stoff-Inge­nieur”): „Ein Baum opti­miert sich in sei­nem Wachs­tum. Er reagiert auf den Kraft­fluss, indem er für sei­ne Äste und den Stamm eine Vek­tor­ad­di­ti­on abwärts durch­führt. Trans­fe­riert man das Prin­zip der Vek­tor­ad­di­ti­on in einen Trag­pfei­ler hat man nicht nur eine Stüt­ze, son­dern bereits ein von einer bio­lo­gi­schen Funk­ti­on inspi­rier­tes Bauelement.“

Bes­se­re Schrauben

 

Der deut­sche Phy­si­ker Claus Mat­theck (Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie) hat durch die Beob­ach­tung von Bäu­men eine Metho­de zur Opti­mie­rung von Kur­ven (Metho­de der Zug­drei­ecke) ent­wi­ckelt. Damit las­sen sich Gegen­stän­de leich­ter und lang­le­bi­ger gestal­ten. Mit Zug­drei­ecken opti­mier­te Bau­ele­men­te wür­den im Bruch­test rund zehn­mal län­ger hal­ten, da schar­fe Ecken, wo die größ­ten Span­nun­gen ent­ste­hen, wei­test­ge­hend ver­mie­den wer­den. Das hat er schließ­lich auf Schrau­ben – ins­be­son­de­re Kno­chen­schrau­ben – umge­legt. „Der­ar­ti­ge Schrau­ben, die sich äußer­lich nicht von ande­ren Schrau­ben unter­schei­den, bre­chen nicht mehr“, erklärt der TU-Archi­tekt Lukas Zeilbauer.

„Gera­de was Tra­ge­wir­kun­gen oder ‑mus­ter betrifft, gibt es bereits zahl­rei­che Bei­spie­le, wo man sich die Natur als Vor­bild nimmt“, so Zeilbau­er. Ein pro­mi­nen­tes Bei­spiel ist der Glas­schwamm, der durch sei­nen Auf­bau die Wis­sen­schaft schon seit Jah­ren fas­zi­niert. Für die Archi­tek­tur sei er vor allem durch sei­ne aus­ge­feil­te Röh­ren­struk­tur aus Sili­kat inter­es­sant. In eini­gen Wol­ken­krat­zern in Dubai wur­den bio­ni­sche Adap­tio­nen und Opti­mie­run­gen auf Basis der Schwamm­struk­tur inte­griert. „Auf den ers­ten Blick könn­te man es für ein Desi­gnele­ment hal­ten, aber es steckt tat­säch­lich die Röh­ren­funk­ti­on des Glas­schwam­mes dahin­ter“, so der TU-Wissenschafter.

Self‑X

Als wei­te­res Bei­spiel nennt Gru­ber den bekann­ten Lotus­ef­fekt, womit kurz gesagt die Selbst­rei­ni­gungs­fä­hig­keit von bio­lo­gi­schen Ober­flä­chen durch eine Mikro­struk­tur plus einer hydro­pho­ben Che­mie benannt wird. Mate­ria­li­en mit Lotus­ef­fekt oder ande­ren Self-X-Eigen­schaf­ten (self-clea­ning, self-repair, self-healing …) gibt es bereits recht häu­fig und sind schon weit in die Bau­in­dus­trie vorgedrungen.

Als Bei­spiel ver­weist sie auf den selbst­hei­len­den Beton, wobei Kleb­stof­fe oder auch kalk­bil­den­de Bak­te­ri­en in das Mate­ri­al „ein­ge­baut“ wer­den, die bei Was­ser­ein­tritt aktiv wer­den und Mikro­ris­se wie­der schlie­ßen. Dadurch habe man eine bes­se­re Aus­nüt­zung, Wider­stands­fä­hig­keit und Halt­bar­keit des Bau­stoffs. Ers­te Pro­duk­te wür­den bereits in der Markt­rei­fe ste­hen. Gän­gi­ge Pra­xis sei­en im Bau­we­sen wei­ters auch Opti­mie­rungs­ver­fah­ren, die aus der Bio­lo­gie kom­men, wie etwa evo­lu­tio­nä­re Algo­rith­men, die zu kon­struk­ti­ven Berech­nun­gen oder auch für den Archi­tek­tur­ent­wurf her­an­ge­zo­gen werden.

