Bambus und Schachtelhalm: Wie Naturphänomene den technischen Fortschritt befruchten 13.06.2011, 17:22

Bionik: Eine Beschreibung analysieren. Anhand eines Buchtexts gibt der tec.LEHRERFREUND im folgenden Beitrag eine Übersicht über bionische Ergebnisse der Studien zu Wachstumsstrukturen von Bambus und Schachtelhalm. Der Text zeigt, wie diese Strukturen in die Technik übernommen werden. Der Buchinhalt soll im Unterricht analysiert werden.

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Bionik: Einen Buchtext interpretieren

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Das Rowohlt-Taschenbuch »Erfindungen der Natur - Bionik, was wir von Tieren und Pflanzen lernen können«, ISBN 978 3 499 62024 9, steht in den Regalen des allgemeinen Buchhandels und richtet sich an Leser, die sich für die Bionik-Forschung interessieren. Es ist ein preiswertes Buch, das einen guten Überblick verschafft.
Das Kapitel »Auf Biegen und Brechen« (ab Seite 130) beschreibt die Ergebnisse der Studien über Wachstumsstrukturen von Bambus und Schachtelhalm. Es zeigt Möglichkeiten auf, wie diese Strukturen in die Technik übernommen werden könnten. Im Unterricht soll festgestellt werden,
- wie verständlich der Text geschrieben ist
- welche konkreten Informationen der Text dem Leser liefert
- wo die Beschreibungen unklar bleiben.

Der tec.LEHRERFREUND dankt dem Verlag Rowohlt dafür, dass er aus dem Buch Erfindungen der Natur die Seiten 130 bis 136 für den Zweck einer Textinterpretation übernehmen durfte. Die Autoren des Buchs sind Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott und Jürgen Nieder. Copyright © 2005 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg.
 

Aufgaben:

1. Den Text lesen.
2. Die Bedeutung unbekannter Begriffe und Fremdwörter klären.
3. Schwer verständliche Stellen kennzeichnen und diskutieren, was damit genau gemeint sein könnte.
4. Auf der Basis der Lektüre Skizzen ergänzen.
5. Den gelesenen Text/das Buch bewerten.

Zu den Aufgaben 2. bis 5. hat der tec.LEHRERFREUND einen Fragenkatalog aufgestellt, der dafür gedacht ist, dem Unterricht eine Struktur zu geben. Die (unvollständigen) Skizzen Bild 3 und Bild 5 könnten im Unterricht verwendet werden. Um die Bearbeitung im Unterricht zu erleichtern, wurden die Textabschnitte vom tec.LEHRERFREUND von A bis M gekennzeichnet.  
 

Vorbemerkungen (tec.LEHRERFREUND)

Schachtelhalm

Schachtelhalm (Bild Wikipedia) CC BY-SA 3.0 Bild Luc Viatour

Gräser wie Schachtelhalm (Bild 1) und Bambus gelten als Vorbilder der Natur für Leichtbaukonstruktionen. Sie besitzen hohle Stängel mit dünnen Außenwänden und bieten doch eine erstaunliche Stabilität, wenn sie Windkräften und anderen Belastungen ausgesetzt sind. Bild 2 ist das Foto eines skelettierten Feigenkaktus mit ca. 8 cm Blattbreite, von dem nur noch die verholzte Struktur übrig ist. Es zeigt eindrücklich das kunstvoll aufgebaute Fasergewebe, das auch dieser Pflanze eine hohe Biege- und Verdrehsteifigkeit bei geringem Gewicht verleiht.

