Mechanische Tarnkappen

Aussparungen in Materialien einbauen, ohne die Konstruktion zu schwächen: KIT-Wissenschaftler fanden aufgrund eines Gedankenexperiments eine neue, einfache Herangehensweise.

Bei einer Bienenwabe handelt es sich zum Beispiel um ein sehr stabiles Gebilde. Doch versehen mit einem größeren Loch, geht die Stabilität weitgehend verloren. Wie könnte eine Bienenwabe aussehen, die trotz Loch äußeren Kräften standhält? Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun ein neues Konstruktionsprinzip gefunden, das vielversprechende Ergebnisse mit einfachen Mitteln liefert.

Bisher war der mathematische Aufwand für die Lösung einer solchen Aufgabe mittels Koordinatentransformation sehr hoch - und führte überdies in der Mechanik nicht zum Erfolg. Was eine mathematische Umformung bewirkt, wird ganz anschaulich, wenn man sich beispielsweise ein Netzwerk von verbundenen Punkten auf einer Gummihaut gemalt vorstellt. Streckt und verzerrt man diese Gummifläche, hat man eine Koordinatentransformation nachgestellt. Wenn das gedachte Netzwerk auf eine Materialverteilung abgebildet werden kann, hat man einen recht universellen Design-Ansatz zur Hand, um etwa mechanische Kräfte, die auf das Material wirken, in gewünschte Bahnen zu lenken.

Mathematik stellte unmögliche Anforderungen an das Material

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Für Licht ist die Grundlage solcher Umformungen die Mathematik der Transformationsoptik. Doch dieses Prinzip auf echte Materialien und Bauteile in der Mechanik zu übertragen, war bisher für reale Konstruktionen und Stoffe nicht möglich – die Mathematik lieferte gewissermaßen unmögliche Anforderungen an das Material. Um die Schwierigkeiten zu umgehen, berichten die Forscher am Institut für Angewandte Physik des KIT um Erstautor Tiemo Bückmann von einem neuen Weg. „Wir haben uns ein Netzwerk von elektrischen Widerständen vorgestellt“, berichtet Bückmann. „Dort kann man die Drahtverbindungen zwischen den Widerständen unterschiedlich lang wählen, aber ihr Wert verändert sich nicht. So bleibt die elektrische Leitfähigkeit des Netzwerks auch dann unverändert, wenn man es verformt.“

Das Prinzip der Tarnkappe

Dieses Gedankenexperiment haben die Forscher nun auf die Praxis übertragen. „In der Mechanik findet man das Prinzip wieder, wenn man sich kleine Federn anstelle der Widerstände vorstellt“, so Tiemo Bückmann. „Wir können einzelne Federn länger oder kürzer machen, wenn wir dafür ihre Form so anpassen werden, dass die Kräfte zwischen ihnen gleich bleiben. Dieses einfache Prinzip spart viel Rechenaufwand, und erlaubt uns das direkte Transformieren echter Materialien.“ Die Forscher haben ihre Methode in einem Modellversuch mit einem Material aus gedrucktem Polymer getestet. In eine stabile sechseckige, bienenwabenartige Struktur wurde ein Loch eingebracht. Die verzerrenden Kräfte aufgrund der reduzierten Stabilität betrugen zunächst über 700 Prozent. Nach Anwendung der neu entwickelten Umformung betrug der Fehler nur noch 26 Prozent. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nach Einschätzung der Wissenschaftler vielfältig, denn mit der neuen Methode können bekannte zusammengesetzte Materialien oder mechanische Stützkonstruktionen so berechnet werden, dass sie auch in besonderen Formen möglichst stabil auf äußere Kräfte reagieren. Nämlich so, als ob die Stützkonstruktion unverformt wäre.