Der deutschsprachige TV-Sender
für Wissenschaft und Technologie
Gewähltes Tag Bionik
Das große Fressen der Designer Bugs
Beitrag
Bioingenieure konstruieren produzierende Mikroorganismen
Der weißen Biotechnologie werden für die nächsten Jahre Wachstumsprognosen bis zu dreißig Prozent vorausgesagt. Sie befasst sich mit der Entwicklung von Enzymen als Biokatalysatoren für die großtechnische Produktion. Ein spezieller Bereich der Biotechnologie: konstruierte Designer-Mikroorganismen mit spezifischen Aufgaben, die sie in der Produktion übernehmen können. Ihr künftiger Einsatz reicht von der Biokunststoff-Produktion bis zur Vernichtung von Schweröl nach einer Havarie.
Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:
- Förderprogramme des Bundes zur weißen Biotechnologie – Link
- Hightech-Strategie der Bundesregierung zur Biotechnologie – Link
- zum Rauchgasprojekt der RWE AG mit der BRAIN AG – Link
- zur Produktion von Designer-Mikroorganismen der BRAIN AG – Link
Mehr zum Inhalt des Videos:
Dass kleine Organismen in der Natur erstaunliche Fähigkeiten besitzen, ist an sich keine neue Erkenntnis. Wir finden sie beispielsweise im altbekannten Prozess der Gärung, die Hefepilze im Weinfass vollbringen. Doch erst mit der Molekularbiologie und der Genetik ist es uns gelungen, die grundlegenden biochemischen Reaktionen zu verstehen. Wir wissen heute, dass sie maßgeblich von Enzymen gesteuert werden; Enzyme wirken als chemische Biokatalysatoren auf lebende Organismen. Mit Hilfe der Genetik ist nicht nur das Verständnis der Funktionsweise von Enzymen deutlich gewachsen. Dieses Wissen erlaubt es uns heute sogar, Mikroorganismen gezielt zu „konstruieren“ – mit unterschiedlich rekombiniertem Erbgut. Zweck der genetischen Manipulationen: vorhandene spezifische Fähigkeiten spezieller Mikroorganismen gezielt weiter zu optimieren. Die Fachwelt nennt diese Reagenz-Kreaturen „Designer Bugs“. Ein biotechnologisch gut funktionierender Mikroorganismus ist der erste Schritt auf dem Weg zu einem geeigneten großtechnischen Herstellungsverfahren in einer “Biofabrik”.
Wir stehen heute am Anfang eines neuen Industriezweiges, den die Fachwelt “weiße” Biotechnologie nennt. Die BRAIN AG gehört zu diesen jungen, aufstrebenden Unternehmen, die sich mit industrienahen Forschungen auf diesem Gebiet befasst. In einer Kooperation mit dem Energieversorger RWE wird derzeit eine Demonstrationsanlage entwickelt und getestet. Ziel des Projektes: Designer-Mikroorganismen künftig so zu konfektionieren, dass sie das in konventionellen Kohlekraftwerken erzeugte Rauchgas in Biokunststoffe umwandeln.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Dem Kofferfisch abgeschaut
Beitrag
Autohersteller folgen dem aerodynamischen Vorbild der Natur
Das aerodynamische Verhalten ist für Flugzeuge wie für Automobile ein wichtiger Parameter. Es beeinflusst neben dem Gewicht des Fahrzeugs den Energieverbrauch maßgeblich. Schon 2005 entwickelte Daimler ein frühes bionisches Konzeptfahrzeug, das dem Kofferfisch nachempfunden ist. Obwohl scheinbar plump, zeigt der Kofferfisch sensationelle Strömungseigenschaften.
Lernen vom Vorbild der Natur: Was den Kofferfisch mit seiner kantigen Form auszeichnet und ihn für Autobauer besonders interessant macht:
- das optimale Verhältnis von Oberfläche zu Volumen
- maximale Steifigkeit bei minimalem Gewicht
- ein außergewöhnliches Strömungsverhalten.
Das Bionic Car von Daimler ist nur ein einziges Mal gebaut worden, dennoch zeigt das frühe Beispiel, dass auch Ingenieure des Fahrzeugbaus von der Natur viel lernen können. Sie erzielten mit dem originalgetreuen Modellnachbau des Kofferfisches im Windkanal einen geradezu fabelhaften Luftwiderstandsbeiwert von nur 0,06. Zum Vergleich: Herkömmliche Autos haben heute einen Wert, der bei 0,3 liegt.
