Inspiration für neue Werkstoffe

Die Äste des Drachenbaumes sind darauf optimiert, große Lasten zu tragen. Das ist nicht nur für Botaniker interessant: Textilingenieure tüfteln schon daran, die Ergebnisse eines neuen Experiments zu verwerten. Das könnte der Luftfahrt zugutekommen oder auch dem Fahrrad- und dem Fahrzeugbau.

Ein Waldspaziergang oder ein Besuch im Botanischen Garten hat schon manchen Erfinder inspiriert. Zu den bekanntesten Fällen gehört ein Schweizer Ingenieur, der nach einer Streiftour Kletten unters Mikroskop legte, die er im Fell seines Hundes gefunden hatte. Er bemerkte, dass sie mit robusten Widerhaken versehen sind; in der Folge erfand er den Klettverschluss. Auch, dass ein Bonner Botaniker sich über die stets sauberen Blätter der Lotospflanze wunderte, führte letztlich dazu, dass heute Markisen oder Hausfassaden mit einer Oberflächenstruktur ausgestattet sind, die Wasser abperlen lässt und Schmutz gleich mit herunterspült. Dort wirkt der sogenannte Lotuseffekt. Wenn die Natur als Vorbild für neue Entwicklungen dient, ist von Bionik die Rede. Dahinter verbergen sich die Begriffe Biologie und Technik.

Pflanze im MRT

#####1#####

Vor einiger Zeit ist auch der immergrüne Drachenbaum (Dracaena marginata) ins Visier von Forschern geraten. Er könnte künftig bei der Konstruktion von Fahrradrahmen oder als Achsenträger im Automobilbau Modell stehen. An einem neuen Experiment waren deshalb Wissenschaftler verschiedener Disziplinen beteiligt, darunter Vertreter aus Botanik, Mikrostrukturtechnik und Medizinphysik. Ihr Interesse galt den Verzweigungen des Drachenbaums, der natürlich in den Tropen und Subtropen vorkommt, aber längst auch in jedem Gartencenter zu haben ist. Für das Experiment wurde er zum einen ausgewählt, weil diejenigen Stellen, an denen sein Stamm in einen Ast übergeht, sehr stabil sind. Zum anderen, weil sich die Faserstruktur seines Gewebes gut erkennen lässt.

Um die Besonderheit der Verzweigungen genauer zu untersuchen, legten die Wissenschaftler einen Drachenbaum ins MRT. Die Magnetresonanztomographie bildet ab, was unter der Oberfläche liegt und dem Auge somit verborgen bleibt – was bei der Untersuchung von Menschen funktioniert, gelingt auch bei Pflanzen. Mit Hilfe des MRT bildeten die Forscher einmal die Verbindung zwischen Ast und Stamm in unbelastetem Zustand ab. Anschließend verbogen sie den Ast, um bildlich festzuhalten, was unter Belastung geschieht. Zu den Vorteilen der Untersuchung mit MRT gehört, dass sich der Versuch mit derselben Pflanze wiederholen lässt, weil sie dabei nicht zu Schaden kommt. Außerdem lassen sich bei der Bildgebung Kontraste einstellen, die den Wissenschaftler die Unterscheidung zwischen weichen und hölzernen Geweben ermöglichte.

Für Lasten optimiert

Der Vergleich der Aufnahmen mit und ohne Belastung lieferte neue Erkenntnisse darüber, wie sich bestimmte Pflanzenstrukturen verhalten, etwa die sogenannten Leitbündel, die innerhalb einer Pflanze für den „Ferntransport“ von Wasser und Nährstoffen zuständig sind, aber auch bedeutend zur Stabilität der Gewächse beitragen. „Der innere Aufbau eines Astes und die Anordnung der Leitbündel sind darauf ausgerichtet, Lasten zu tragen. Leitbündel und ihre Faserkappen sind so geformt und angeordnet, dass Verzweigungen für Biegelasten optimiert sind“, fasst die Biologin Linnea Hesse zusammen, die an der Studie beteiligt war. Dies sei bisher zwar vermutet, nun aber experimentell belegt worden.

#####2#####

Davon, dass die neu gewonnen Erkenntnisse sich praktisch nutzen lassen, sind die Wissenschaftler überzeugt. „Wir sind für die Grundlagenforschung zuständig, indem wir herausfinden, wie die Pflanze funktioniert. Aber das lässt sich in die praktische Anwendung übertragen“, meint Thomas Speck, Botaniker und zusammen mit Jan Korvink Leiter der Studie. Speck präzisiert, was er dabei vor Augen hat: verzweigte technische Faserverbundstrukturen.

Lernen vom Drachenbaum

Hier muss man kurz ausholen, denn nicht jedem sind sie ein Begriff. Dabei sind sie aus der Industrie nicht wegzudenken. Faserverbundstrukturen, bei denen mehrere Werkstoffe kombiniert sind, kommen im Gebäudebau, in Fahrzeugen oder in schnell bewegten Maschinen zum Einsatz. Diese Beispiele legen bereits nahe, dass sie dabei einer Vielzahl von Anforderungen gerecht werden müssen. So sollen sie etwa fest und stabil sein, Erschütterungen und Stößen standhalten.

Die Orientierung an biologischen Vorbildern soll diese Strukturen noch besser machen, noch stabiler, noch stoßresistenter und bruchfester. Hier könne man von Pflanzen wie dem Drachenbaum oder auch von Kakteen besonders gut lernen, sagt Speck. Sie hätten eine Struktur, die sich gut nachbilden lasse, außerdem seien ihre Verzweigungen steif und fest, und wenn sie brechen, dann zerspringen sie auch nicht in tausend Teile.

Schon bald, meint er, könnten die neuen Erkenntnisse aus der Pflanzenwelt den Fahrradbau bereichern, die Automobilindustrie oder auch die Luftfahrt. Textilingenieure in Denkendorf, berichtet Speck, seien bereits dabei, bestehende technische Verbundstrukturen zu optimieren. Ihr Vorbild: der Drachenbaum.