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<em>Heute:</em> Technik aus der Natur

Sie hasst 1:1-Übertragungen, sie liebt die Abstraktion. Sie taucht nicht in Patenten auf, und wie viel sie einbringt, weiß auch niemand so richtig. Aber sie schafft es sehr erfolgreich, Wissenschaftler und Unternehmen zusammenzubringen. Willkommen in der Welt der Bionik.




"Hier findet Bionik statt", sagt Reinhard Mundl und zeigt in die Runde. Der Leiter der Profilmechanik beim Reifenhersteller Continental sitzt in seinem kleinen Büro, auf der Fensterbank steht eine Riesenflasche " Heidi Blumendünger" für die drei Zimmerpflanzen, an eine Tafel hat er kreuz und quer dutzende Formeln geschrieben. "Das ist mir bei Besprechungen lieber, als mit der Maus auf einem Computerbildschirm herumzufahren", sagt der 57-jährige Österreicher.

Bei Continental arbeiten rund 600 Entwickler. Mundl ist einer der wenigen von ihnen, die sich auch mit der Bionik beschäftigen. Mehrere der Projekte, die Prinzipien aus der Natur auf technische Anwendungen übertragen, erregten in den vergangenen Jahren Aufsehen. Für den Winterreifen ContiWinterContact TS 780 schaute sich der Ingenieur die Füße des Baumfrosches an, der munter über rutschige Blätter klettern kann, weil ihn wabenförmige Lamellen auf den Fußunterseiten in alle Richtungen abstützen. Sechseckige, unterschiedlich flexible Einschnitte ins Gummi: eine gute Idee für ein Reifenprofil. Von der Idee bis zur Umsetzung dauerte es allerdings fünf Jahre. 1997 kam das Patent, im Jahr 2000 der Reifen - bis dahin schnitzten Konstrukteure die Wabenform in Prototypen, fuhren Testfahrer Probeläufe, arbeiteten die Profildesigner an einem schlüssigen und gut verkäuflichen Muster. Continental brachte außerdem einen Pneu heraus, der sich beim Bremsen wie eine Katzenpfote bei der Landung verbreitert. Und Spinnennetze inspirierten die Gummimischung eines weiteren Modells, das mit harten und weichen Elementen für den nötigen Griff auf der Straße und Stabilität sorgt.

Weil Mundl immer zwischen Zielkonflikten wandelt - ein Reifen kann auf Schnee nicht genauso wie auf trockener Straße reagieren - ist ihm die Bionik so lieb. "Sie hilft beim Blick über den Tellerrand." Das ist gerade in einer Branche wie der Reifenindustrie wichtig, die seit mehr als hundert Jahren ein ähnliches, wenn auch stetig verfeinertes Produkt wie den Profilreifen anbietet. Die Bionik hat es hier zwar nicht einfach, sagt Mundl, "weil sich in jungen Branchen innovative Technologien viel schneller durchsetzen". Aber sie öffnet die Augen.

Der ganz in Schwarz gekleidete Ingenieur beschäftigte sich Anfang der neunziger Jahre zum ersten Mal mit dem Thema. Damals arbeitete er beim Reifenhersteller Semperit in Österreich, einer Tochterfirma der Continental. Als gelernter Maschinenbauingenieur und ehemaliger wissenschaftlicher Assistent an der Technischen Universität Wien suchte er Biologen, "die ihre Trickkiste aufmachen wollten". Wie schwierig so eine Zusammenarbeit in der Realität ist, zeigt ein Papier, das Mundl hervorzieht. "Das ist gerade gekommen, unser neues Patent." Die Idee dazu stammt aus einem gemeinsamen Workshop mit einem der Begründer der Bionik-Forschung, Werner Nachtigall.

Bionik ist ein lukratives Gebiet: Allem der Lotus-Effekt bat bis heute 200 Patente gebracht Es geht um Blütenknospen, deren verschachtelte, stilisierte Form Mundl auf Reifen übertragen will, "für Grip im Schnee ohne schwammiges Fahrverhalten auf trockener Fahrbahn". Die Versuche waren erfolgreich, " zwei Prozent mehr Schneetraktion, ein riesiger Schritt in Entwicklermaßstäben". 1999 ging das Projekt in das Patentverfahren, sechs Jahre später könnte Continental nun starten. Könnte. Denn momentan ist das Projekt gestoppt. "Es geht nicht immer so glatt wie im Modell", sagt Mundl, "eine Funktionalität festlegen, in der Natur suchen, eine Studie machen, den natürlichen Mechanismus verstehen und auf die Produktion umsetzen: Manchmal endet der Prozess schon ganz früh." Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unternimmt seit einigen Jahren Schritte, die Mundl und seine Ingenieurskollegen in den Firmen entlasten könnten. "Bionik ist eine hochinteressante Quelle für Innovation und nachhaltige Technologielösungen und ein wichtiges Forschungsthema für uns, zum Beispiel in der Material- und Nachhaltigkeitsforschung, der biologischen Forschung oder der Informationstechnologie", sagt Karl Wollin. Insgesamt 30 Millionen Euro addiert der Regierungsdirektor für die Bionik in den einzelnen Fachprogrammen des BMBF in den Jahren 2002 bis 2007.

