Käferflügel inspirieren Architekten

Tiere und Pflanzen haben Lösungen für alle möglichen Probleme im Laufe der Evolution entwickelt. Darum lassen sich auch Ingenieure gern von der Natur inspirieren. Bionik heißt dieses Forschungsfeld. Jetzt hat ein Team unter Leitung von Architekten der Universität Stuttgart sich bei Flugkäfern eine neue Leichtbaumethode abgeschaut. 

Alle anderthalb Jahre bauen Architekten und Ingenieure der Universität Stuttgart auf dem Campus einen Forschungspavillon, an dem sie ein neues bionisches Konstruktionsprinzip entwickeln und ausprobieren. Ihre neueste Kreation erinnert auf den ersten Blick an einen Schildkrötenpanzer. Ein Dach aus 36 riesigen Waben überwölbt eine Fläche von 50 Quadratmetern. Das Besondere: Es wiegt weniger als ein Kleinwagen – gerade einmal knapp 600 Kilogramm. Die Idee für die Leichtbauweise stammt aus der Natur, allerdings nicht von Schildkröten, sondern von Käfern, sagt Moritz Dörstelmann vom Institut für computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart. "Wir haben uns speziell Faserverbundstrukturen in der Natur angeschaut und haben festgestellt, dass besonders bei den flugfähigen Käfern interessante Leichtbauprinzipien zu finden sind, die speziell hinsichtlich materialsparender Konstruktionsformen in der Architektur für uns interessant waren." Die Käfer haben vier Flügel, von denen aber nur zwei zum Fliegen taugen. Die äußeren beiden Flügel sollen gegen Feinde schützen. Sie bestehen aus einem Chitinpanzer. Der muss stabil sein, gleichzeitig aber leicht, damit die Käfer noch fliegen können.

Um herauszufinden, wie die Natur das konstruiert hat, haben die Forscher die Panzerflügel verschiedener Käfer von Mikrotomografie und Rastermikroskopaufnahmen untersucht. Dabei haben sie festgestellt, dass die Flügel aus einer Ober- und einer Unterschale bestehen, die wie mit flachen Waben untereinander verbunden sind. Wo sich die Waben berühren, sorgen Fasern aus Chitin für die Festigkeit. Dazwischen sind die Flügel hohl. Die Aufnahmen haben eine ganze Reihe weiterer Funktionen gezeigt, die für den Käfer wichtig sind, für die Architekten aber uninteressant. "Man findet immer eine enorme Komplexität in natürlichen Strukturen und muss dann wirklich die Reduzierung auf das zu Grunde liegende Funktionsprinzip schaffen, in Korporation mit dem Biologen wirklich herausfinden: Was ist der funktionale Aspekt an dieser Struktur und den dann technisch übertragen."

Die Konstruktionsprinzipien aus den Käferflügeln haben Moritz Dörstelmann und seine Kollegen in eine Software zum Entwickeln von Gebäuden übertragen. Für die Konstruktion ihres Leichtbau-Pavillons haben sie auf die beiden Flügelschalen verzichtet. Sie verwenden lediglich die Waben, wie sie sie von den Käfern abgeschaut haben. Die Arbeit mit dem Programm schränkt die Architekten bei der Gestaltung ziemlich ein. Denn der Computer gibt viele Formen vor, damit das fertige Gebäude überhaupt nach der Käfermethode gebaut werden kann. "Das Potenzial, diese Strukturen in Architekturanwendungen zu übertragen, eröffnet sich eigentlich jetzt gerade erst durch die fortschreitende Entwicklung von digitaler Fertigung und auch digitalen Entwurfstechniken." Zwei Roboter bauen die einzelnen Element in einer Halle nach den Vorgaben aus dem Computer. Jede Wabe ist ein Einzelstück. Es besteht aus zwei sechseckigen Stahlrahmen, zwischen denen mehrere Kilometer Glas- und Karbonfasern hin- und hergewickelt sind. Die Schnüre sind in Kunstharz getränkt. Härtet es aus, behält das Element seine Form und wird stabil. "Das Interessante jetzt dabei ist, um besonders materialsparend zu konstruieren, dass die Kraftflüsse wirklich in jedem Bauteil unterschiedlich sind, dem Roboter ist es erst mal grundsätzlich egal, ob er zehn Mal das gleiche Bauteil wickelt oder zehn unterschiedliche Bauteile macht." Von der Seite betrachtet erinnern die Elemente an breite Schnürmieder. Von oben an windschiefe Bienenwaben, an deren Wänden Honig klebt. "Das größte Bauteil, was wir hergestellt hatten, hat den Durchmesser von 2,60 Meter und wog 24 Kilogramm. Nach Vorschriften auf der Baustelle darf das ein Bauarbeiter noch mit einer Hand durch die Gegend tragen. So ein Bauteil hängt normalerweise, wenn man es aus Stahl oder Beton baut, am Kran." Auf den konnten die Ingenieure beim Bau komplett verzichten. Sie mussten die einzelnen Elemente lediglich zusammenschrauben. Dafür reichten Leitern.

Quelle: Joachim Budde, Deutschlandfunk – Forschung aktuell