Aus­ge­tre­te­ne Pfa­de verlassen

Das Pro­blem dar­an, wie der­zeit gebaut wer­de, sei, dass noch immer so gebaut wer­de wie schon vor 3.000 bis 4.000 Jah­ren, meint Zeilbau­er: „Loch gra­ben, Fun­da­ment befes­ti­gen, Gerüst auf­stel­len, dann die Struk­tur nach oben bau­en. Das war bei den Pyra­mi­den so, bei goti­schen Kathe­dra­len und bei den Wol­ken­krat­zern des 20. Jahr­hun­derts. Das Prin­zip ist das glei­che, nur die Tech­nik wur­de bes­ser. Jetzt geht es dar­um, sich im Bau­we­sen von den tra­di­tio­nel­len Wegen loszulösen.“

Im Bau­we­sen ist Opti­mie­rung ein gro­ßes The­ma. Dabei geht es laut Zeilbau­er nicht nur um Mate­ria­ler­spar­nis, Ener­gie­ef­fi­zi­enz, Bau­zeit­ver­kür­zung und Kos­ten­re­duk­ti­on, son­dern dar­um, „wie ist die Basis der Struk­tur und wie set­zen wir die um. Bio­nik kann dafür revo­lu­tio­när wir­ken. Die Natur ist ein rie­si­ger Moti­va­tor, kom­plett neue Struk­tu­ren für die Archi­tek­tur und das Bau­we­sen zu ent­wi­ckeln“, meint Zeilbau­er. „Es wird immer noch auf die größ­te Ein­wir­kung dimen­sio­niert – eine Decke hat über­all die glei­che Stär­ke, obwohl der Druck von innen nach außen zu den Wän­den hin abnimmt. Das ist sehr inef­fi­zi­ent“, so der Exper­te. Über den Ein­fluss der Bio­nik ver­su­che man jetzt, sich von die­sen Mus­tern zu lösen und gene­rell neue Prin­zi­pi­en, Tech­no­lo­gien und Umset­zun­gen in die Rea­li­tät zu bringen.

Feder­füh­rend auf die­sem Gebiet ist im deutsch­spra­chi­gen Raum das Insti­tut für Trag­kon­struk­tio­nen und kon­struk­ti­ves Ent­wer­fen (itke) der Uni­ver­si­tät Stutt­gart. Hier wer­de ver­sucht, den Bau­pro­zess, Anwen­dun­gen bio­lo­gi­scher Struk­tu­ren aber die auch die For­men die­ser Struk­tu­ren kom­plett neu zu den­ken. „Noch ste­hen wir am Beginn der Ent­wick­lung, aber die For­schung wird künf­tig stark in die Rich­tung des Hin­ter­fra­gens ‚Wie wird gebaut‘ gehen. Bio­nik wird dafür ein star­ker Trei­ber sein“, erklärt der Wissenschafter.

Ein wei­te­rer Trei­ber für eine „neue Bau­kul­tur“ sei­en neue digi­ta­le Mög­lich­kei­ten wie der 3D-Druck und Robo­ter­tech­nik. Wei­ters wür­den Com­pu­ter­tech­no­lo­gien das Mate­ri­al­de­sign kom­plett ändern, Bau­stof­fe und Struk­tu­ren auf bio­ni­scher Basis könn­ten dann in gro­ßer Men­ge effi­zi­ent, bil­li­ger und indi­vi­du­ell ange­passt gestal­tet her­ge­stellt wer­den, und wür­den damit auch die For­schung antrei­ben, meint Gruber.

Inte­gra­ti­on von Organismen

Span­nend fin­det die For­sche­rin, dass man im Moment weg­geht von der rei­nen Prin­zi­pi­en­über­tra­gung hin zur Inte­gra­ti­on von Orga­nis­men in Gebäu­den: „Das ist dann nicht mehr klas­si­sche Bio­nik, son­dern eine Mischung aus Bio­nik, Bio­tech­no­lo­gie und Bio­de­sign mit hybri­den Lösun­gen von Bau­wer­ken und beleb­ten Sys­te­men.“ Das ist für die Wis­sen­schaf­te­rin beson­ders ange­sichts des Kli­ma­wan­dels und der damit Hand in Hand gehen­den Pro­ble­me (z.B. „Kli­ma­wan­del und glo­ba­le Ver­städ­te­rung“) und der Suche nach tech­no­lo­gi­schen Lösun­gen von Bedeutung.

Sta­bi­li­sie­ren­de Wurzelsysteme

Petra Gru­ber arbei­tet der­zeit gemein­sam mit Kol­le­gen an der Uni­ver­si­tät von Akron an einem Pro­jekt über Wur­zel­sys­te­me von Bäu­men. Dabei ana­ly­sie­ren sie Topo­lo­gien und Algo­rith­men, um dar­aus Schlüs­se für Gebäu­de­fun­da­men­te und Küs­ten­sta­bi­li­sie­rung zu gewin­nen. „Wir haben auf Pho­to­gram­me­trie und 3D-Druck gesetzt, um rea­le bio­lo­gi­sche Wur­zel­sys­te­me drei­di­men­sio­nal abzu­bil­den.“ Mit den 3D-Model­len wur­de schließ­lich mit inge­nieur­wis­sen­schaft­li­chen Metho­den getes­tet, wie die Strö­mungs­me­cha­nik funk­tio­niert und was hilf­reich sein könn­te, von Ero­si­on betrof­fe­ne Küs­ten zu sta­bi­li­sie­ren. Der 3D-Druck hat die Simu­la­ti­on durch drei­di­men­sio­na­le Pro­to­ty­pen laut der For­sche­rin immens erleich­tert und beschleunigt.

