Warm quoll das Blut aus der Wunde. Der Finger pochte. Ein harmloses Meerschweinchen hatte ihn gebissen, und Jürgen Bertling staunte: Wie konnte es sein, dass dieses niedliche Tier so scharfe Zähne hat? Bertling war euphorisiert. Seit Jahren forschte der Ingenieur des Fraunhofer Instituts in Oberhausen an Industriemessern und daran, wie sie möglichst lange scharf bleiben – auch noch beim hundertsten und beim tausendsten Schnitt. "Die Lebensdauer eines Messers ist sehr, sehr kurz", sagt Bertling. In der Papier- und Holzproduktion müssen deshalb alle paar Stunden die Messer getauscht werden, das kostet Zeit und Geld.
Der Biss des Meerschweinchens brachte Jürgen Bertling auf eine neue Idee. Seither studiert er Zähne: Rattenzähne, Bieberzähne, Mäusezähne. Fünf Jahre nach seinem Aha-Erlebnis im Garten hatte er dann ein Verfahren entwickelt, mit dem die Messer während des Schneidens nicht immer stumpfer, sondern immer schärfer werden. Ein großer Fortschritt für eine Branche, die auf der Suche nach härteren Beschichtungen von Diamant bis Keramik schon fast alles ausprobiert hat.
Die Zähne des Meerschweinchens sind nur ein Beispiel für den Erfindungsreichtum der Natur – und dafür, wie Industrie und Forschung sich diesen zunutze machen. Dank genauerer Analysemethoden kann der Mensch inzwischen bis in den Mikrometer-Bereich hinein sehen, wie Strukturen aufgebaut sind, wie Zahnschmelz, Sensoren und Zellen funktionieren.
Für die Industrie ist das bei der Entwicklung neuer Produkte von unschätzbarem Wert: Mit der so genannten Bionik lassen sich Milliarden verdienen, so schätzen Fachleute – etwa wenn Dämpfungssysteme entwickelt werden, die federn wie die Nadeln des Stachelschweins, oder Feuermelder, die bei der Entdeckung eines Brandherdes so schnell sind wie der Feuerkäfer, oder Markisen, die wie der Blütenstand des Paradiesvogelbaumes selbst unter hohem Druck nicht reißen. Noch warten Tausende Ideen aus der Natur darauf, vom Menschen entdeckt zu werden. Allerdings ist die Natur den Entwicklern Millionen Jahre voraus – und deshalb ist die Umsetzung oft mühsam.
Geldwertes Wissen aus empirischer Forschung
Jürgen Bertling dachte ursprünglich gar nicht ans Geldverdienen. "Ich wollte einfach wissen, wie das sein kann", sagt der Leiter des Geschäftsbereichs Werkstoffe und Interaktion an seinem Institut. Ratten und Biber haben Zähne, die trotz vielen Nagens nie stumpf werden und die nachwachsen, wenn sie sich abschleifen. "Zahnschmelz ist das härteste biologische Material", weiß Bertling inzwischen. Es hat ihn einige Mühe gekostet, etwas über Nagetierzähne herauszufinden. Er las Biobücher, war beim Zahnarzt und im Zoo. Wie lange so ein Zahn im Schnitt hält? Wie viel Verschleiß bei welchem Material stattfindet? "Das findet man in keinem Buch", sagt Bertling.
Dabei sind genau das die Parameter, nach denen die Industrie beim Einsatz eines neuen Rohstoffes fragt. "Die Industrie denkt in ganz anderen Kategorien als die Biologie." Erst die Paläontologen, die an Fossilien forschen, konnten Bertlings Fragen beantworten. "Die stellen aufgrund der Schleifspuren an den Zähnen sogar fest, was das Tier gefressen hat."
Mit drei Mitarbeitern begann Bertling, die Erkenntnisse der Paläontologen auf Industriemesser zu übertragen. Die Messer, die er verwendet, sind aus Stahl und haben eine weiche und eine harte Seite, wie die Zähne der Nager, die aus weichem Dentin und hartem Zahnschmelz bestehen. "Es gibt eine Seite, die den Verschleiß aushält und eine, die das nicht tut", sagt Bertling. So kann Bertling den Abrieb um fast ein Drittel verringern.
Weil das Messer gleichzeitig schärfer wird, braucht man weniger Energie, um das Messer zu bewegen. "Wir schneiden wie durch Butter." Das Verfahren will er sich patentieren lassen. Knapp 120 Anfragen von Firmen bekam er, als er die ersten Ergebnisse veröffentlichte, vor allem aus Deutschland, Großbritannien und den Niederlanden. "Die waren hochinteressiert und wollten das am liebsten gleich bestellen."
Erstmal ein bisschen üben
Nur: Zu bestellen gab es nichts, denn jeder Schneidevorgang ist anders. "Es gibt Tausende verschiedene Messer", sagt Bertling. Inzwischen kooperiert der Wissenschaftler mit einer Handvoll Unternehmen, die bereit sind, ein gewisses Risiko einzugehen. "Wenn wir etwas falsch machen, fliegt uns im Zweifel eine Maschine im Wert von drei Millionen Euro um die Ohren."
