Schön und erstaunlich stabil: Kieselalgen - hier die Art Asteromphalus. Bild: Friedel Hinz, AWI

Baumeister aus dem Meer

Kieselalgen haben Eigenschaften, von denen Ingenieure träumen: Ihre Skelette sind extrem stabil und dennoch sehr leicht. Forscher versuchen die Bauprinzipien der Algen zu verstehen und zu kopieren. Mit Erfolg: Erste Bauteile könnten demnächst in Serie gehen. Wir sprachen mit dem Algenforscher Christian Hamm über Kieselalgen und die Gründung einer eigenen Firma

Christian Hamm ist Wissenschaftler am Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar-und Meeresforschung (AWI). Die Kieselalgen und ihre stabilen Skelette beschäftigen ihn schon seit vielen Jahren. Mit einem interdisziplinären Gründerteam will er nun eine eigene Firma gründen, und Leichtbauteile im Auftrag von Industriepartnern entwickeln.

Mit ihrem Team für die geplante Ausgründung entwickeln Sie Leichtbauteile für verschiedene technische Anwendungen. Vorbild sind die Schalen und Skelette von Kieselalgen. Wie sind Sie darauf gekommen?

Wir haben festgestellt, dass Kieselalgen ein außergewöhnlich stabiles Außenskelett haben und dennoch sehr leicht sind. Beides brauchen sie, um zu überleben: Stabilität, um nicht von ihren Fressfeinden, den Ruderfußkrebsen, gefressen zu werden. Leichtigkeit, um nicht im Meer abzusinken und so vom Sonnenlicht abgeschnitten zu sein. Die außergewöhnlich große Stabilität der Schalen konnten wir schon vor einigen Jahren zusammen mit der TU München in Crashtests zeigen. Die Ergebnisse haben wir im Magazin Nature publiziert. Die mit uns kooperierenden Physiker waren damals sehr beeindruckt davon, wie stabil diese Schalen sind. Daraufhin haben wir uns gefragt, woher diese Stabilität kommt. Die Antwort war, dass die sehr komplexe Geometrie der Gehäuse ganz entscheidend ist, obwohl das Material auch sehr interessante Eigenschaften hat. Es war dann nahe liegend, zu versuchen, diese Erkenntnisse für die Entwicklung von Bauteilen, die besonders stabil und gleichzeitig möglichst leicht sein sollen, zu nutzen.

Wir gehen Sie dabei vor?

In der Bionik ist es häufig so, dass man sich von biologischen Strukturen eher unspezifisch inspirieren lässt. Dabei entstehen oft zufällige Ergebnisse, deren Potenzial in der Regel nicht ausgereizt ist. Wir gehen daher sehr systematisch vor: Am Anfang steht eine genaue Beschreibung der technischen Anforderungen und möglicher Probleme. Nehmen wir beispielsweise die Gründungsstruktur - eine Art Sockel - einer Windkraftanlage im Offshorebereich als Beispiel. Wir müssen wissen, welche Lasten der Sockel an welchen Stellen aushalten muss, wie groß er ist und aus welchem Material er besteht. Schließlich brauchen wir die Information darüber, mit welchen Methoden der Sockel gefertigt werden kann. Mit diesem Wissen suchen wir in unseren Datenbanken nach Strukturen, die ähnlich gebaut und im Idealfall ähnlichen Bedingungen ausgesetzt sind. Eine 3D-Datenbank mit Planktonorganismen haben wir über die Jahre bereits aufgebaut.

Wie geht es dann weiter?

Wir identifizieren mehrere, prinzipiell passende Geometrien aus der Natur und unterziehen sie einem  Optimierungsverfahren. Das geschieht mit Hilfe parametrischer Computer-Modelle nach dem Prinzip einer evolutionären Anpassung. Solche Modelle können in ihrer Geometrie gut verändert werden. Man erzeugt aus ihnen dann mehrere, unterschiedliche Varianten („Nachkommen“). Diese werden durch Berechnungen auf Grundlage der technischen Anforderungen bewertet. Die besten Varianten dürfen dann wieder neue Nachkommen erzeugen, welche ebenso bewertet werden usw... So entstehen über viele Zyklen oder Generationen angepasste Lösungen. Diese Schritte sind ziemlich aufwändig. Vorher ist auch nicht klar, welche Struktur das Rennen macht, also welche nach der Optimierung am besten geeignet ist. Aber wir kommen so im Gegensatz zu herkömmlichen, numerischen Verfahren nicht nur zu einer, sondern zu unterschiedlichen, sehr leistungsfähigen Lösungen für ein Problem, was für unsere Partner viele Vorteile bietet. In einem letzten Schritt müssen diese Lösungskonzepte so aufbereitet werden, dass ein fertigungsnahes Modell entsteht.

Welche Bauprinzipien sind es denn, die die Kieselalgen so stabil machen?