Kaktus totes Gewebe

Bild 2

Betrachtet man den Querschnitt eines Schachtelhalms, erkennt man: Er ist nicht homogen aufgebaut. Mit ihren verschiedenen Zellen und Geweben unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften hat diese Pflanze die Materialforschung befruchtet und gilt als Vorbild für die Entwicklung von neuen Leichtbau-Faserverbundprofilen mit hoher Biege- sowie Knickfestigkeit (siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Faserverbundwerkstoff). Passend dazu fügen wir die folgende Erläuterung des »Forschungskuratoriums Textil« (http://www.textilforschung.de/) an:

»Im Rahmen eines Forschungsprojektes (AiF-Nr. 15141N) wurden vom Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV) nach dem Vorbild von Pflanzenhalmen längsgestreckte Faserverbundprofile entwickelt, welche neben einem geringen Gewicht auch eine sehr gute Schwingungsdämpfung aufweisen und hohen dynamischen Lasten dauerhaft widerstehen.
Wichtigstes Vorbild war der Winterschachtelhalm, welcher im Querschnitt eine Doppelwand-Kreisringstruktur mit verbindenden Stegen aufweist. Durch eine Weiterentwicklung der ITV-Flecht-Pultrusionstechnik konnte diese spezielle Querschnittsstruktur technisch realisiert und sogenannte „technische Pflanzenhalme“ mit guten mechanischen Eigenschaften pultrudiert werden. Durch die Flecht-Pultrusionstechnik können diese neuartigen, doppelwandigen Faserverbundprofile großserienfähig gemacht und damit kostengünstig hergestellt werden.«

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Wie Naturphänomene den technischen Fortschritt befruchten: Bambus und Schachtelhalm sind Vorbilder

Aus dem rororo-Taschenbuch Erfindungen der Natur, Seiten 130 bis 136:
 

Auf Biegen und Brechen

A
Hohlprofile für den Architekturbereich oder zum Transport von Flüssigkeiten müssen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Biegefestigkeit bei hoher dynamischer Belastbarkeit und möglichst geringem Gewicht sind einige der Kriterien, die es technisch zu lösen gilt. Solche Profile werden vielfach eingesetzt und bestehen neben Metallen auch aus Kunststoffen oder sogar aus Papier. Die Belastbarkeit fällt je nach Material und Wanddicke sehr unterschiedlich aus. Optimierungen des Aufbaus finden in der Technik kaum statt, sodass die Belastbarkeit meist eine Frage des Materials und nicht der Struktur ist. Gibt es hier Alternativen? Dieser interessanten Fragestellung gehen die Freiburger Biomechanikforscher um Professor Thomas Speck derzeit in Kooperation mit dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) in Denkendorf nach.

B
Auch in der Pflanzenwelt finden sich viele Hohlachsen, die bestimmten Bedingungen gerecht werden müssen. In der Biomechanikgruppe untersuchten Olga Speck und Hanns-Christof Spatz die mechanischen Eigenschaften von Gräsern, die eine Hohlachse aufweisen, hohes Gewicht tragen müssen und gleichzeitig bei dynamischen Lastwechseln nicht brechen dürfen. Ihre biologischen Vorbilder waren Gräser, zum Beispiel das Pfahlrohr (Arundo donax) oder Bambus.

C
Arundo donax ist eine 2 bis 4 Meter hohe Pflanze, die an Ufern und sumpfigen Stellen wächst. Wahrscheinlich aus dem Orient stammend, wird sie seit dem Altertum in Europa kultiviert. Häufig findet Arundo donax als Zierpflanze Verwendung. Ihre holzigen Halme werden aber auch gerne als Stützen für Tomaten und Erbsen eingesetzt oder sogar als Angelruten. Auch Flechtwerk oder Matten werden aus dem Gras hergestellt. Die alten Ägypter nutzten die Halme als Kiele zum Schreiben auf Papyrus oder stellten daraus Musikinstrumente her. Dieses Material wird bis heute zur Herstellung der Rohrblätter von Holzblasinstrumenten verwendet, einen vollwertigen Ersatzstoff konnte die Technik bislang nicht entwickeln.

D
Am Seeufer ist dieses Riesengras den sich auf der glatten Wasserfläche frei entwickelnden Winden voll ausgesetzt. Und obwohl der gesamte Halm Blätter trägt und der Halm nur wenige Zentimeter dick ist, kann dem Gras selbst starker Wind nichts ausmachen. Wie die Hohlachsen die Windenergie aufnehmen und geschickt umwandeln, gehört zu den Geheimnissen, denen die Forscher nachgegangen sind. Wieder zeigt sich, dass ein bestimmter Aufbau des Halmes der Schlüssel für diese Eigenschaft der Pflanzen ist. Ähnlich wie beim Holz ist die Anordnung von steifen Bereichen (Sklerenchym oder Festigungsgewebe) und weicher Matrix, dem Parenchym (wenig spezialisiertes Grundgewebe), entscheidend (Bild 3, tec.Lehrerfreund).

