Das Vorbild für die beweglichen Komponenten an Gebäuden sind Zapfen von Nadelhölzern, die sich bei Feuchtigkeit öffnen (rechts) oder bei Trockenheit schließen.
C. Zollfrank/ TUM
Als Vorbild dient den Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM), der Universität Freiburg und der Universität Stuttgart die Natur. Genauer: die Zapfen von Nadelhölzern, die sich durch unterschiedliches Quellverhalten ihres Gewebes bei Feuchtigkeit öffnen oder bei Trockenheit schließen.
Deren mechanische Verhalten, das allein auf physikalischen Mechanismen und Materialeigenschaften beruht, soll auf bewegliche Komponenten an Gebäuden, zum Beispiel Jalousien, übertragen werden, wie das Team in einem Artikel im Fachmagazin "Advanced Materials" berichtet.
Reaktionen auf Feuchte
So schließen reife Kiefern- und Tannenzapfen bei Regen ihre Schuppen, um den Samen zu schützen. Ist es hingegen trocken, öffnen sie die Schuppen und geben den Samen frei. Deren reaktives Verhalten ist auch im Kapitel "Produkte und Architektur – Beispiele der Bau-Bionik" des Springer-Fachbuchs "Bau-Bionik" beschrieben. Bei dieser Bewegung spiele die Zusammensetzung der Zellwände eine wichtige Rolle, so die Forscher. Diese würden sich vor allem aus dem wenig quellfähigen Lignin und der gut quellenden Cellulose zusammensetzen. Wegen der unterschiedlichen Ausrichtung der Cellulosefibrillen in den Geweben der Schuppen, würden sich diese Schuppen bei hoher Luftfeuchtigkeit nach innen krümmen und bei Trockenheit nach außen.
Professor Cordt Zollfrank vom Lehrstuhl für Biogene Polymere am Campus Straubing für Biotechnolgie und Nachhaltigkeit der TUM gelang es, durch die Kombination von Materialien mit unterschiedlichem Quellvermögen, solche biomimetischen Antriebselemente, Aktuatoren, zu entwickeln. Auch diese bestehen aus zwei Schichten von Materialien, die unterschiedlich viel Flüssigkeit aufnehmen und sich ähnlich wie das Vorbild aus der Natur verhalten.
Überwindung von physikalischen Grenzen
Doch bevor derartige Komponenten an Gebäuden verbaut werden können und damit die bislang sich im Einsatz befindlichen Elektromotoren überflüssig machen – dies würde die Energieeffizienz von Gebäuden nochmals erhöhen –, sind noch einige Probleme zu klären. So benötigt die Feuchtigkeit beispielsweise bei Zapfen etwa zwei Stunden, um durch die Poren nach innen zu dringen. Doch je größer die Zelle oder das Gewebe, desto länger braucht das Wasser für diesen Weg. Bei einem Gebäude würde dieser Vorgang mehrere Jahre dauern. Um die Hydraulik von Kiefernzapfen für Anwendungen in der Architektur zu übertragen, muss folglich eine physikalische Grenze überwunden werden, schreiben die Wissenschaftler. Als Lösung nennt Zollfrank folgendes Verfahren: "Wir entkoppeln die Gewebegröße und bringen das Ganze auf Größe der einzelnen Zelle." Durch geschickte Querverbindungen entstehe so ein lockerer Zellverband, dessen einzelne Bestandteile sich dennoch wie einzelne Zellen verhalten und sehr schnell Wasser aufnehmen würden. Für spätere praktische Anwendungen kann er sich aber auch poröse Polymermaterialien vorstellen, deren Poren mit einer extrem wasseranziehenden Flüssigkeit, einem Hydrogel, gefüllt sind.