leicht und stabil wie ein Grashalm

Dr. Claas Wegner – Sabrina Pulka – Prof. Dr. Norbert Grotjohann | Biologiedidaktik Abt. 10 | Fakultät für Biologie
Bionische Bauwerke:
leicht und stabil wie ein Grashalm
Die langen und schlanken Halme der Süßgräser (Poaceae) sind wahre Leichtbaukonstruktionen, denn sie erreichen bei
minimalem Materialeinsatz eine hohe Stabilität und Biegefestigkeit beispielsweise gegenüber Windbelastungen. Zu den
faszinierendsten Süßgräsern gehören die Bambusgewächse (Bambusoideae). Einige Arten, wie der Riesenbambus
(Gigantochloa verticillata), können sogar Höhen von bis zu 40 Metern und beeindruckende Wuchsgeschwindigkeiten von
bis zu 1,2 Meter pro Tag erreichen [1].
Der Süßgrashalm ist – bis auf wenige Ausnahmen – hohlzylindrisch und lässt sich durch Knoten (Nodien) in hohle
Segmente oder Zwischenknotenstücke (Internodien) gliedern. Die Knoten bestehen aus Querwänden (Septen) und sind an
den Halmwänden stark verdickt, wodurch die Gefahr des Einknickens reduziert wird [2].
Eine weitere Erklärung für die mechanischen Eigenschaften von Süßgräsern liefert die mikroskopische Untersuchung des
Stängelquerschnitts: Grashalme bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Fasern aus stabilen, dickwandigen, verholzten
Zellen, die das Festigungsgewebe (Sklerenchym) bilden, sind in ein Grundgewebe (Parenchym) aus flexiblen,
dünnwandigen Zellen eingebettet. Zu den stark verholzten Fasern zählen auch Leitbündel, die die Pflanze wie
Leitungsbahnen mit Wasser und Nährstoffen versorgen. Diese Einbettung von steifen Zellen in ein Grundgewebe
bezeichnet man als Verbundmaterial [2]. Dieser strukturelle Aufbau der inneren Halmwand ist charakteristisch für die
Leichtbaukonstruktion, denn es wird in Bereichen mit hoher mechanischer Beanspruchung Festigungsmaterial eingesetzt,
wohingegen in weniger beanspruchten Bereichen Material eingespart wird, so dass trotz geringen Materialaufwands eine
hohe Stabilität erzielt wird.
Die Baubionik beschäftigt sich mit Fragestellungen zur Reduktion des Material- und Energiebedarfs für nachhaltigere
Bauprinzipien und nutzt dafür die Leichtbauweisen der Natur als Inspirationsquelle für technische Lösungen in Architektur und
Bauingenieurswesen. Einige Konstruktionsprinzipien von Pflanzenhalmen, insbesondere die des Pfahlrohrs (Arundo donax) und
des Winterschachtelhalms (Equisetum hyemale), waren Ideengeber für die bionische Entwicklung des „Technischen
Pflanzenhalms“. Der „Technische Pflanzenhalm“ ist ein Faserverbundmaterial mit Hohlprofil und Gradientenstruktur, das aus
einem dreidimensionalen Fasergeflecht besteht, welches in eine Polyurethan-Matrix eingebettet ist. Dieses bionische Produkt
besitzt trotz seiner Leichtbauweise eine hohe mechanische Stabilität und Schwingungsdämpfung. Die Vielfältigkeit des
„Technischen Pflanzenhalms“ spiegelt sich in den verschiedenen Anwendungsbereichen wieder, die die Luft- und Raumfahrt
sowie den Fahrzeugbau umfassen, aber auch die Medizintechnik und den Sportgerätebau mit einschließen [3].
Die Pflanzenwelt dient zudem als Ideengeber für die Konstruktion von Hochbauten, wie dem geplanten 1228 Meter hohen
„Bionic Tower“ in Shanghai. Beispielsweise sollen Verankerungen aus Stahlbeton in Form von Wurzeln eingesetzt werden, um
ein solches Gebäude vor Erdbeben und Windbelastungen zu schützen [4].
Die Biologiedidaktik der Universität Bielefeld ist mit Projekten wie „Biologie hautnah“ daran interessiert, Schülerinnen und
Schülern handlungs- und motivationsorientiert biologische Phänomene nahe zu bringen. Mit dem nachfolgenden
Kurzversuch möchten wir Euch einen Einblick in unser Bionik-Projekt gewähren:
EXPERIMENT:
Der Unterschied zwischen einem Bambusstab und einem Holzstab besteht darin, dass ein Bambusstab hohl und ein
Holzstab massiv ist. Welcher der beiden Stäbe ist stabiler?
Hängt an die Spitze eines Bambus- und eines Holzstabs, die sich in der Testapparatur befinden, jeweils ein 500g-Gewicht.
Welcher der beiden Stäbe biegt sich stärker nach unten und ist damit instabiler?
[1] DANNERT, S. et al. (2000). Urania Pflanzenreich: Blütenpflanzen 2. Berlin: Urania-Verlag.
[2] SPECK, O. & SPECK, T. (2006). Eine Fundgrube für die Bionik – Wunderwelt Pflanzen. In: BLÜCHEL, G. & MALIK, F.(Hg.): Faszination Bionik: Die Intelligenz der Schöpfung. München: Bionik Media,
322-335
[3] SPECK, T.; HARDER; D., MILWICH, M.; SPECK, O. & STEGMAIER, T. (2006a). Die Natur als Innovationsquelle. In: KNECHT, P. (Hg.): Technische Textilien. Frankfurt: Deutscher Verlag, 83 – 101.
[4] KLASMANN, J. K. (2004). Das [Wohn-] Hochhaus. Hochhaus und Stadt. Wien: Springer-Verlag.
www.web.biologie.uni-bielefeld.de/plantday12/
www.Kolumbus-Kids.de