Zellen_farbe_440.png

Bildtext im Buch:
Querschnitt durch das unterirdische Rhizom des Pfahlrohrs
(Arundo donax). Deutlich erkennt man den graduellen Übergang
zwischen dem wenig differenzierten Grundgewebe (Matrix) und den
dunkel angefärbten, stark verholzten festigenden Zellen
(Sklerenchymfasern). Die Zellen werden zunehmend dickwandiger und
kleiner und der Verholzungsgrad nimmt zu, was an der intensiver
werdenden Rotfärbung zu erkennen ist.

 

Altes_Holz_eukalyptus

Bild 4: Schnitt durch den Stamm eines Eukalyptusbaums.
Ein Jahre langer Verwitterungsprozess hat die Grenzen des Sklerenchyms
deutlich erkennbar herausgearbeitet.

E
Um ein Abbrechen oder Entwurzeln zu verhindern, müssen die Pflanzen die mechanische Windenergie umwandeln. Nur so erreichen sie eine Dämpfung der Schwingung. Die Energieumwandlung, auch Dissipation genannt, kann auf drei unterschiedliche Dämpfungsarten erfolgen:
1. materialbedingte Dämpfung,
2. aerodynamisch bedingte Dämpfung,
3. strukturelle Dämpfung.

F
Jedes Material besitzt eine spezifische Dämpfungskonstante, die letztlich auf die Materialzusammensetzung (Atome und Moleküle) zurückzuführen ist. Viskoelastisch- plastisches Verhalten des Materials wandelt die eingebrachte Energie der Schwingung in Streckung Wachsen und Stauchung einzelner atomarer oder molekularer Verbindungen um. Da die Verbindungen aus ihrem Ruhezustand gebracht werden, verbraucht dieser Prozess Energie, wodurch die Dämpfung entsteht. Bei Arundo wurde gemessen, dass die materialbedingte Dämpfung 30-40 Prozent ausmacht. Voraussetzung ist ein ausgeprägtes viskoelastisches Verhalten, hervorgerufen unter anderem durch die im lebenden Halm wassergesättigten Zellwände. Ist der Halm trocken, beträgt diese Dämpfung nur circa 10 Prozent. Die hohe Effizienz der materialbedingten Dämpfung ist begründet in der kontinuierlichen Verbindung zwischen Geweben und Zellen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Es besteht ein Gradient zwischen dem festigenden, biegesteifen Gewebe und den elastischen Gewebearealen. Ein Gradient bezeichnet dabei einen allmählichen Verlauf von einer Eigenschaft zur anderen. Diese Änderung wurde am Grad der Elastizität, dem so genannten Elastizitätsmodul, gemessen. Nähert man sich von der Matrix mit ihrem wenig differenzierten Grundgewebe dem Sklerenchymgewebe, so wird die Flexibilität des Materials immer geringer. Die Pflanzen erreichen diesen allmählichen Übergang der Elastizität durch eine zunehmend stärkere Verholzung der Zellen, die gleichzeitig kleiner und dickwandiger werden.
 

G
Die aerodynamisch bedingte Dämpfung wird durch den Luftwiderstand verursacht, der beim Schwingen wirkt. Die Halmform, vor allem aber die Blätter, erhöhen den Luftwiderstand beim Schwingen deutlich. Entsprechend wird die Energie der Schwingung teilweise zum Überwinden des Luftwiderstandes eingebracht. Als Folge wird die Schwingung immer kleiner.

