Strelitzie und Wasserrad als Vorbilder

Auf Flectofin® folgt Flectofold: Das Team der Plant Biomechanics Group am Botanischen Garten der Universität Freiburg hat sich zunächst von der Paradiesvogelblume, dann vom Wasserrad inspirieren lassen – und auf dieser Grundlage eine neuartige Fassadenverschattung entworfen und nochmals verbessert.

Blätter mit Schnappfallen: Der Mechanismus, mit dem das fleischfressende Wasserrad seine Beute fängt, hat Freiburger Forschern einen Weg aufgezeigt, ihre bionische Fassadenverschattung weiterzuentwickeln.
Foto: Plant Biomechanics Group

Glaspaläste prägen viele moderne Metropolen: Große Fensterfronten lassen Sonnenschein hinein und erzeugen eine lichte Atmosphäre. Doch Sonnenlicht bringt Hitze mit. „Die Klimatisierung von Gebäuden kostet enorm viel Energie“, sagt der Biologe Dr. Simon Poppinga. Darum sollen Rollos aller Art die Wärme aussperren. „Herkömmliche Fassadenverschattungen gehen aber leicht kaputt“, sagt Prof. Dr. Thomas Speck, Leiter der Plant Biomechanics Group und des Botanischen Gartens der Universität Freiburg. Speck und Poppinga sind Bioniker: Sie holen sich Inspiration aus der belebten Natur und entwickeln so technische Anwendungen – etwa bionische Fassadenverschattungen. Die sind störungs- und damit wartungsfreier als herkömmliche und lassen sich zudem prima an gekrümmte Fassaden anpassen.

Gewicht des Webervogels öffnet Blüten

Erste Ideengeberin war die südafrikanische Paradiesvogelblume oder Strelitzie. Bei ihr bilden je zwei Blütenblätter eine Art Schiffchen. In diesem befinden sich Pollen und an der Basis süßer Nektar. Letzterer lockt Leckerschnäbel wie den Webervogel an. „Um an den Nektar zu kommen, setzt sich der Vogel auf die Blütenblätter, die durch sein Gewicht dann seitlich wegklappen“, sagt Poppinga. Das Schiffchen öffnet sich, der Weg zum Nektar ist frei. Beim Fressen bleibt an den Füßen des Vogels Pollen haften, den er zur nächsten Blüte trägt – und sie bestäubt. Poppinga, der mittlerweile Gruppenleiter ist, fand in seiner Doktorarbeit heraus: Jedes Blütenblatt besteht aus verstärkten Rippen, die durch dünne Membranen verbunden sind. Die Rippen biegen sich unter der Last des Vogels, woraufhin die Membranen automatisch zur Seite klappen. Für Anwendungen abstrahieren Bioniker natürliche Vorbilder, betont Poppinga: „Wir haben die Blütenblätter nicht eins zu eins nachgebaut.“

Die Paradiesvogelblume war Ideengeberin für Flectofin, die erste bionische Verschattung, die Biologen der Universität Freiburg entwickelt haben.
Foto: JuergenL/Fotolia

Fassadenverschattung ohne Scharniere

Übliche Verschattungen bestehen aus steifen Elementen, oft etwa aus waagerechten Lamellen, die über Gelenke miteinander verbunden sind, um den Lichteintrag regulieren zu können. „Da gibt es viele Scharniere, die leicht blockieren“, sagt Poppinga. Lamellen können verkanten und reißen. Solche Schwachstellen kennt die bionische Fassadenverschattung Flectofin® nicht. Bei ihr stehen viele Stäbe, die von den Rippen des Strelitzien-Blütenblatts abgeleitet sind, senkrecht nebeneinander. Beidseitig tragen sie Membranen, die vom Prinzip her als Lamellen dienen: Zum Abdunkeln klappen sie in die Räume zwischen die Stäbe hinein. Die Verschattung schließt sich, wenn die Stäbe hydraulisch verbogen werden, ähnlich wie das Gewicht des Webervogels die Blütenblätter der Strelitzie biegt. „Der Mechanismus ist umkehrbar, weil die Stäbe und Membranen flexibel sind“, sagt Poppinga. Lässt der Druck auf die Stäbe nach, flutet wieder Licht in die Räume.

