Lernen vom Wachstum der Knochen und Bäume
Leichtbauweisen gewinnen heute mit zunehmend knapper werdenden Energieressourcen immer mehr an Bedeutung.
In der Natur ist der Leichtbau, also möglichst stabil bei minimalem Materialeinsatz, weit verbreitet. Neben Wabenstrukturen nutzt die Natur zum Beispiel Verbundmaterialien wie beim Perlmutt. Dieses glänzende Naturprodukt ist auf mikroskopischer Ebene aus vielen kleinen Kalkplättchen aufgebaut, die in einer Matrix aus Eiweiß und Chitin eingebettet sind. Beim Einwirken eines Drucks verschieben sich die Kalkplättchen in der weichen Matrix. Somit entstehen keine Risse und das Material ist gegenüber Druck wesentlich beständiger als ein Material aus nur einem Baustoff.
Knochen bauen Material ab, wenn dieses nicht benötigt wird
Knochen von Menschen und Tieren bestehen aus einem lebendigen Gewebe, welches sich den Belastungen optimal anpasst. Belastet man seinen Körper wenig, so baut der Körper Knochengewebe ab. Dies passiert zum Beispiel Astronauten im Weltall. Grund für den Knochenabbau ist das Energiesparen. Der Körper „denkt“ sich, wenn nur wenig Bewegung notwendig ist, dann kann am Knochenbau Energie eingespart werden. Das ist derselbe Prozess, wie bei Hungersnöten. Gibt es wenig Nahrung, baut der Körper eigene Fettreserven ab. Besteht jedoch ein Nahrungsüberangebot, so legen wir uns Fettpölsterchen für „schlechten Zeiten“ an. Knochen arbeiten nach dem selben Prinzip.
Überträgt man dieses Prinzip zum Beispiel auf ein Fahrzeug, heißt dass, je leichter das Gefährt ist, desto weniger Energie verbraucht es. Bei der Methode Soft Kill Option, kurz SKO, entfernt man wenig belastete Bereiche eines Bauteils, um das Gewicht zu verringern. Die SKO-Methode ist ein rechnergestütztes Optimierungsverfahren, welches man auf Computermodelle anwendet. Erfolge erzielte man bislang zum Beispiel im Karosseriebau. Hier „killt“ man am Computer sämtliche Stellen geringer Belastung. Die SKO-Methode kam auch bei der Entwicklung des Bionic Cars zum Einsatz.
Bäume wachsen dort am stärksten, wo Belastungen auftreten
Auch Bäume wachsen, wie sie wollen. Häufig sind sie schief gewachsen – immer dem Licht entgegen. Doch dem Lichtvorteil gegenüber stehen die Belastungen durch Wind und Wetter. Um dem Abbrechen von Ästen oder gar dem Entwurzeln entgegen zu wirken, passen Bäume ihre Wuchsform während des Wachstums dynamisch an die Gegebenheiten an. Grundlage hierzu ist, dass der Stamm unten am breitesten ausgelegt ist und sich nach oben hin verjüngt. Damit kann der Baum auf Stürme ähnlich wie Grashalme im Wind reagieren und dem Winddruck – bis zu einem gewissen Grad – nachgeben. Wäre er überall gleich dick, so würde er, wie ein Zahnstocher bei der leichtesten Brise brechen. Weht der Wind nun häufig aus einer bestimmten Richtung, so passt sich der Baum in seinem Gesamtbild an und wächst in Windrichtung schief.
Um dem Astbruch vorzubeugen, lagern Bäume während des Wachstums an potentiellen Bruchstellen zusätzliches Material an. Durch das Verstärken der hoch belasteten Bereiche wird die Bruchgefahr gemindert. Deshalb sind Äste im Querschnitt oval und nicht rund. Bei einem Ast sind die auftretenden Spannungen an der Ober- und Unterseite am höchsten. Deshalb wird hier mehr Material angelagert. Durch die Materialanlagerung werden die Spannungen gleichmäßiger verteilt, woraus eine höhere Stabilität resultiert. In der Technik verwendet man zur Bauteiloptimierung deshalb die Computer Aided Optimization, kurz CAO, -Methode. Das Computerprogramm lässt Bauteile nach dem Vorbild des Baumwachstums entstehen. Dazu simuliert man die erwarteten Spannungen.
Kombiniert man SKO- und CAO-Methode so erhält man optimal an die späteren Belastungen angepasste Bauteile. Erfolgreich war diese Kombination bei der Optimierung von orthopädischen Schrauben.
Intelligente Bauwerke
Auch in der modernen Architektur setzt man auf Leichtbauweisen und Anleihen aus der Natur. So trägt das Stadion der Olympischen Spiele in Peking, 2008, den Spitznamen „Vogelnest“. Visionäre Ideen gehen in die Richtung intelligenter Bauwerke. Sie sollen nicht mehr nur der Statik genügen, sondern sich situationsabhängig anpassen. So könnten zum Beispiel intelligente Brücken bei hohen Belastungen steifer sein, als in Zeitabschnitten mit weniger Verkehrsaufkommen. Bei seilgestützten Brücken könnte so eine Anpassung über die Länge ihrer Tragseile mit Hilfe computergestützter Pressen automatisch erfolgen.
Erste bewegliche Fußgängerbrücken existieren bereits in Duisburg und Kiel. Andere Beispiele sind ein- und ausfahrbare Dächer von Stadien und Sporthallen.