Den größten Brocken nimmt das Bionik-Kompetenznetz Biokon ein, das nach einer Anfangsförderung von 2,3 Millionen Euro mit nunmehr 21 Partnern bis 2007 läuft und mit sechs Millionen Euro unterstützt wird. Anschließend soll sich Biokon durch Forschungsvorhaben und Forschungsaufträge aus der Industrie tragen. 30 Machbarkeitstudien aus 150 Ideenskizzen liefen im vergangenen Jahr, zudem initiierte das Ministerium mit einer Million Euro den Ideenwettbewerb "Innovationen aus der Natur".

Vielleicht kommt ein neuer Lotus-Effekt dabei heraus, das wohl bekannteste bionische Prinzip: Der Bonner Botaniker Wilhelm Barthlott publizierte 1977, dass Pflanzen wie die Lotusblume durch Mikrostrukturen und Wasser abstoßende Wachse auf ihren Oberflächen ständig sauber bleiben. Schmutz kann sich nicht festsetzen, der nächste Regen spült ihn ab. Hört sich einfach an, ist in der Wirklichkeit aber viel komplizierter.

Immerhin haben die Bonner und ihre Kooperationspartner aus der Wirtschaft inzwischen "zur Herstellung und Verwendung von selbstreinigenden Oberflächen nach dem biologischen Vorbild zirka 200 Patente weltweit angemeldet", sagt Barthlott, dazu gehören die Degussa AG oder der Dachziegelhersteller Erlus, der nach eigenen Angaben das "erste selbstreinigende Tondach der Welt" anbietet. Die Sto AG nutzt ebenfalls den Effekt für die "Fassadenfarbe Lotusan, ein wirtschaftlich erfolgreiches Produkt", erklärt deren Sprecher Till Stahlbusch. Zur Außenfarbe kommt nun der Lotusan-Putz hinzu, ein zweites bionisches Produkt.

Wie viel die Unternehmen mit der Technologie verdienen, sagen sie nicht. Barthlott schätzt "die Umsätze, die allein mit unserer selbstreinigenden Technologie derzeit erzielt werden", auf mehr als zehn Millionen Euro jährlich. Umsatzerwartungen, Einsparpotenziale oder Gewinnaussichten sind rar gesät, auch deswegen, weil die Bionik schwer zu fassen ist. Sie ist eine Wissenschaft der Kooperation, und selbst die Patente geben keinen Aufschluss über die Breite des Themas, an dem viele, überaus engagierte Wissenschaftler in Deutschland forschen und arbeiten. Patentiert werden technische Verfahren oder Strukturen, nicht ein Konzept - "und niemand wird sich als Erfinder hinstellen und sagen, dass eigentlich die Natur seine Idee hatte", sagt der Biokon-Koordinator Rudolf Bannasch, dessen Firma Evologics mittlerweile sechs Patente angemeldet hat.

Das Potenzial der abstrahierten Prinzipien aus der Natur schätzt Bannasch als gewaltig ein, "und immer mehr Unternehmen identifizieren sich mit der Bionik". Das Netzwerk hilft dabei unter anderem mit Workshops, in denen sich Finnen und Forscher treffen. "Da kommen dann manchmal ganz gewöhnliche Dinge auf den Tisch: Fragen nach Haushaltstüchern, die Schmutz aufnehmen, aber leicht wieder abgeben, wenn sie gereinigt werden, oder nach Oberflächen, die nicht zerkratzen", erklärt Bannasch. "Wir brauchen allerdings noch mehr Unternehmen, die ihre Anforderungen klar definieren, damit wir mit unseren Forschungen an der richtigen Stelle ansetzen können." Solche Treffen organisiert auch Antonia Kesel. Die Professorin leitet den weltweit einzigen Studiengang Bionik an der Hochschule Bremen und ist ebenfalls Mitglied bei Biokon. Bisher waren die Bioniker vor allem mit den Grundlagen beschäftigt, sagt die Professorin, "jetzt geht es in die Anwendung". Das wird auch Zeit, denn Antonia Kesel möchte dem Druck aus der Politik, der wegen zu langer Transferzeiten entsteht, etwas entgegensetzen.

