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Sprit-Reduktion dank Bionik? Gleitmittel für Schiffe

Von Thomas Hillebrandt

Mit einer Art Gleitmittel für Schiffe mehr Umweltschutz erreichen: Bioniker der Uni Bonn nutzen das Luftkissen-Prinzip einer Wasserpflanze als Vorbild.

Klettverschlüsse oder leicht zu reinigende Waschbecken dank "Lotuseffekt" haben biologische Vorbilder. Bionik ist ein Kunstwort, zusammengesetzt aus BIOlogie und TechNIK. 1919 patentierten Forscher die erste deutsche bionische Entwicklung, ohne die so gut wie kein Haushalt dieser Welt mehr auskommt: den Salzstreuer, der die Salzkörner dank zahlreicher kleiner Öffnungen gleichmäßig verteilt. Das Potenzial der Bionik ist noch lange nicht ausgeschöpft, und eine Vorreitrolle auf dem Forschungsgebiet hat die Universität Bonn.

Schwimmfarn mit einmaliger Oberflächenstruktur

In dem zwölf Hektar großen Botanischen Garten der Bonner Hochschule betreut Physiker Matthias Mail vom Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen ein Gewächshaus mit unscheinbar wirkenden Wasserpflanzen. Dieser Schwimmfarn (Salvinia) kann unter Wasser eine Luftschicht in sich halten, wie eine Art Luftmatratze.

Dr. Mail, Nees-Institut

Dr. Matthias Mail, Physiker am Nees-Institut für Biodiversität in Bonn, sieht in seiner Schwimmfarn-Zucht großes Bionik-Potenzial

An seiner Oberfläche sitzen feine "Schneebesenhärchen", die aus Sicht der Forscher eine der komplexesten Oberflächenstrukturen im Pflanzenreich bilden: An ihrer Spitze haben sie jeweils einen kleinen hydrophilen, also wasseranziehenden Punkt, mit dem sie die Luftschicht unter Wasser stabilisieren. Der Effekt: Taucht man die Pflanze unter Wasser und zieht sie wieder heraus, perlt die Flüssigkeit sofort ab, das Blatt ist komplett trocken. Oder genauer: Es war nie wirklich nass. Denn unter Wasser hüllt sich der Farn in eine hauchdünne Schicht aus Luft, die verhindert, dass die Pflanze mit dem Wasser in Kontakt kommt. Wissenschaftler nennen das "superhydrophob".

Uni Bonn entwickelt Gleitmittel für Schiffe

Die besondere Oberfläche des Schwimmfarns Salvinia macht sich das Bonner Nees-Institut zunutze. Matthias Mail ist einer der Autoren einer neuen Studie, mit der Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen nun die Möglichkeiten aufzeigen, wie man das Salvinia-Prinzip in Technik und Industrie anwenden könnte. Dank der pflanzlichen "Luftmatratze" könnte man Reibung überall dort reduzieren, wo Festkörper über Flüssigkeit gleitet. Eines der größten Anwendungsgebiete ist die Schifffahrt: Die Forscher arbeiten daran, auf diese Weise einen Schiffsrumpf permanent mit einer Luftschicht zu ummanteln – als eine Art Gleitmittel für Öltanker und Containerschiffe.

Bionik-Prinzip könnte Schiffe umweltfreundlicher machen

Das mögliche Energie-Einsparpotenzial ist nach Ansicht der Bioniker enorm, da Schiffe weltweit zu den größten Spritverbrauchern zählen. Schätzungsweise verbrennen Tanker und Containerschiffe auf den Meeren insgesamt rund 250 Millionen Tonnen Treibstoff pro Jahr und blasen dabei rund eine Milliarde Tonnen Kohlendioxid in die Luft – etwa so viel wie ganz Deutschland in einem Jahr. Hauptgrund dafür sind die großen Reibungskräfte zwischen Rumpf und Wasser, die ein Schiff permanent abbremsen – je nach Schiffstyp beansprucht das bis zu 90 Prozent des Energieverbrauchs. Würde man Schiffsrümpfe mit bionischen Materialien beschichten, könnten die Schiffe aufgrund geringerer Reibung bis zu 20 Prozent an Kraftstoff einsparen, ist der Bonner Forscher Mail überzeugt.

Vergrößerte Aufnahme des Schwimmfarns

Vergrößerte Aufnahme des Schwimmfarns

Industrie arbeitet am Einsatz von Schwimmfarn

Dass der Schwimmfarn Salvinia als Gleitmittel für Öltanker grundsätzlich funktioniert, haben die Forscher bereits in einem größeren Verbundvorhaben gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Rostock nachgewiesen. Jetzt laufen größere EU-Projekte, in denen es mit Partnern aus der Industrie um die technische Umsetzung in großem Stil geht. Bioniker der Uni Rostock haben inzwischen ein Material entwickelt, das in Laborversuchen die Reibung zwischen einer Oberfläche und Wasser um 30 Prozent verringert hatte. Für den Praxiseinsatz ist die Technologie zwar noch nicht reif. Mithilfe der großen EU-Projekte soll es nun aber schneller gehen, da die ökonomischen und ökologischen Vorteile enorm seien, so die Forscher.

So bestechend eingängig zugleich faszinierend, wie die Lösungen aus der Natur sein können, so sperrig klingt die offizielle Definition des Forschungsbereichs Bionik: "Unter Bionik werden Forschungs- und Entwicklungsansätze verstanden, die ein technisches Anwendungsinteresse verfolgen und auf der Suche nach Problemlösungen, Erfindungen und Innovationen Wissen aus der Analyse lebender Systeme heranziehen und dieses Wissen auf technische Systeme übertragen."
(Verein Deutscher Ingenieure, VDI)

Natur birgt noch riesiges Potenzial für Bioniker

Für den Physiker Matthias Mail vom Bonner Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen ist seine Schwimmfarn-Forschung aber nur ein Beispiel für das, was in der Bionik alles noch möglich ist, wenn man noch genauer auf die Natur schaut: "Schätzungen gehen davon aus, dass es mehr als zehn Millionen verschiedene Arten auf unserem Planeten gibt – und all diese Arten sind ja perfekt an ihre Umwelt angepasst", so Mail. Die potenziellen Lösungen für technische Probleme seien also "gigantisch hoch".

Mit Schwimmfarn gegen Ölteppiche

So arbeitet das Bonner Institut schon an der nächsten möglichen Anwendung des Schwimmfarns: Da der Farn durch seine Oberflächenstruktur dank seiner Härchen auch Materie sehr gut festhalten kann, suchen die Forscher nach einer Möglichkeit, das Salvinia-Prinzip zum Kampf gegen Öl-Teppiche auf den Meeren einzusetzen. Die Vision ist, Öl großflächig abschöpfen zu können. Mit dem Vorbild der Natur die Umweltsünden der Menschheit zu verringern – eine schöne Vorstellung, nicht nur für die Bionik-Forscher.