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Umwelt&Innovation

Baubionik
Bauen nach dem Vorbild der Natur

Das Modell des Urbach-Turms und die fertige Konstruktion | Bild: Modell Urbach-Turm: Franziska Weber; Konstruktion: ICD/ITKE University of Stuttgart

Baubionik Bauen nach dem Vorbild der Natur

Das Modell des Urbach-Turms und die fertige Konstruktion | Bild: Modell Urbach-Turm: Franziska Weber; Konstruktion: ICD/ITKE University of Stuttgart
 

12 May 2022

Bäume können extremen Unwettern standhalten und nutzen jeden Teil ihrer Umwelt. Unsere Bauwerke dagegen sind starr und passen sich nicht aktiv der Umgebung an. Doch könnten sie das? Die Bionik bringt Methoden aus der Natur auf die Baustellen der Zukunft.

Franziska Weber

Crossmedia-Redaktion / Public Relations
seit Wintersemester 2021
UmweltNachhaltigkeitArchitekturInnovation

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Im Jahr 2020 wurden laut dem Statistischen Bundesamt (destatis) rund 300 Tausend Wohnungen fertiggestellt. Die Bauweisen dieser Häuser sind Jahrzehnte erprobt, Materialien wie Beton haben eine jahrhundertalte Geschichte – doch diese sieht nicht besonders klimafreundlich aus. Rund acht Prozent der Emissionen weltweit sind auf die Produktion von Zement  und dessen Bestandteile zurückzuführen. Und das ist noch nicht alles. Laut UN-Klima-Bericht für Gebäude und Bauwesen entstehen rund 40 Prozent des weltweiten CO²-Ausstoßes im Bau und Gebäudesektor. Deshalb ist es wichtig, neben erneuerbaren Energien auch auf die Entwicklung von materialsparenden Bauteilen und effizienten Fertigungsverfahren zu setzen. Einen Ansatz dafür bietet die Bionik.

Die Natur als Treibstoff für Innovation

Jan Knippers, Leiter des Instituts für Tragwerksplanung und konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart, hat jahrelange Erfahrung in der Bionik-Forschung und sieht in ihr großes Potenzial für den Fortschritt des Bauwesens. Wieso sich der Blick auf die Natur in der Architektur und im Ingenieurbau lohnt, erklärt er so: „Die Strukturen der Natur erfüllen die Kriterien, nach denen wir jetzt gerade streben.“

Er deutet an, dass die Natur schon lange Prinzipien befolge, die in der Evolution von natürlichen Strukturen einen entscheidenden Vorteil erbracht haben. Die effiziente Nutzung seiner Umgebung und der sorgfältige Umgang mit Ressourcen sind Kriterien, die auch für die Zukunft des Bauens und der Technik von wesentlicher Bedeutung seien.

Forschungsgebäude / Prototyp auf der Bundesgartenschau Heilbronn 2019 | Bild: ICD/ITKE Universität Stuttgart
3D Visualisierung des Faserpavillons | Bild: ICD/ITKE Universität Stuttgart
Fertigungsprozess des Faserpavillons | Bild: ICD/ITKE Universität Stuttgart

Kleine Fasern – große Wirkung

In der Architektur und dem Bauingenieurwesen beschäftigt sich die Forschung unter anderem mit den natürlichen Strukturen von Pflanzen. Zum Beispiel bei der Entwicklung von Bauteilen mit Faserverbundtechnologie. Das sind Werkstoffe, die aus Materialfasern und Kunststoff bestehen und sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Belastbarkeit auszeichnen. Die Anwendungsbereiche reichen von Flugzeugbauteilen und Fahrzeugkarosserien bis hin zu Arm- und Beinprothesen mit geringem Eigengewicht. „Es liegt nah, dass man sich die Biologie zum Vorbild nimmt, wenn man sich mit Faserverbund beschäftigt, da dort alles aus Fasern besteht“, schildert Larissa Born. Sie ist stellvertretende Leiterin des Instituts für Textil- und Fasertechnologien (ITFT) und forscht selbst im Bereich der Bionik.

Das interdisziplinäre Team aus Wissenschaftlern des ITKE, ITFT und der Fakultät Biologie der Universität Freiburg entwickelte einen Verzweigungsknoten mit hoher Tragfähigkeit, der an einen Baumtrieb erinnert. Dieser soll vor allem im Brückenbau seine Anwendung finden, da dort die bisher verwendeten Stahlgussknoten mit einem hohen Materialaufwand verbunden sind. Der Faserverbundknoten dagegen besteht aus einer ca. drei bis fünf Millimeter dicken, geflochtenen Kunststoffschicht, die mit Beton ausgegossen wird. Die Konstruktion wird dadurch stabiler und benötigt bei gleicher Belastbarkeit wesentlich weniger Beton.  Das senkt den Materialaufwand sowie das Gewicht der Konstruktion erheblich. Auf den üblicherweise benötigten Stahl wird ganz verzichtet.