Das Konzept-Auto Bionic Car von Daimler ist über ein einziges gebautes Exemplar nicht hinaus gekommen. Immerhin hat Daimler in Zusammenarbeit mit Bionik-Experten im Zuge dieser Forschungen auch ein eigenes rechnergestütztes materialwissenschaftliches Verfahren entwickelt. Es überträgt das Wachstumsprinzip der Biologie in die Konzeption von Autos. Ingenieure einiger bekannter Automarken lassen heute Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten am Rechner wachsen. Bereiche mit geringer Belastung sind dünner gestaltet oder sogar völlig herausgeschnitten, hoch beanspruchte Stellen werden dagegen gezielt verstärkt. Die Grundlagen dieser Methode stammen von dem Biomechaniker Prof. Dr. Claus Mattheck. Schon in den achtziger Jahren hat er Bäumen abgeschaut, wie man mit minimalem Materialaufwand maximale Stabilität erzielen kann. Diese Erkenntnisse hat er später in ein Computerprogramm für die Optimierung von Bauteilen eingearbeitet.
In der CAD-Welt bezeichnet man dieses Verfahren mit dem Terminus „Soft Kill Option“ oder auch mit dem Begriff „Topologieoptimierung“. Es wird für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die geringe Reichweite heutiger Batterien erfordert es, dem Gewicht von Fahrzeugen besondere Beachtung zu schenken – ohne Zugeständnisse bei der Fahrsicherheit.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Biomechatronischer Flugapparat „SmartBird“
Beitrag
Bioniker der Festo AG bauen Flügelschlag von Vögeln nach
Mit „Smart Bird“ entwickelten Bioniker erstmals ein mechatronisches Ebenbild eines Vogels. Die Leichtbau-Konstruktion überwacht ihre Flugbewegungen mit Hilfe von Sensoren analog den Sinnesorganen, ein Computer übernimmt als Steuerungseinheit die Funktion des Gehirns.
Seit Menschengedenken beobachten Visionäre, Wissenschaftler und Flugpioniere den Vogelflug. Mit der Analyse der Anatomie von Vögeln sowie ihrer Flügelbewegungen erhofften sie sich die Entschlüsselung dieses Rätsels. Sie beschäftigten sich intensiv mit der Form und Funktion des Flügels und entwarfen Modelle von Geräten, die sich – obwohl schwerer als Luft – dennoch in die Luft erheben können sollten. Dem Flugpionier Otto Lilienthal gelang es vor mehr als hundert Jahren als erstem, ein Fluggerät zu bauen, das in der Luft zumindest gleiten konnte.
Wir wissen heute, dass es nicht ausreicht, die Kunst des Fliegens nur mechanisch zu erklären. Genauso wichtig ist die permanente Bewegungssteuerung während des Fluges mit Hilfe der Sinnesorgane. Mit SmartBird entwickelten Bioniker im Rahmen des Festo Bionic Learning Network jetzt erstmals einen Flugapparat als biomechatronischen Gesamtentwurf. Die Reportage schildert den Weg der Bioniker von der Idee zum flugtüchtigen Modell.
Die Herausforderung bestand darin, dass der SmartBird wie ein Vogel in der Lage sein sollte, während des Fluges seine Flügelstellung zu verändern. Der künstliche Vogel sollte in der Lage sein, sich verändernden Strömungsverhältnissen in der Luft sofort anpassen zu können.
Dafür ist eine bionische Leichtbau-Mechanik erforderlich, die mit elektrischer Antriebstechnik sowie mit in Echtzeit arbeitender Steuerungs- und Regelungstechnik ausgestattet ist. Sie überwacht und optimiert den Flügelschlag permanent beim Fliegen. Vor- und Auftrieb von SmartBird werden ausschließlich durch das Schlagen der Flügel erzeugt und benötigen nur 23 Watt Leistung. Mit einem Gesamtgewicht von nur 485 Gramm hat die mövenähnliche Flugmaschine eine Flügelspannweite von zwei Metern. Dabei erreicht sie einen aerodynamischen Wirkungsgrad von bis zu achtzig Prozent.
2011 gelang es dem Team erstmals, den künstlichen Vogel erfolgreich fliegen zu lassen.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Porträt: Prof. Dr. Robert Langer
Beitrag
Der Wirkstoff-Experte
Seit 2005 ist Robert Langer Institutsprofessor für Chemie-Ingenieurwesen und Medizintechnik am Massachusetts Institute of Technology in Boston (MIT), USA. Seine wissenschaftlichen Arbeiten konzentrieren sich auf die Übertragung biologischer Funktionen auf Materialien. Richtungweisend ist vor allem seine Forschung, die sich mit der kontrollierten Freisetzung von Arzneistoffen befasst. Seine Auszeichnung mit dem Max-Planck-Forschungspreis, der insgesamt mit 1,5 Millionen Euro dotiert ist, soll vor allem biotechnologische und biomedizinische Forschung stärker fördern.
© Max-Planck-Gesellschaft 2008
