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Von der Natur inspirierte Materialien und Strukturen

Biologische Konzepte und Systeme können Inspiration für technische Innovationen sein. Die Prinzipien biologischer Strukturen zu analysieren und hinsichtlich geeigneter Parameter einzuordnen, kann deswegen von großem Wert sein, um neuartige Materialien und Strukturen technologisch zu realisieren.

Ein bekanntes Beispiel sind selbstreinigende Oberflächen, die denen der Lotusblätter nachempfunden wurden. Eine Nano- und Mikro-Strukturierung der Oberfläche kann auch als passive Antivereisungstechnologie in der Luftfahrt angewendet werden, wodurch energieeffiziente Konzepte zur Enteisung ermöglicht werden.1

Nicht nur Oberflächen, wie die von Lotusblättern, sondern auch biologische Materialien als Ganzes zeigen oft einen über viele Größenordnungen hierarchischen Aufbau. Dieses Prinzip bestimmt auch die Eigenschaften von Holz, das als Konstruktionsmaterial unter anderem in der Luftfahrt eine bedeutende Rolle spielte und durch ein innovatives Verfahren in anderer Form wieder interessant werden könnte.

„Natürliche“ Charakteristika von Holz sind oft Ursachen für mechanisches Versagen. Durch ein neues, zweistufiges Verfahren werden diese drastisch reduziert.2 Nach dem partiellen Herauslösen von Lignin wird die Holzstruktur heißgepresst und hoch verdichtet. Die Zellulosenanofasern sind dabei ausgerichtet, womit die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Zellulosemolekülen erleichtert wird. Zusammen mit einer Reduktion der Defektstellen werden durch die neue Struktur eine erhöhte Zähigkeit und eine zehnfache Erhöhung der Zugfestigkeit im Vergleich zu unbehandeltem Holz erreicht, die damit mit der Festigkeit von Aluminiumlegierungen vergleichbar ist. Laminate aus dem anisotropen Material können möglicherweise für innovative Strukturen im Fluggerätebau verwendet werden.

 

1Bauhaus Luftfahrt. (2011). The Future Technology Radar. Project Report, Munich. ID: 621103-12 WP1-D1.2
2Song, J., Chen, C., Zhu, S., Zhu, M., Dai, J., Ray, U., … Hu, L. (2018). Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 554, pp. 224–228. doi: 10.1038/nature25476

 

 

  • Hierarchische Organisation biologischer Materialien: Holz als Beispiel für einen hierarchischen Aufbau. Die besondere Anordnung der einzelnen Bausteine über mehrere Größenordnungen hinweg führt zu außergewöhnlichen Eigenschaften.Hierarchische Organisation biologischer Materialien: Holz als Beispiel für einen hierarchischen Aufbau. Die besondere Anordnung der einzelnen Bausteine über mehrere Größenordnungen hinweg führt zu außergewöhnlichen Eigenschaften.
  • Mechanische Eigenschaften von verdichtetem Holz: Vergleich der spezifischen Zugfestigkeiten und E-Moduli von naturbelassenem und nach Quelle 2 behandeltem Holz, glasfaserverstärktem Kunststoff (GFRP) und zwei gängigen Legierungen für die Luftfahrt (Al2024 und Ti6Al4V).Mechanische Eigenschaften von verdichtetem Holz: Vergleich der spezifischen Zugfestigkeiten und E-Moduli von naturbelassenem und nach Quelle 2 behandeltem Holz, glasfaserverstärktem Kunststoff (GFRP) und zwei gängigen Legierungen für die Luftfahrt (Al2024 und Ti6Al4V).