Bio­ni­sches Mul­ti­ta­lent Baum

Aus einer Rot­ei­che wird …

… ein 3D-Modell erstellt, …

… um Wur­zel­sys­te­me drei­di­men­sio­nal abzubilden …

… und zu tes­ten, was hilf­reich sein könn­te, um Küs­ten zu stabilisieren.

Die Hälf­te der Welt­be­völ­ke­rung lebt mitt­ler­wei­le im urba­nen Raum. Daher gehe es auch um eine Reinte­gra­ti­on von Natur in ein städ­ti­sches Umfeld. Da müs­se man sich auch mit der Gene­rie­rung von hybri­den Sys­te­men – die Kom­bi­na­ti­on aus von Men­schen geschaf­fe­nem und urba­nem Natur­raum – bemü­hen. Kon­zep­te, wo ver­sucht wird, leben­de Orga­nis­men in die Archi­tek­tur zu inte­grie­ren, wer­den zuse­hends inter­es­san­ter. Das hat aber nicht nur mit der Mate­ri­al­struk­tur zu tun, son­dern auch mit der Nah­rungs­mit­tel­her­stel­lung. „Urban farming“-Konzepte ver­schnei­den sich immer mehr mit Archi­tek­tur aber auch der Stadtplanung.

Mikro­or­ga­nis­men mit geziel­ten Funktionen

Weit über die Bio­nik hin­aus wür­den zudem die neu­es­ten Ent­wick­lun­gen der syn­the­ti­schen Bio­lo­gie auch in der Archi­tek­tur und dem Bau­we­sen zuse­hends eine Rol­le spie­len: Man gestal­tet – vor allem – Mikro­or­ga­nis­men nach der gewünsch­ten Funk­tio­na­li­tät. So wer­de an Kon­zep­ten geforscht, wie Mikro­or­ga­nis­men durch Kalk­ab­la­ge­run­gen Böden trag­fä­hi­ger machen kön­nen (Bio­cal­ci­fi­ca­ti­on). Das ist noch ein jun­ges For­schungs­ge­biet, das für die Wis­sen­schaf­te­rin viel­ver­spre­chend klingt und gut funk­tio­niert. „Erkennt­nis­se, die aus der Mikro­bio­lo­gie und vor allem aus der syn­the­ti­schen Bio­lo­gie her­vor­ge­hen wer­den, wer­den auch auf das Bau­we­sen revo­lu­tio­när ein­wir­ken“, glaubt Gruber.

Der­zeit ist man aber fast aus­schließ­lich im For­schungs­sta­di­um. So gibt es etwa das EU-Pro­jekt „Fun­gar“, das inter­dis­zi­pli­när dar­auf abzielt, „ein voll­stän­dig inte­grier­tes struk­tu­rel­les und leben­des Sub­strat unter Ver­wen­dung von Pilz­my­zel für den Ein­satz in der Archi­tek­tur und Infor­ma­ti­ons­tech­no­lo­gie zu ent­wi­ckeln“. Ein Kon­sor­ti­um aus ver­schie­de­nen For­schungs­ein­rich­tun­gen untersucht,ob und inwie­weit Pil­ze Strom und/oder Infor­ma­ti­on in Gebäu­den wei­ter­lei­ten kön­nen. Gru­ber hat in meh­re­ren Pro­jek­ten selbst mit Mycote­ri­als gear­bei­tet, um sich einer Umset­zung in Pro­jek­te und Pro­duk­te anzunähern.

Mycote­ri­als

 

Petra Gru­ber wer­tet der­zeit außer­dem Mate­ri­al­tests mit Pilz­ma­te­ria­li­en (Mycote­ri­als) aus. In Ohio (USA) wer­den durch die Land­wirt­schaft regel­mä­ßig die Gewäs­ser, vor allem der Erie­see als wich­tigs­ter Süß­was­ser­spei­cher der Regi­on, über­düngt, wodurch es jähr­lich im Som­mer zu einer Algen­blü­te und zur Bil­dung toxi­scher Mikro­or­ga­nis­men und Fisch­ster­ben kommt. Dem wird begeg­net, indem geeig­ne­te Schilfs­or­ten gepflanzt wer­den, um damit Dün­ge­mit­tel aus dem Was­ser her­aus­zu­fil­tern und im Pflan­zen­ma­te­ri­al zu speichern.

