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Evolution für Revolution

Ähneln Bauwerken aus Science-Fiction-Filmen: Modelle von Einzellern (Hintergrund) und von darauf basierenden Leichtbau-Fundamenten für Offshore-Windräder (vorn). Foto: Wolfgang Heumer
Ähneln Bauwerken aus Science-Fiction-Filmen: Modelle von Einzellern (Hintergrund) und von darauf basierenden Leichtbau-Fundamenten für Offshore-Windräder (vorn). Foto: Wolfgang Heumer

Winzigkleine Lebewesen aus den Ozeanen sollen die Bauanleitung für die Fundamente von Offshore-Windkraftanlagen liefern. Dafür erforschen Wissenschaftler des Bremerhavener Instituts Imare die Silikatkonstruktionen von Kieselalgen und Strahlentierchen.

Die Modelle auf dem Schreibtisch von Dr. Christian Hamm sehen ein wenig so aus wie die futuristischen Bauwerke und Raumfahrzeuge aus den Science-Fiction-Comics um den Weltraumhelden Flash Gordon. Dreibeine aus kühn im Bogen geschwungenen Rohren tragen Kugeln aus filigranen Gitterkonstruktionen und stützen senkrecht nach oben strebende Spitzen.

Tatsächlich sind diese Modelle ein Stück Zukunft, beileibe aber keine Fiktion: "So ähnlich könnten die Tragstrukturen für die großen Windkraftanlagen aussehen, die vor der deutschen Küste gebaut werden", erläutert Hamm. Aber nicht nur das Endprodukt, sondern auch die Ursprungsidee ist eng mit dem Wasser verbunden: "Unser Vorbild sind Strahlentierchen, sogenannte Radiolarien, und Kieselalgen, deren Silikatskelette in höchstem Maße stabil sind.", sagt Hamm, der sich seit Jahren am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) und jetzt auch am Institut für marine Ressourcen Imare mit Diatomeen – so der wissenschaftliche Name für Kieselalgen – beschäftigt.

Kieselalgen sind nicht erst seit gestern für die Wissenschaft interessant. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts begann der Bremer Lehrer Friedrich Hustedt mit dem Aufbau einer Diatomeen-Sammlung. Mittlerweile umfasst das Archiv mehr als 80.000 verschiedene Kieselalgen aus aller Welt. Am sogenannten Hustedt-Arbeitsplatz im AWI sind die Probenröhrchen ein nahezu unerschöpflicher Quell an Ideen und Anregungen – denn unter dem Mikroskop betrachtet zeigen die Winzlinge einen Reichtum an statischen Konstruktionen und Skeletten, wie ihn kein Architekt ersinnen und nur die Natur entwickeln kann.

Der gemeinsame Nenner aller von der Evolution in Millionen Jahren geschaffenen Strukturen: Mit einem Minimum an Materialeinsatz erreichen die kleinen Kraftprotze ein Maximum an Stabilität. Und das macht sie nun auch für die Industrie interessant: "Leichtbau ist an vielen Stellen gefragt, um den Materialeinsatz zu verringern, bessere Produkteigenschaften zu erreichen oder um zum Beispiel im Automobilbau durch ein geringeres Gewicht den Energieverbrauch zu senken", erläutert Hamm. Die biologische Evolution soll dabei die technische Revolution vorantreiben: "Die Nutzung von biologischen Strukturen, die bereits durch die Natur optimiert wurden, führt unter Umständen zu anderen und besseren Ergebnissen als der Versuch, solche Formen am Computer zu konstruieren", sagt der Wissenschaftler.

Gut gepanzerte Formenvielfalt

Ausgeklügelte Konstruktionen der Natur: Dr. Christian Hamm betrachtet Mikroskopaufnahmen von Strahlentierchen und Kieselalgen. Sie sind Vorbilder für die Entwicklung von Leichtbaufundamenten für Offshore-Windanlagen. Foto: Wolfgang Heumer
Ausgeklügelte Konstruktionen der Natur: Dr. Christian Hamm betrachtet Mikroskopaufnahmen von Strahlentierchen und Kieselalgen. Sie sind Vorbilder für die Entwicklung von Leichtbaufundamenten für Offshore-Windanlagen. Foto: Wolfgang Heumer

Wer Kieselalgen als Vorbild für industrielle Produkte nutzen will, muss allerdings genau hinsehen. Denn die Diatomeen sind gerade mal 30 bis 100 Mikrometer, also maximal ein Zehntel Millimeter groß. Unter dem Elektronenmikroskop offenbart sich aber eine Vielzahl von Figuren: Sterne, Waben, Bögen und Halbbögen, die sich zu äußerst komplexen Strukturen zusammengefunden haben. Die Figuren sind das Ergebnis einer natürlichen Auslese: In der Meereswelt, in der Fressen und Gefressenwerden den Alltag bestimmen, haben die Diatomeen ihre eigene Schutztaktik entwickelt: "Sie haben sich mit einem Panzer umhüllt, der eine außerordentliche Festigkeit aufweist", erläutert Hamm.