Infografik zeigt das Vorgehen in der Bionik-Forschung | Bild: Schefflera mit Verzeigungsknoten: Universität Stuttgart (ITFT) L. Born; Informationen: Biomimetics for Architecture, Jan Knippers, Ulrich Schmid, Thomas Speck, Digitale Führung: „baubionik - biologie beflügelt architektur 2017"

Die Herausforderungen der angewandten Bionik

Industrien entwickeln sich heute rasant, doch im Bauwesen scheint das nicht der Fall zu sein. Laut Knippers operieren Bauingenieurwesen und Architektur aus einer sehr kleinen Kiste bewährter Methoden, Bauweisen und Materialien. Die Forschung bestehe daraus, diese immer wiederkehrenden Strukturen stückweise zu optimieren. Es fehle der Weitblick, findet Knippers. Für Innovationen aus der Bionik bedeutet das oft: Bürokratie-Schlacht. Denn Zulassungen für Konstruktionen mit neuartigen Bauweisen und Materialien sind schwer zu bekommen. Für ihn gibt es dafür unterschiedliche Gründe: „Im Bauwesen spielt Sicherheit berechtigterweise eine große Rolle. Sie wollen, dass dieses Haus, in dem wir uns gerade befinden, unter keinen Umständen einstürzt, auch wenn der Jahrtausend-Sturm kommt. Und hohe Sicherheit im Bauwesen erreicht man eben durch strenge Vorschriften.“

Den zweiten Grund sieht er in der schon bestehenden Industrie. Bei einem Material wie Beton stehe ein wirtschaftlich durchoptimierter Prozess dahinter. Wie der Verein Deutscher Zementwerke in seinem Bericht festhält, hat die deutsche Zement-Industrie 2020 einen Umsatz von ca. 3 Milliarden Euro erzielt. „Wenn man dann mit etwas Neuem kommt, ist es erstmal zehnmal teurer. Es ist unheimlich schwer, gegen diese durchoptimierten industriellen Prozesse konkurrenzfähig zu sein“, erklärt der promovierte Bauingenieur.

Prototypen-Modelle aus der Bionik-Forschung | Bild: Franziska Weber

Gebäude der Zukunft

In der Zukunft könnten Bauwerke adaptiv sein, das heißt, sie können sich selbst ihrer Umwelt anpassen. Eine Mammutaufgabe. Es sei ein wichtiges Ziel, dass man Gebäudestrukturen schaffe, die auf unterschiedliche Belastungen aktiv reagieren können. Aktuell seien die Gebäude noch steif und unflexibel – das mache die Bionik wiederum so interessant, schildert Knippers. „Da hat die Bionik natürlich auch viele Beispiele, wie gerade Pflanzen, die bei Trockenheit ihre Blätter zusammenfalten, dass weniger Wasser verdunsten kann.“

Doch die Forschung ist mühsam. Adaptive Materialien sind schwierig zu entwickeln, da natürliche Strukturen einem ganz anderen Anforderungsprofil entsprechen müssen als technische Bauteile.
Einen Hoffnungsschimmer gibt es aber: Das erste anwendungsbezogene Forschungsprojekt des interdisziplinären Teams für adaptive Fassadenverschattungen läuft bereits. Allerdings werde es wohl noch mindestens ein Jahrzehnt dauern, bis diese wirklich im konventionellen Bau genutzt werden würden, schätzt Born.

Der erste Spatenstich

Die Entwicklung von bionischen Methoden und Konstruktionen soll nicht die Lösung aller Probleme sein, genauso wenig soll sie die Natur eins zu eins kopieren. „Das war auch nie unser Anspruch“, versichert Herr Knippers. Er meine, mit alten Technologien komme man nicht weiter, für die Zukunft müsse man Innovationen den Weg bereiten, um die Herausforderungen unserer Zeit zu meistern. Dabei kann die Bionik helfen. Durch sie können wir unseren Horizont erweitern und den von uns gesetzten Denkrahmen verlassen, um neue innovative Bauweisen zu erschaffen, die unser Klima schonen und Ressourcen sparen.