Thema 5 Das Vorbild Baum sorgt für Stabilitat

aus Die große Show der Naturwunder vom Mittwoch, 29.12.2010 | 20.15 Uhr | SWR Fernsehen

Gebrauchsgegenstände, wie zum Beispiel Fahrradpedale, Gläser o.ä. brechen immer wieder an den gleichen Stellen und gehen dadurch kaputt. Das liegt meistens an der besonderen Belastung der eckigen Kanten. So genannte Schadenskundler bzw. Schadensforscher untersuchen die Stellen des Versagens sehr genau und suchen nach Optimierungen für die Gegenstände. Ein solcher Schadenskundler ist Prof. Dr. Claus Mattheck vom Karlsruher Institut für Technologie.

Er hat sich die Bäume zum Vorbild genommen. Denn die Strukturen von Bäumen folgen nicht biologischen Zufälligkeiten, sondern bestehen aus einem wohlüberlegten System. Wenn Wind und Wetter an den schweren, ausladenden Ästen zerren, brechen diese nicht ab. Und das gelingt dem Baum durch eine angepasste Materialverwendung, wodurch strapazierte Stellen entlastet werden. Das bedeutet, sie bilden an gefährdeten Stellen zusätzliches Material. Es bilden sich Rippen, Wülste und Wurzelanläufe - und dabei entstehen in der Regel 45°-Winkel.

Dieses Prinzip der Bäume lässt sich theoretisch bei allen Gegenständen anwenden, deren Belastung sich besonders auf 90° - winkelige Kanten auswirkt. Bei solchen Produkten kann der Baum helfen, die Bauteile deutlich stabiler zu machen – und dabei noch Material einzusparen. Wie der Baum nutzen die Ingenieure dafür die 45°-Winkel. Sie nehmen Material weg, wo es offensichtlich nicht gebraucht wird, bringen es nur z.T. an einem stärker belasteten Punkt an und sparen so sogar Material ein. Die Materialverstärkung bewirkt eine Entspannung an der Kante – das Material kann höheren Belastungen Stand halten.

Im Studio haben wir einen spektakulären Belastungstest durchgeführt – Prof. Mattheck hat hierzu zwei Versuchsaufbauten zur Verfügung gestellt. Es handelt sich dabei um einen Aufbau mit nicht optimierten Kanten und einen Aufbau mit an den Baum angepasste Kanten. Beide Aufbauten wurden aus demselben Material gefertigt: dem Dämmmaterial für Häuser – Styrodur.

Die Konstruktion mit den 90° Kanten gab bei einer Belastung von rund 80kg nach. Der ganz nach dem natürlichen Vorbild des Baumes gestaltete Versuchsaufbau, bei dem auch 5% Material eingespart werden konnte, gab erst bei mehr als der doppelten Gewichtsbelastung nach: Erst bei über 200 kg – versagte auch hier das Material.

Weniger Material und mehr Stabilität – die Bäume machen es möglich!