H
Die strukturelle Dämpfung hat ihre Ursache in den unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen von Blättern, Seitenästen und Hauptachse. Ähnlich wie beim Abbremsen auf einer Schaukel, wenn man die Beine gegen den Schwung bewegt, wird durch ein unterschiedliches Schwingen der verschiedenen Organe der Pflanze die Amplitude der Schwingung verkleinert, das heißt, die Schwingung wird gedämpft. Wäre die Achse, wie die meisten Rohre, nur auf statische Belastung (zum Beispiel ein zu tragendes Gewicht) optimiert, so würde man einen äußeren Ring mit Festigungsgewebe erwarten. Da aber die Umweltbedingungen ständig wechseln und Winde unterschiedlich stark wehen, hat das Gras einen statischen Kompromiss gewählt. Zwar besitzt Arundo donax einen außen liegenden Ring mit Festigungsgewebe, dieser ist aber relativ dünn. Einen wichtigen Beitrag zur Festigung leisten daher auch die Leitbündel, die im Parenchymgewebe eingebaut sind. Die Transportgefäße der Leitbündel sind von länglichen, verholzten Zellen (Sklerenchymfasern) umringt. Je weiter man sich von den Gefäßen in Richtung Parenchym bewegt, desto weniger verholzte Anteile finden sich. Auch der Übergang von dem außen kreisrund liegenden Festigungsgewebe erfolgt nicht schlagartig, sondern allmählich. Die verholzten Anteile der Zellen werden immer kleiner. Allein dieser materialbedingte Beitrag zur Dämpfung beträgt immerhin mindestens 30 Prozent. Wahrscheinlich wird bei diesem Aufbau die Energie der Schwingung in Scherkräfte umgewandelt. Wäre kein Gradient vorhanden, würden die Scherkräfte an den Gewebegrenzen zu einem Abreißen führen, und die Schwingung könnte ein Versagen der Struktur der Pflanzenachse verursachen.

Textile »Pflanzenachsen«

J
Diese Ergebnisse der Forschung an den pflanzlichen Hohlachsen aus der Arbeitsgruppe von Thomas Speck nutzen Ingenieure wie Markus Milwich und Thomas Stegmaier am Institut für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf (ITV), um innovative Faserverbundstrukturen mit hoher Biegesteifigkeit bei gleichzeitig dauerhaft hoher dynamischer Belastbarkeit herzustellen. Mit komplizierten Flechtmaschinen werden in mehreren Schritten aus Fasern dreidimensionale Hohlkörper hergestellt.

K
Im ersten Prozessschritt werden verschiedene Fasern geflochten und anschließend in einer Matrix meist Kunststoffe eingebettet. Im Gegensatz zu gängigen Faserverbundmaterialien wird versucht, eine graduelle Anpassung der Steifigkeit zwischen Faser und Kunststoffmatrix zu erreichen. Die Nachfragen nach derartigen Faserverbundstrukturen sind groß. Mögliche Anwendungen finden sich in der Luft- und Raumfahrttechnik (zum Beispiel Flügelbau), im Fahrzeugbau und in der Medizintechnik (Prothesen). Nicht zuletzt sind die Materialien auch für die Hersteller von Sportartikeln (zum Beispiel Snowboards, Ski) interessant. Die Forscher wollen aber noch viel mehr von den Pflanzen lernen. Ihnen reicht es nicht, die allmähliche Anpassung der statischen oder dynamischen Eigenschaften zu übertragen. Es laufen bereits erste Versuche, inwieweit die Matrix selbst, ähnlich wie die Zellen, durch die Verwendung von Schäumen gestaltet werden kann.

L
Bei einigen Anwendungen ist jedoch nicht nur eine bestimmte Biegesteifigkeit oder Elastizität erforderlich, auch Torsionsbelastungen muss standgehalten werden. So besitzt der Winterschachtelhalm (Equisetum hyemale) als tragendes Element ebenfalls an der Stängelaußenseite einen Ring aus festigenden, dickwandigen Zellen (diese Zellen sind nicht verholzt, aber sehr dickwandig). Dieser Ring ist aber nicht gleichmäßig dick, sondern regelmäßig an einigen Stellen dünner, an anderen ragen verholzte Fasern ins Innere des Rings hinein. Auf diese Weise entsteht eine Art T-Profil, das neben der Biegesteifigkeit zusätzlich auch eine hohe Torsionsbeständigkeit garantiert (Bild 5, tec.lehrerfreund).