Neben Wissenschaftlern und Mitarbeitern von Werften, die sich für Antifouling-Forschung interessieren - sie suchen ein Mittel gegen den klebrigen Bewuchs von Schiffen durch Seepocken, Muscheln oder Algen, die den Wasserwiderstand um etwa 15 Prozent erhöhen - nimmt auch Klaus Sienzka von der OHB-System AG am ersten Marine-Bionik-Treffen in Bremen teil. "Wenn man haltbaren und ungiftigen Klebstoff aus der Natur hätte, bräuchte man keine Nietenzange mehr ins All mitnehmen", sagt der Wissenschaftler des Bremer Unternehmens, das unter anderem für die Internationale Raumstation ISS tätig war. "Eine Tube Klebstoff würde reichen." Bionik verbindet wissenschaftliche Disziplinen und befriedigt gegensätzliche Interessen So treffen sich scheinbar gegensätzliche Interessen, Klebelöser versus Klebe, bei denen vielleicht die Analyse verschiedener biologischer Systeme weiterhelfen kann. Verstehen die Forscher die natürlichen Klebemechanismen der Seepocken, können sie ein effektives Schutzmittel gegen die Meeresbewohner entwickeln. Gleichzeitig forschen andere Wissenschaftler an Insekten oder Spinnen, die dank Flüssigkeiten oder winziger Härchen an glatten Oberflächen haften - dabei könnte ein Leim entstehen, der sich nach Belieben wieder lösen lässt. Die OHB-System AG findet die Forschungen so spannend, dass sie eine Machbarkeitsstudie zum Einsatz von bionischen Erkenntnissen gestartet hat. "Die Raumfahrt ist sehr der Zukunft zugewandt", erklärt Slenzka. "Wir müssen die Trends in der Forschung so früh wie möglich mitbekommen." Perspektiven sieht auch Lothar Harzheim für die Bionik. Dabei hatte der promovierte Physiker mit dem Konzept zunächst gar nichts am Hut, mit seinem Schwerpunkt Kernphysik aber hatte er Ende der achtziger Jahre schlechte Berufsaussichten. Der 48-Jährige bewarb sich am Forschungszentrum Karlsruhe auf eine Stelle "zunächst einmal, um meine Chancen zu verbessern".

Dort traf er auf Professor Claus Mattheck, der das Wachstum von Bäumen beobachtet und festgestellt hatte, dass diese an Stellen stärker wachsen, an denen sich die Belastung, etwa durch Wind, steigert (siehe brand eins 03/2003) - die Spannung innerhalb des Baumes bleibt dadurch optimal verteilt. Harzheim arbeitete sich in das Thema hinein, "ich war schnell fasziniert von dem Gebiet". Die biologischen Kenntnisse brachte er sich selbst bei. "Keiner kann Bionik erforschen, der nur eines ist, Biologe, Ingenieur oder eben Physiker." Nach drei Jahren wechselte Lothar Harzheim 1992 zu Opel nach Rüsselsheim. Dort arbeitete er an der Computer Aided Optimization (CAO), mit der er Maschinenbauteile verbessern wollte. Die Konstrukteure bei Opel waren misstrauisch, weniger gegenüber der Technologie, sie hatten schlicht Angst um ihre Arbeitsplätze. Harzheim lacht, die Sorge war unbegründet: "Für die Fertigung der optimierten Bauteile braucht man besonders gut ausgebildete Konstrukteure." Heute arbeitet er vor allem mit der Soft Kill Option (SKO), mit der er das Innere von Motorhalterungen oder Achsschenkel von überflüssigen Baustoffen befreit. Säugetierknochen, die an dauerhaft unbelasteten Stellen weich werden und schließlich Material abbauen, standen Pate für dieses Verfahren.

Die Erfolge der bionischen Konzepte sind groß. "Wir haben viele Teile optimiert", erzählt Harzheim, "in der Anfangszeit konnten wir 15 bis 25 Prozent des Gewichtes einsparen." Die Motorhalterungen der neuen Opel-Modelle bestehen bis zu zwei Dritteln aus optimierten Werkstücken, in anderen Bereichen des Chassis sind es rund 20 Prozent. Die Gewichtseinsparungen bringen erhebliche Vorteile - 100 Kilogramm reduzieren den Verbrauch eines Wagens um zirka 0,4 Liter auf 100 Kilometern, heißt es im Umweltbericht 1998 von Opel. Die Erfolge der ersten Jahre sind allerdings in diesem Umfang nicht mehr zu wiederholen, sagt der Ingenieur. "Wir optimieren weiter, aber da verfeinern sich natürlich die Bereiche." Doch mit den Methoden der virtuellen Entwicklung stünden nun wichtige Instrumente zur Verfügung, "um vor allem in der Frühphase von Projekten richtungsweisende Entscheidungen zu treffen".