Es gibt einige Bauprinzipien, die immer wieder auftauchen, beispielsweise der fraktale Aufbau. Fraktal bedeutet selbstähnlich – größere Strukturen wiederholen sich im Kleinen und führen so zu mehr Stabilität. Zum Beispiel verfügen einige Arten über Strukturen mit Querverstrebungen, zwischen denen eine Reihe kleinerer Verstrebungen liegen und zwischen denen wiederum noch kleinere angebracht sind. Das gleiche Prinzip gibt es mit wabenförmigen Formen. Dadurch entstehen insgesamt sehr komplexe Strukturen, die typisch sind für derartige stabile Gebilde. Die Übergänge zwischen einzelnen Strukturelementen sind dabei immer sehr fließend. Dadurch gibt es kaum Kerbspannungen, das sind sehr hohe Spannungen, die an scharfen, „eckigen“ Übergängen entstehen und durch die ein Versagen von Bauteilen begünstigt würde.

Sie haben bereits eine Reihe von Entwicklungsprojekten für die Industrie umgesetzt. Diese Arbeit soll nun in eine selbstständige Firma ausgelagert werden. Wie ist der Stand der Dinge?

Wir befinden uns gerade in einer Übergangsphase. Bereits seit fünf Jahren gibt es in Bremerhaven das Institut für marine Ressourcen, abgekürzt Imare. Das ist ein unter anderem aus dem AWI ausgegründetes Institut für angewandte Themen. Dort konnten wir schon sehr anspruchsvolle und spannende Aufträge einwerben und bearbeiten. Für 2015 planen wir nun die Gründung einer eigenständigen Firma. Um langfristig erfolgreich zu sein, müssen wir weiter intensiv mit dem AWI zusammenarbeiten und dort Grundlagenforschung betreiben. Das ist bei unserer Arbeit deshalb besonders wichtig, weil wir im Bereich der Leichtbauoptimierung noch sehr viele Innovationen aus der Meeresforschung erwarten.

In welchen Produkten befinden sich schon Bauteile, die Sie entwickelt haben?

Es gibt Entwicklungsprojekte für die verschiedensten Bauteile. Einen hohen Stellenwert hat hier die Automobilindustrie, die aktuell unser wichtigster Pfeiler ist. Aber auch Haushaltsgeräte, Messeinrichtungen, Windkraftanlagen und Teile aus Luft- und Raumfahrt haben wir schon bearbeitet. Unsere Projekte sind damit ungewöhnlich branchenübergreifend. Einfachere Bauteile werden voraussichtlich demnächst in Serie gehen, komplexe Produkte brauchen relativ lang bis zur Serieneinführung.

Wie empfinden Sie persönlich den Unterschied zwischen Forscheralltag und Industrieprojekten?

Im Vergleich zur Forschung sind die Industrieprojekte zwar überschaubarer, es muss aber alles viel schneller gehen. Der Druck, zu einem bestimmten Zeitpunkt fertig zu sein, ist viel größer. Im Forscheralltag kann und muss man sich dagegen länger mit einem Projekt beschäftigen und kann so auch die langfristige Richtung weitestgehend selbst bestimmen. Ich persönlich finde es unglaublich spannend, in beiden Bereichen zu arbeiten. Daher werden wir die Grundlagenforschung auf jeden Fall weiter am AWI betreiben; Aufträge werden ausschließlich in der Firma bearbeitet. Wenn wir diesen Ansatz sinnvoll und richtig verfolgen, können wir noch viele hochwertige Innovationen im Bereich Leichtbau entwickeln und in die Anwendung bringen, die sonst in anderen Innovationszentren, z.B. in den USA, oder erst sehr viel später entstünden.

Website zum ELISE-Verfahren

Helmholtz Enterprise für Ausgründungsvorhaben von Helmholtz-Forscherinnen und Forschern

Mit einem interdisziplinären Gründerteam will Christian Hamm die Entwicklung von stabilen Leichtbauteilen in einem eigenständigen Unternehmen weiterführen. Die Firma ELISE ist eine Ausgründung des AWI und eines der vier neuen Ausgründungsvorhaben, die vom Förderprogramm Helmholtz Enterprise profitieren.

Zur Pressemeldung

Helmholtz Enterprise wird aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert – einem zentralen Instrument zum Erreichen strategischer Ziele und zur Umsetzung der Prinzipien, denen sich die Helmholtz-Gemeinschaft im Zuge des Pakts für Forschung und Innovation verpflichtet hat. 

Leichtbau ist auch ein Schwerpunktthema der diesjährigen Innovation Days, die diesmal am 1. und 2. Dezember 2014 in München stattfinden werden. Unter anderem präsentieren die vier großen Forschungsorganisationen ihre 40 besten Technologien und Spin-off-Projekte bzw. Ausgründungen in den Bereichen Material / Leichtbau und Biotechnologie. Um einen Platz für die 10minütigen Vorträge (Pitches) können sich Helmholtz-Forscherinnen und -Forscher noch bis zum 12.09.2014 bewerben.

Bewerbungsformular "Spin-Off-Projects"

Bewerbungsformular "Technology Offer"

Weitere Informationen zu den Innovation Days und den Pitches

01.09.2014 , Das Interview führte Martin Trinkaus
Druck-Version