Bildtext im Buch:
Querschnitt durch eine oberirdische Achse des
Winterschachtelhalms (Equisetum hyemale). Die Achse stellt eine ex-
treme Leichtbaukonstruktion mit einem großen zentralen Markhohlraum
und zusätzlichen Hohlräumen im Rindengewebe dar. Die festigenden
Zellen liegen an der Halmaußenseite und bilden einen Ring aus im Quer-
schnitt T-förmigen Trägerelementen, die mit einem dünneren, weiter innen
liegenden zweiten Festigungsring eine mechanisch sehr stabile Sand-
wich-Struktur bilden.

Schachtelhalm_Querschnitt

M
Auch diese Struktur versuchen die Forscher auf die Verbundmaterialien zu übertragen. Durch bestimmte Flechtmuster schaffen sie Abstandsstrukturen, deren Funktion ähnlich wie bei dem Schachtelhalm eine höhere Torsionsbeständigkeit gewährleistet. Ein erster «technischer» Pflanzenhalm wurde bereits realisiert.   

Fragenkatalog zur Verwendung für Arbeitsblätter

Aufgabenvorschläge a) bis g)

a) Fachausdrücke
Was bedeutet:
- Amplitude?
- Dissipation
- Elastizitätsmodul
- Gradient
- Hohlachse
- Knickung
- Matrix
- Parenchym
- Sklerenchym
- Torsionsbelastung
- Visko-elastisch-plastisches Verhalten?

b) Verständnisfragen:
- Was versteht man unter Knickfestigkeit?
- Was versteht man unter Poltrusion?

Absatz B :
- Was ist ein dynamischer Lastwechsel?
D
- Was geschieht bei der Dissipation?
F
- Was ist eine materialbedingte Dämpfung?
- Was bewirkt der Gewebe-Gradient?
G
- Wodurch wird die aerodynamisch bedingte Dämpfung bewirkt?
H
- Wodurch wird ein Stängel strukturell gedämpft?
J
- Wie wurden die biologischen Erkenntnisse des Stängelaufbaus in die Technik umgesetzt?
K
- Nennen Sie Beispiele, in denen Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden.
L
- Geht aus dem Text hervor, in welcher Weise am Schachtelhalm Torsion auftreten könnte?

c) Suchen Sie im Internet nach Informationen, die offene Fragen beantworten könnten.

d) Wo bleibt die Beschreibung unklar?
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e) Sagt der Text etwas darüber aus, ob tatsächlich technische Leichtbau-Produkte entwickelt wurden, die eine Ähnlichkeit mit dem Querschnitt eines Schachtelhalms aufweisen? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

f) Skizzen
- Kennzeichnen Sie in den Skizzen Bild 3 und Bild 5 im Text genannte Pflanzenteile usw.
- Wo sind die im Text genannten »T-Profile«? Ziehen Sie im Bild 5 einen solchen Querschnitt farbig nach.

Aufgabe_Halme_440.png

5 g) Bild oben: Die Profile 1 bis 4 aus Kunststoff haben gleich große Außenmaße. Die Profile 3 und 4 sind dem Querschnitt eines Schachtelhalms nachempfunden. Profil 4 unterscheidet sich von Profil 3 dadurch, dass der Kern von Profil 4 ausgeschäumt ist. Vergleichen Sie die Profile 2, 3 und 4 mit Profil 1 und versuchen Sie eine Beurteilung nach
- dem Maß der Durchbiegung
- der Biegesteifigkeit.
Die Durchbiegung ergibt sich aus dem Widerstandsmoment W (siehe auch http://www.lehrerfreund. de/in/technik/1s/festigkeitsberechnungen- 4-biegung/3701/). Es ist bei Profil 1: W = (D4 - d4) · p : 32 · D (d = innerer Durchmesser) Profil 2: W = (a · b3 – ai · bi 3) : 6 · a
(a und b sind die Außenmaße, ai und bi die Innenmaße).

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