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Faserverbundpavillon 2012 in Stuttgart nach dem Außenskelett des Hummers

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Ausgabe 3/2016

Hummerschalen und Käferflügel

Bionik in Architektur und Ingenieurbau

Die Natur bringt Formen hervor, die von Überfluss zeugen. Die dafür nötigen Strukturen sind allerdings höchst effizient. Dieses Prinzip auf Bauwerke aller Art zu übertragen, ist das Ziel zahlreicher Forscher.

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Ein Hummer ist für Gourmets eine wahre Delikatesse. Bei einem Forscherteam der Universitäten Stuttgart und Tübingen kam er allerdings nicht auf den Teller, sondern unter das Rasterelektronenmikroskop. Denn die harten und weichen Bereiche seines Außenskeletts, die aus unterschiedlich angeordneten Fasern bestehen, hatten es dem Team angetan. Unterstützt von wissenschaftlichen Mitarbeitern und Professoren untersuchten sie den strukturellen Aufbau des tierischen Vorbildes und abstrahierten ihn so, dass daraus eine ganz neue Möglichkeit der faserbasierten Konstruktion entstand. Der damit realisierte Pavillon glich dem Hummer optisch nicht im Geringsten. Doch genau darum geht es beim bionischen Bauen: natürliche Vorbilder nicht zu kopieren, sondern zu abstrahieren und ihre Vorteile zu nutzen.

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Pavillon 2014/15 in Stuttgart: die Faserverbundschale hat die Luftblase einer Wasserspinne als Vorbild

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Die Natur kann uns Menschen gerade in Zeiten knapper werdender Rohstoffe vieles lehren, verwendet sie ihre Baustoffe doch meist bestmöglich. Dafür sind die Formen oftmals umso spektakulärer. „Material kostet, Form kostet nichts!“, erklärte Tobias Schwinn, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand an der Universität Stuttgart, kürzlich diese Vorgehensweise der Natur. Dass Architekturbionik enormes Potenzial birgt, zeigt sich unter anderem auch in einer Richtlinie, die der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) eigens zum Thema Bionik in Architektur, Ingenieurbau und Industriedesign veröffentlicht hat. Darin geht es um bionische Methoden „für die Entwicklung und die Gestaltung von Architektur, Ingenieurbauten und Produkten“ ebenso wie um die interdisziplinären Teams, denen meist Architekten, Bauingenieure und Biologen angehören.

Die Natur kann uns Menschen gerade in Zeiten knapper werdender Rohstoffe vieles lehren.

So gut sie sich mit ihren verschiedenen Fachkenntnissen ergänzen, so schwierig kann es sein, eine gemeinsame Sprache zu finden. Denn Professor Jan Knippers von der Universität Stuttgart, der die Richtlinie mit erarbeitet hat, weiß aus eigener Erfahrung: „Biologen, Architekten und Ingenieure verwenden und verstehen den gleichen Begriff manchmal völlig anders.“ So bedeutet „Robustheit“ in den Ingenieurwissenschaften die Fähigkeit einer Konstruktion, unvorhergesehenen Beanspruchungen zu widerstehen. Die Biologen verwenden den Begriff hingegen für Arten, deren grundlegenden Eigenschaften über lange evolutionäre Zeiträume unverändert bleiben. Doch diese Hürden lassen sich meistern, um dann die großen Vorteile des bionischen Bauens nutzen zu können.

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Pavillon 2015/16: Struktur nach Vorbild des Sanddollars, einer Unterart des Seeigels

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Auf dieses Ziel arbeiten die Forscher hin. Derzeit liegen die Fortschritte allerdings eher noch im Kleinen. So entwickelte Madlen Deniz im Rahmen ihrer Diplomarbeit an der Kunsthochschule Berlin-Weißensee die adaptive „Chamäleon-Membran“. Sie kooperierte dazu im Rahmen des Projektes „smart³ | materials – solutions – growth“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden. „Unsere Membran reagiert eigenständig auf die Temperatur der Fassade und verändert dadurch ihre Lichtdurchlässigkeit und Farbintensität – und das ganz ohne externe Energieversorgung“, erläutert Deniz die Funktionsweise. Dadurch bleibt es in den Innenräumen kühler, das Arbeitsklima angenehmer und Energie lässt sich auch noch einsparen.

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Beim Stuttgarter „Hummer-Pavillon“ war es dem Team gelungen, das Außenskelett des tierischen Vorbildes mit seiner optimierten Faseranordnung so zu abstrahieren, dass die Schale des Pavillons mit acht Metern Durchmesser und 3,5 Metern Höhe am Ende schlanke vier Millimeter maß. Die Positivform, die normalerweise bei Faserverbundstoffen nötig ist, konnte auf ein Stahlgerüst mit einzelnen Stäben minimiert werden. Diese gewickelte Faserverbundbauweise, die erst einmal sehr eigenwillig aussehen mag, wurde in den letzten Jahren und mit Hilfe der Struktur der Deckflügelschalen flugfähiger Käfer zu einem museumsreifen Bauwerk weiterentwickelt. Der „Elytra Filament Pavilion“, der aus verschiedenen, komplett robotisch gefertigten Glas- und Carbonfaserelementen besteht, schmückt seit Mitte Mai den Garten des Victoria and Albert Museums in London. Und wer Ende September zufällig vor Ort ist, kann sogar live erleben, wie weitere Teile des Pavillons entstehen.Simone Hübener

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