 

„Wir haben die­se Grä­ser als Sub­stra­te zur Her­stel­lung der Mycote­ri­als ver­wen­det. Uns ging es dar­um, die Dün­ge­stof­fe, die aus dem Was­ser gezo­gen wur­den, lang­fris­tig in dem Mate­ri­al zu bin­den. Wir kön­nen damit den Schad­stoff­ein­trag in den Res­sour­c­en­zy­klus zumin­dest wesent­lich ver­zö­gern. Damit wird auch der Schilfan­bau einer wei­te­ren sinn­vol­len Nut­zung zuge­führt“, fasst Gru­ber zusam­men. Kon­kre­te Ergeb­nis­se der Mate­ri­al­tests wer­den der­zeit zusam­men­ge­fasst und bald veröffentlicht.

„Living archi­tec­tu­re“

„Die Archi­tek­tur bewegt sich immer mehr in die Rich­tung ‚living archic­tu­re”“, so Gru­ber, die die­sen Ansatz schon in ihrer Dis­ser­ta­ti­on 2008 pos­tu­liert hat. Dabei wür­den aber auch Pro­ble­me auf die Bran­che zukom­men, die man im Bau­we­sen über­haupt nicht haben will. „Man will es nicht feucht im Haus, man will kei­ne Pil­ze, man will eine sehr kon­trol­lier­te Umge­bung.“ Da sei noch nicht ganz klar, wie das zusam­men­pas­sen kann. Das wer­de der­zeit von Pro­jekt zu Pro­jekt neu verhandelt.

Nicht zu ver­nach­läs­si­gen sei auch der ethi­sche Aspekt, wenn man leben­de Orga­nis­men in Gebäu­de inte­griert: „Darf man die Algen aus dem Bio­re­ak­tor ein­fach in den Kanal ent­sor­gen? Wie wird die Umwelt durch die­se Pro­jek­te beein­flusst? Wohin streu­en Pilz­spo­ren? usw.“ Eine Rei­he an neu­en Fra­ge­stel­lun­gen, die (noch) nicht leicht beant­wor­tet wer­den kön­nen, aber wohl wer­den müs­sen, wenn man der­ar­ti­ge Ideen real umset­zen möchte.

Bis neue Bau­stof­fe, die z.B. auf Pil­zen basie­ren, beim End­kun­den ankom­men, müs­sen eini­ge Hür­den genom­men wer­den. „Schafft man das, dann wird auch die Akzep­tanz für zer­ti­fi­zier­te Pro­duk­te, die im Bau unbe­denk­lich ein­ge­setzt wer­den kön­nen, geschaf­fen sein“, glaubt Gru­ber: „Letzt­lich kommt es auf die Umset­zung der­ar­ti­ger neu­er Tech­no­lo­gien an.“

Wal­flos­sen und Windräder

Meist wird das Gelern­te als Gege­ben hin­ge­nom­men und sel­ten hin­ter­fragt. Zum Bei­spiel Rotor­blät­ter von Wind­rä­dern: Bis­her wur­den sie aero­dy­na­misch mög­lichst flach kon­stru­iert. Das war so gut wie einzementiert.

Ein Wis­sen­schaf­ter­team aus Kana­da und den USA schlägt aber eine Form ange­lehnt an die Flos­sen von Pott­wa­len vor. Trotz der rela­tiv klei­nen Flos­sen kön­nen sich die extrem schwe­ren Tie­re im Was­ser schnell, wen­dig und effi­zi­ent bewe­gen kön­nen. Dafür ver­ant­wort­lich sind Nop­pen an den vor­de­ren Enden der Flos­sen, haben die For­scher her­aus­ge­fun­den. Das Prin­zip wur­de schließ­lich für Rotor­blät­ter von Wind­rä­dern adap­tiert, was zu mehr Effi­zi­enz führ­te. Die Wis­sen­schaf­ter wur­den dafür mit dem Euro­päi­schen Erfin­der­prei­ses 2018 des Euro­päi­schen Patent­amts aus­ge­zeich­net. „Das ist ein gutes Bei­spiel dafür, Alt­her­ge­brach­tes zu hin­ter­fra­gen und Neu­es zu den­ken, sich vom Stand der Tech­nik zu lösen“, erklärt Lukas Zeilbau­er von der TU Wien, Insti­tut für Archi­tek­tur­wis­sen­schaf­ten Trag­werks­pla­nung und Inge­nieur­holz­bau (ITI). Wenn der Effi­zi­enz­ge­winn bei einem Wind­rad auch nur bei einem hal­ben Pro­zent lie­gen soll­te, sei das glo­bal hoch­ge­rech­net eine enor­me Ein­spa­rung, weist er auch auf den wohl zen­trals­ten öko­no­mi­schen Aspekt hin.

Von der Wal­flos­se zum Windrad

Vom Vor­bild …

… über die Berechnung …

… bis hin zum Ergebnis.

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