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Bionik: Plankton-Skelette als Vorbild

Meeresforscher haben Optimierungstool für den Leichtbau entwickelt
Bionik: Plankton-Skelette als Vorbild

Rund 40 m hoch sind die Gründungsstrukturen für Offshore-Windanlagen – und nur 100 µm groß ist das Strahlentierchen, nach dessen Vorbild sich das Gewicht der Stahlkonstruktionen um etwa 37 % reduzieren lässt. Ein typisches Anwendungsbeispiel für das bionische Optimierungstool ELiSE.

Einen gewissen Aufwand mussten die Ingenieure der WeserWind GmbH und die Forscher vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung AWI in der Helmholtz-Gemeinschaft (beide Bremerhaven) schon betreiben, um die Fundamente für Offshore-Windkraftanlagen zu optimieren. Bei diesen so genannten Gründungsstrukturen handelt es sich um 30 bis 40 m hohe, dreibeinige „Tripods“, die im Meeresboden verankert werden. Sie haben ein Gewicht von rund 800 t. Vergleiche mit Plankton-Skeletten führten zu einer technischen Konstruktion, die – nach heutigem Stand – rund 37 % leichter sein wird. René von der Hellen, Projektingenieur F+E bei WeserWind, sieht eine gute Chance von 50 %, dass die bionischen Tripods künftig auch zum Einsatz kommen.

Das Vorgehen ist beispielhaft: Das AWI verfügt über einen Fundus von über 100 000 Präparaten und Proben von Kieselalgen und Radiolarien. Diese Organismen sind zwischen 2 und 1000 µm groß. Sie haben in der Evolution sehr stabile und dennoch leichte Schalenstrukturen entwickelt, um in den oberen Meeresschichten verbleiben zu können und sich gleichzeitig gegen die dort lebenden, natürlichen Feinde zu schützen.
Für die WeserWind-Gründungsstrukturen hatten die Forscher hunderte von Radiolarien untersucht und stießen tatsächlich auf vielversprechende, geometrische Formen. „Nun hieß es herauszufinden, wie diese Formen mit der Last einer Windkraftanlage umgehen würden“, erklärt Daniel Siegel vom AWI. Im zweiten Schritt wurde eine Form ausgewählt, im dritten erfolgte das Abstrahieren für die technische Umsetzung, im vierten Schritt deren Optimierung und zuletzt die fertigungstechnische Aufbereitung.
Die Gründungsstruktur wäre nur ein schönes Beispiel, hätte das AWI für diese Vorgehen nicht ein systematisches Tool entwickelt: Das „Evolutionary Light Structure Engineering“-Verfahren (ELiSE) will den strukturellen Leichtbau revolutionieren. ELiSE wird derzeit verstärkt der Industrie vorgestellt. Der Vorteil der Methode liegt darin, dass sie auf konkrete, in der Evolution voroptimierte Strukturen aus einer Datenbank zurückgreift – und dadurch schnell zu effektiven Lösungen führen kann. Daniel Siegel: „Überall, wo Leichtbau eine Rolle spielt, können wir dieses Verfahren anbieten.“
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