Als Grundlagenforscher am AWI arbeitet Hamm seit Jahren daran, die Algenstrukturen zu entschlüsseln. Und am Imare als Zentrum für die angewandte Forschung überführt Hamm gemeinsam mit einem ganzen Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren die Grundlagenerkenntnisse in industrielle Anwendungen. Mit Erfolg: Eine Kohlefaser-Autofelge, eine Kunststoffwaben-Struktur als Ersatz für den klassischen Gipsverband bei Knochenbrüchen sowie das ultraleichte Innenleben für eine Kopfstütze am Autositz gehören zu den serienreifen Produkten, die auf Basis der meeresbiologischen Erkenntnisse entstanden sind.

Nach den Anfangserfolgen stoßen Hamm und seine Kollegen nun in eine neue Dimension vor. Das Ziel: Sie wollen Gründungsstrukturen für die riesigen Windkraftanlagen entwickeln, die ab 2012 in der Deutschen Bucht aufgestellt werden sollen. Die stählernen Fundamente müssen viele hundert Tonnen Gewicht tragen und zugleich den enormen Belastungen aus der Windkraft und den rotierenden Flügeln widerstehen. Entsprechend groß und schwer sind die bislang als Traggestell vorgesehenen Stahlstrukturen.

Angesichts der hohen Material- und Baukosten hat sich die Imare-Mannschaft ein großes Ziel gesetzt: "Es ist möglich, das Gewicht dieser Strukturen um 40 Prozent zu reduzieren", ist Hamm überzeugt. Seine Hoffnungen ruhen auf einem Strahlentierchen: einem Einzeller namens Clathrocorys, dessen dreibeiniges Skelett aus Siliciumdioxid (besser bekannt als Opal) verdächtig an die erwähnten Sci-Fi-Bauwerke erinnert.

Kraftzwerg mit Mehrwert

Zwar ist der Kraftzwerg bereits seit 1887 bekannt, als ihn der deutsche Arzt und Zoologe Ernst Haeckel erstmals beschrieb. Doch seine wahren Werte offenbart das Strahlentierchen jetzt durch die kombinierte Grundlagen- und Anwendungsforschung. Das Wissenschaftlerteam um Christian Hamm untersuchte die mechanischen Eigenschaften des Winzlings, unterzog ihn sogar Crashtests und ergründete die Konstruktionsprinzipien von Clathrocorys.

Mit einem durchschlagenden Erfolg: In einer Simulationsrechnung können Hamm und seine Kollegen jetzt selbst Evolution spielen. Am Computer wählen sie unterschiedliche Strahlentieren aus, berechnen sie, „kreuzen“ sie miteinander und schauen sich dann an, wie sich die Nachkommen entwickeln. Aus jeder neuen Generation werden die Exemplare ausgesucht, die am ehesten den Anforderungen für den Einsatz als Fundament für Windkraftanlagen genügen.

ELiSE heißt das entsprechende Verfahren – "Evolutionary Light Structure Engineering". Der englische Begriff lässt erkennen, dass die Bremerhavener Forscher nicht allein an dem Vorhaben sitzen. Mit „Planktontech“ steht ihnen ein internationales Forschernetzwerk zur Verfügung, zu dem neben weiteren deutschen Instituten und Universitäten unter anderem auch die Harvard University zählt.
Bei ihren computergestützten Experimenten sind die Forscher bereits weit gekommen. Das letzte Modell in der "Flash Gordon"-Reihe auf Hamms Schreibtisch hat mit Science Fiction nicht mehr viel zu tun: Es trägt bereits eine Windkraftanlage im Miniformat.

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6.431 Zeichen, Autor: Wolfgang Heumer

Pressekontakt:

Institut für Marine Ressourcen

Dr. Christian Hamm

E-Mail: christian.hamm[at]imare.de

Erstellungsdatum: 20.12.2011