Arbeitsblatt: Bionik Anwendung in der Technik

Datum: Fortbewegung im Wasser – Thema 2 PA 2c Anwendung in der Technik Name: Anwendung in der Technik: Wie können die Erkenntnisse aus der Tierwelt in der Technik angewendet werden? Beschreibung: Im vorliegenden Posten lernst du, wie die Erkenntnisse über die Struktur der Haihaut und die Form der Pinguine in der Technik angewendet werden können. Auftrag: Bei diesem Posten darfst du 2 von drei Aufträgen aussuchen und bearbeiten. Die Bearbeitung des dritten Auftrages ist freiwillig. 1 Auftrag 1: Haihaut und Schwimmanzüge: Lies den Artikel einer Onlinezeitschrift durch und beantworte die Fragen. Warum konnte Frau Steffen einen neuen Weltrekord im Schwimmen aufstellen? Welche Faktoren haben einen Einfluss darauf, wie schnell jemand schwimmen kann? Was vermutest du: Welche Eigenschaften hat wohl der im Text genannte Anzug Hydrofoil? Auftrag 2: Haihaut und Flugzeuge 2 Lies den Artikel durch und beantworte die Fragen. Die fett geschriebenen Wörter werden im Glossar erklärt. Haifischhaut für Flugzeuge Veröffentlicht am 16. August 2010 Im Laufe von Millionen von Jahren hat die Natur nahezu perfekte Lösungen für diverse Probleme entwickelt, weshalb die Bionik derzeit im Trend liegt: Im Rahmen dieser Wissenschaft wird versucht, die besten Erfindungen der Natur auf innovative Weise in die moderne Technik zu übertragen. So könnten laut Yvonne Wilke, Dr. Volkmar Stenzel und Manfred Peschka vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung auch in Zukunft die Schuppen von Haien als Vorbild für die Struktur von Lack für Windenergieanlagen, Schiffe oder eben Flugzeuge dienen. Denn die Schuppen schnell schwimmender Haie sind so aufgebaut, dass sie den Strömungswiderstand deutlich verringern und die Haie so mit relativ wenig Kraftaufwand hohe Geschwindigkeiten erreichen. Würde ein entsprechender Lack auf jedes Flugzeug angewandt, könnten pro Jahr weltweit rund 4,48 Mio. Tonnen Treibstoff eingespart werden. An einem solchen Lack arbeitet das Team vom Fraunhofer-Institut. Gleichzeitig entwickeln sie auch die dazugehörige Fertigungstechnik. Als größte Herausforderung beschreiben sie die Übertragung des theoretischen Wissens in einen Lack, der zudem den extremen Anforderungen in der Luftfahrt Stand halten kann. Darunter fallen unter anderem Temperaturschwankungen von -55 bis 70 Grad Celsius, intensive UV-Bestrahlung sowie natürlich die hohen Fluggeschwindigkeiten. Nanopartikel im Lack sorgen dafür, dass der Lack UV-Strahlung, Temperaturwechsel und mechanische Belastungen dauerhaft aushält. Die Entscheidung für Lack als Beschichtungsstoff bietet mehrere Vorteile erklärt Dr. Volkmar Stenzel. „Er kommt ohnehin als äußerste Schicht auf ein Flugzeug, so dass kein weiterer Materialauftrag erforderlich ist. Er verursacht kein Zusatzgewicht und auch beim Strippen eines Flugzeugs – etwa alle fünf Jahre muss der Lack komplett entfernt und erneuert werden – fällt kein zusätzlicher Aufwand an. Zudem lässt er sich problemlos auf dreidimensional gekrümmten Flächen aufbringen. Damit der Lack seine HaifischhautStruktur erhält, wird er nicht direkt, sondern über eine Matrize auftragen. Hier lag die besondere Herausforderung darin, dass der flüssige Lack gleichmäßig in einer dünnen 3 Schicht auf die Matrize aufgetragen werden muss und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass er sich auch nach der UV-Bestrahlung, die für das Härten erforderlich ist, wieder gleichmäßig von der Unterlage ablöst. Weniger Strömungswiderstand würde auch Schiffe effizienter machen: Das Team konnte die Wandreibung in einem Test mit einer Schiffbau-Versuchsanstalt um mehr als fünf Prozent reduzieren. Würden bei einem großen Containerschiff diese fünf Prozent im Jahr weniger verbraucht, ließen sich damit bis zu 2.000 Tonnen Treibstoff einsparen. Hochgerechnet auf alle Containerschiffe wäre das Einsparpotential auch hier gewaltig. Weitere Einsatzmöglichkeiten für ähnliche Lacke wären Windenergieanlagen, bei denen durch einen verringerten Luftwiderstand der Rotorblätter der Wirkungsgrad der Anlagen – und damit den Energiegewinn – verbessert werden könnte. Glossar: Nanopartikel: Ein Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name bezieht sich auf die Grösse des Teilchens, das 1 bis 100 Nanometer gross ist. Ein Nanometer entspricht 0,000 000 001 Meter. Strippen eines Flugzeugs: Reinigen, Abschleifen und Neulackieren eines Fluzeuges Matrize: Spezielle oder besonders gewachste Folie, welche als Verbindungsschicht dient. Wie viel Flugzeugtreibstoff könnte pro Jahr durch die Anwendung von HaifischLack gespart werden? Welches sind die Vorteile eines Lackes gemäss Dr. Stenzel? Welchen Anforderungen muss der Lack standhalten? Welche weiteren Anwendungsmöglichkeiten gäbe es für den Lack? 4 Auftrag 3: Der Rumpf der Pinguine Lies den Artikel durch und beantworte die Fragen. Das Pinguin-U-Boot www.wissen.de Pinguine erreichen dank der Stromlinienform ihres Körpers beim Tauchen hohe Geschwindigkeiten und verbrauchen dabei vergleichsweise wenig Energie. Verglichen mit einem Benzinmotor schaffen sie es mit einem Verbrauch von umgerechnet einem Liter Benzin über 1.500 Kilometer durch das Eismeer zu schwimmen. Aus den Beobachtungen an schwimmenden Pinguinen wollen Forscher Anregungen für neue Boots- und Flugzeugformen gewinnen. Anders als Fische oder Wale setzen Pinguine ihren Rumpf nicht für die Schuberzeugung ein. Sie bewegen sich unter Wasser durch den Einsatz ihrer Flügel fort. Dabei bleibt der Körper bis auf leichte Schwingungen nahezu starr. Das macht die putzigen Vögel für Bioniker besonders interessant. Denn auch U-Boote oder Flugzeuge werden mit starrem Rumpf gebaut. Würden sie in Form des Pinguinkörpers gebaut, kämen sie bei gleichem Energieverbrauch schneller voran als U-Boote und Flugzeuge mit herkömmlichem Aussehen. Bei gleicher Geschwindigkeit wären sie sparsamer im Verbrauch. Damit könnte einerseits viel Energie eingespart werden. Andererseits würde der Schadstoffausstoß deutlich vermindert werden. Ein Modell für einen „Pinguin-Zeppelin haben Studenten der Technischen Universität Berlin bereits im Windkanal getestet. Warum denkst du, gibt es noch keine Flugzeuge in Pinguinform? Nenne 3 Aspekte die für ein Flugzeug in Pinguinform sprechen und mindestes zwei die dagegen sprechen. 5