In der Bionik ist Deutschland ganz vom - sowohl in der Forschung wie auch in der Anwendung Weltweit nutzen mehr als hundert Kunden in Industrie und Unternehmen die CAO- und SKO-Programme. Auch Wilhelm Barthlott sieht Deutschland in einer Vorreiterrolle, fast alle Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Konzernen und mittelständischen Betrieben arbeiten demnach an Bionik-Themen. Das BMBF ist ebenfalls optimistisch: " Wir sind davon überzeugt, dass die Bionik die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen entscheidend steigern kann", sagt Karl Wollin. Und: "Wir liegen in bionischer Forschung und Ausbildung mit an der Spitze." Davon profitiert man auch bei Siemens. "Wir nutzen die Bionik als technologisches Konzept in einer ganzen Reihe von Abteilungen", sagt Bernd Utz aus dem Strategischen Marketing der Technologieabteilung, "zum Beispiel bei der Ultraschall-Diagnosetechnik oder bei neuartigen Sensoren, die Airbags für Autos steuern könnten." Nach dem Organisationsvorbild von Wespen und Ameisenstaaten entwickelten die Münchener zudem eine Software, mit der Waren effektiver zum Kunden kommen könnten -in den Pilottests verdoppelte sich fast die Zahl der pünktlichen Lieferungen. "Derzeit bereiten wir nach dem Prinzip Anwendungsmöglichkeiten für andere Geschäftsbereiche bei Siemens vor", erklärt Utz, "bis zur Umsetzung dürfte es aber noch einige Jahre dauern." BMW wendet bionische Erkenntnisse in Forschung, Entwicklung und der Serienproduktion an. Der Automobilhersteller verbessert Bauteile wie Kurbelgehäuse und Motorradfelgen oder die Aerodynamik, arbeitet an Wasser abweisenden Scheibenbeschichtungen oder leitet Metallschaum für den Leichtbau von Knochenstrukturen ab. Konkrete Zahlen nennt Sprecherin Michaela Müller nicht, grundsätzlich aber unterstütze BMW nur Maßnahmen, "die auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll, sind".

Die beiden Unternehmen stellen auch im Deutschen Pavillon bei der Expo 2005 in Japan ihre bionischen Anwendungen aus. Deutschland präsentiert sich dort unter dem Namen "Bionis", die Besucher sollen die Bundesrepublik als "innovative Wirtschaftsnation und sympathisches Reiseland" kennen lernen. Auch andere Fakten zeigen den Stellenwert der Technologie: Die Bionik war Schwerpunktthema auf dem Biologentag 2004 und ist ein Stipendienschwerpunkt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), die 1999 Wilhelm Barthlott mit dem mit 500 000 Euro höchstdotierten Umweltpreis Europas auszeichnete.

In die Welt der Wissenschaftsparks hat es die Bionik ebenfalls geschafft. Das "Zukunftszentrum Mensch - Natur - Technik -Wissenschaft (ZMTW)" in Nieklitz in Mecklenburg-Vorpommern zeigt auf einem 185 000 Quadratmeter großen Freigelände mehr als 400 Anwendungsmöglichkeiten der Bionik und Ökotechnologie, "die wir den Besuchern, aber auch Unternehmern oder Wissenschaftlern vermitteln wollen", sagt Berndt Heydemann. Der ehemalige Umweltminister Schleswig-Holsteins finanziert mit seiner Nicol-Stiftung gemeinsam mit der DBU und dem Land Mecklenburg-Vorpommern den Park, den schon mehr als 50 000 Gäste besuchten - obwohl er noch nicht mal ganz fertig ist.

Das Ideen-Reservoir der Bionik ist unerschöpflich, sagen alle Experten, von den Forschern über die Unternehmen bis zur Politik und den Verbänden. Schließlich setzt das bionische Konzept darauf, dass die Natur in Millionen Jahren Evolution vieles richtig gemacht hat. Mit evolutionären Strategien beschäftigt sich momentan auch Reinhard Mundl bei der Continental - gegen das Aquaplaning kämpft er mit Mutation und Selektion. Er stellt dazu Parameter auf, zum Beispiel die Ausrichtung der Rillen oder die Abstände zwischen den Gummiteilen, und kombiniert sie mit einem Computerprogramm. Ein Zufallsgenerator wählt zehn Kombinationen, die als Prototypen angefertigt und erprobt werden.

Mit den Werten der besten Reifen generiert er neue Zusammensetzungen - mit Änderungen im Millimeterbereich oder Gradunterschieden zwischen 10 und 50. Bis am Ende der perfekte Reifen steht. Gerade beschäftigen ihn die "Voids", die Abstände zwischen den Erhebungen auf den Reifen. Er nimmt einen Modellreifen von seinem Schreibtisch und schaut auf die Rillen. "Auch über die Leere muss man nachdenken", sagt er leise.

Aber das ist nicht nur ein Problem der Bionik.