Die Natur als Vorbild

Jetzt im Frühling erleben wir das Erwachen der Natur und sehen das Wachsen der Pflanzen. Ein Baum ist eine hochadaptive Struktur, regeneriert sich periodisch und passt sich den Einwirkungen aus der Umwelt immer neu an. Pflanzengewebe und Holzzellwände, Knochen und Sehnen sind von der Nano- bis zur Makrostruktur hierarchisch durch Funktionsbeziehungen verknüpft. Jede kleinste Veränderung in der Nanostruktur wirkt sich direkt auf die makroskopischen Eigenschaften aus; daraus ergeben sich effektive Mechanismen zur Anpassung an äußere Bedingungen und zur Veränderung des Verhaltens. Solche Struktur-Funktions-Beziehungen versuchen wir, in adaptive Strukturen von Bauwerken einzubringen. Jedoch gibt es (zumindest noch derzeit) zwischen den natürlichen und den künstlich gebauten Strukturen einen wichtigen Unterschied. Biologische Systeme haben die Fähigkeit des Erhaltens und der Selbstheilung der materiellen und strukturellen Integrität. Die Mechanik von Zellwänden wird primär durch die Zellwandpolymere, die räumliche Anordnung und die strukturelle Form und Verbindung bestimmt. Ähnlich wie bei Baustoffen entsteht auch bei den Biopolymeren der Zellwand eine Scherspannung in der Matrix, die ab einem kritischen Wert in einem Fließbereich mündet. Die Zellulosefibrillen sind mit der Matrix über eine Vielzahl an Wasserstoffverbindungen gekoppelt. Bei einer zunehmenden mechanischen Beanspruchung lösen sich diese Bindungen und die Zellulosefibrillen gleiten aneinander vorbei, was zu einer irreversiblen (plastischen) Verformung führt. Werden diese Zellwände jedoch wieder belastet, können sich diese Bindungen durch die Selbstheilung wieder generieren – allerdings als Brücken zwischen den bereits dauerhaft verformten Zellulosefibrillen. Dieser Selbstheilungsprozess im Faser-Matrix-Verbund von Zellwänden ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie wir für die Entwicklung von adaptiven Faserverbundwerkstoffen und -strukturen von der Natur viel lernen können. Es werden auch schlankere und leichtere Strukturen möglich sein, da man nicht grundsätzlich die maximale Überlagerung aller möglichen Einwirkungen ansetzen muss. Die Natur hat auch eine jahrtausendelange Erfahrung mit dem Lebenszyklusmanagement. Pflanzen brauchen Nährstoffe und Wasser, damit sie sich erhalten und jährlich regenerieren können. Durch ihr Monitoringsystem der Wurzeln steuern sie den Wasser- und Ionenhaushalt. Bei Bauwerken werden durch Sensoren zwar die Erkenntnisse gewonnen, jedoch fehlt es manchmal an der begleitenden Instandhaltung. Werner Sobek, der Inspirator des Leichtbaus, hat durch seine Studien, Forschungsinitiativen und Bauten die Natur in ihrer Ästhetik und Schlichtheit sowie mit ihrer adaptiven Regenerierbarkeit wieder hereingeholt in den Hausbau und den konstruktiven Ingenieurbau. Eine Auswahlbibliographie mit wichtigen Publikationen von Werner Sobek aus den letzten 30 Jahren stellt derzeit das Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB zur Verfügung – zugänglich unter www.baufachinformation.de/sobek. Mögen sein Ideenreichtum, seine globalen Denkansätze noch viele Jahre sprühen und vieles davon Realität werden, um der Natur die Chancen zur Regenerierung auch für die nächsten Generationen zu bieten. Herzliche Gratulation zum Geburtstag! Konrad Bergmeister Prof. Dipl.-Ing. Dr. Dr. Dr.-Ing. E.h. Konrad Bergmeister Universität für Bodenkultur, Wien