Funktionales, verlässliches Prinzip

Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Lamellen sind offensichtlich: An senkrechten Membranen sammelt sich weniger Schmutz. Flexible Stäbe und Membranen sind widerstandfähiger als steife, Material und Steuerung sind einfacher. Gelenke und Scharniere gibt es keine. „Das Prinzip ist funktional und verlässlich“, sagt Speck. Vollends zufrieden waren Poppinga und Speck mit Flectofin® trotzdem nicht. „Der Klappmechanismus benötigt relativ viel Kraft“, begründet Speck. Jetzt kamen zwei neue Akteurinnen ins Spiel – das Wasserrad, eine fleischfressende Pflanze, die unter Wasser wächst, und die Biologin Anna Westermeier, die dem Sonnentaugewächs für ihre Doktorarbeit nutzbare Geheimnisse entlocken sollte. „Die Pflanze ist der Knaller“, findet sie.

Das Wasserrad trägt seinen Namen aufgrund der Blätter, die wie Speichen an einem Rad abstehen.
Foto: Plant Biomechanics Group

Gelüftete Geheimnisse schneller Schnappfallen

Das Wasserrad, auch Wasserfalle genannt, ähnelt einer Venusfliegenfalle auf Tauchgang. „Beide haben sehr schnelle Schnappfallen“, sagt Westermeier. „Nur sind die vom Wasserrad viel kleiner – gerade drei Millimeter groß.“ Genug, um damit Wasserflöhe zu fangen und zu verspeisen. Das Wasserrad ist extrem schwer zu kultivieren, und seine Fallen schnappen auch bei kleinsten Störungen zu. Also entwickelte Westermeier einen speziellen Versuchsaufbau für die empfindsame Pflanze. „Ab da konnten wir unter kontrollierten Bedingungen 3-D-Aufnahmen vom Schnappmechanismus machen“, erzählt die Biologin. Die erforderliche Apparatur füllte ein komplettes Zimmer aus. Doch damit ließ sich erstmals das Schnappen in allen Einzelheiten studieren. Wasserradfallen bestehen aus einem einzigen Laubblatt mit sensiblen Härchen. Sobald ein Unglücksfloh diese berührt, biegt sich die Mittelrippe des Laubblatts minimal nach unten durch und die Seitenteile des Blattes klappen ein: Falle dicht – Floh geschnappt.

Die neue Fassadenverschattung  Flectofold lässt sich leichter an gebogene Flächen anpassen als sein Vorgänger Flectofin®.
Fotos: ITKE & ITFT

Noch eleganter und freier formbar als der Vorgänger

„Um eine so große Bewegung zu erzeugen, braucht es erstaunlich wenig Kraft“, sagt Speck. Die Falle schließt sich schnell und gleichmäßig. Die Abwandlung des Funktionsprinzips führte zur bionischen Fassadenverschattung Flectofold. Prototypen „im finalen Teststadium“, so Speck, sind bereits gebaut. Im Vergleich zum Vorgänger punktet Flectofold mehrfach: Material und Robustheit verlängern die Lebensdauer und verbessern die Ökobilanz. Die Verschattung ist eleganter und freier formbar. „Sie lässt sich noch leichter an gebogene Flächen anpassen“, freut sich Speck, dessen Arbeitsgruppe einschließlich der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Botanischen Garten etwa 45 Personen umfasst. „Ich wünsche mir, dass bald viel mehr bionische Produkte erhältlich sind“, sagt der Bioniker: „Ich will die Schönheit der Natur in Produkte übertragen.“

Jürgen Schickinger

Partner

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Speck betreibt biologische Grundlagenforschung. Für Simulationen, Material, Design und Herstellung der bionischen Fassadenverschattungen waren andere zuständig:

Das Strelitzien-Prinzip wuchs in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Markus Milwich vom Institut für Textil- und Verfahrenstechnik der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) Denkendorf und von Prof. Dr. Jan Knippers von der Universität Stuttgart zur Verschattung Flectofin heran. Flectofin® hat mehrere Preise gewonnen.

Flectofold entstand im Sonderforschungsbereic/ Transregio „Biologisches Design und Integrative Strukturen“. An der Umsetzung zum Produkt waren Jan Knippers, Prof. Dr. Götz T. Gresser, Leiter des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik der DITF Denkendorf, und Prof. Dr. Manfred Bischoff von der Universität Stuttgart und ihre Arbeitsgruppen beteiligt. Beim Innovationspreis 2017 der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe hat Flectofold den dritten Platz in der Kategorie „Forschung/Wissenschaft“ belegt.