Das kann passieren, weil es noch keinen Standard gibt, jeder Schneidevorgang mit den neuen Messern ist ein Versuch. "Da kann dann auch mal was kaputt gehen", sagt Bertling. Er ist dennoch optimistisch, was das Potenzial seiner Erfindung angeht: Um mehr als ein Prozent könnte der Energieverbrauch weltweit sinken, würden seine Messer flächendeckend eingesetzt. Milliarden Euro könnten damit gespart werden, denn weniger Energiekosten bedeuten auch geringere Produktionskosten.
Stefan Griebelm, Biomechatroniker an der TU Ilmenau, ist ähnlich überzeugt von seinem Forschungsgegenstand, einer neuartigen Haube für Hirnstrommessungen (EEG), die nach dem Vorbild eines Schneckenfühlers gestaltet ist. Griebel will damit die bisherigen Modelle ersetzen, die Stück für Stück per Hand am Kopf angebracht werden müssen und nur mit einem Kontaktgel funktionieren. "Das dauert mindestens 30 Minuten, bis eine herkömmliche Haube sitzt." Seine Haube kommt dagegen ohne Flüssigkeit aus. Griebel glaubt, dass seine Erfindung für viele Krankenhäuser ein riesiges Einsparpotenzial bietet.
"Bei einer normalen Haube braucht man immer eine Krankenschwester, die die Elektroden anbringt", sagt er. Seine Schneckenfühler-Elektroden dagegen müssten nur auf den Kopf gesetzt werden und würden dann automatisch Richtung Kopfhaut fahren, an störenden Haaren vorbei. "Das geht deutlich schneller und spart Personal." Bisher hat Griebel einen Prototyp entwickelt und ein Patent angemeldet, aber noch keine Firma gefunden, die die Haube fertigen will. "Das ist extrem schwierig", sagt er. Denn die Technik ist noch nicht ganz ausgereift: Die Haare auf der Kopfhaut bereiten den bionischen Elektroden Probleme.
Vor dieser Hürde stehen viele Bionik-Forscher – am Ende blockieren Kleinigkeiten die Umsetzung. "Die Natur ist so vollkommen, dass man sie nicht hundertprozentig nachbauen kann", sagt Claus Mattheck vom Karlsruher Institut für Technologie. Mattheck hat sich an Bäumen abgeschaut, wie sich Kerben gestalten lassen, die weniger unter Spannung stehen und deshalb eine höhere Bruchfestigkeit haben. Seine Erkenntnisse kommen in rund 100 Firmen bei der Konstruktion von Schraubengewinden und Drehrillen zum Einsatz. "Das hat einen unglaublichen Einfluss auf den deutschen Maschinenbau."
Die Natur ist dem Menschen auch deshalb voraus, weil sie eine Struktur Zelle für Zelle aufbaut. "Bottom up" heißt das in der Wissenschaft. Der Mensch dagegen nimmt meist ein großes Stück Material und schneidet es zurecht. Hinter jedem Produkt mit natürlichem Vorbild steckt deshalb viel Grundlagenforschung. Das Bundesministerium für Forschung und Wissenschaft hat seit 2004 etwa 50 Millionen Euro dafür bereitgestellt. 38 Projekte werden derzeit im Rahmen des Projekts "Biona" gefördert, auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft investiert in dieses Forschungsfeld.
"Bionik steckt in ganz vielem drin, ohne dass man es erwähnt", sagt Rainer Erb, Geschäftsführer von Biokon, einem Zusammenschluss mehrerer Forschungsinstitute. Deshalb kann er auch keine exakte Zahl über den Gesamtmarkt oder das wirtschaftliche Potenzial der Bionik nennen. Weil er immer wieder gefragt wird, wie viel Geld sich damit verdienen lässt, sucht Erb nun nach Geldgebern für eine seriöse Studie.
Die Nachfrage nach der Bionik jedenfalls steigt seit rund sechs Monaten wieder kräftig an. "Während der Wirtschaftskrise wurden viele Projekte zurückgestellt", sagt Thomas Speck, Leiter des Botanischen Gartens in Freiburg und Vorstandsvorsitzender von Biokon. Gerade kleine und mittelständische Firmen melden sich häufig bei ihm mit Anfragen. "Die Unternehmen suchen händeringend nach Innovationen, um vom Aufschwung zu profitieren", sagt auch Biokon-Geschäftsführer Rainer Erb. Das Geld fließt allerdings meist erst dann, wenn er konkrete Ergebnisse anzubieten hat.
"Das schaffen nur wenige Firmen, daraus Produkte zu machen", sagt Paul Kho von der Firma Festo aus Esslingen. "Die Industriepartner steigen zum Ende hin ein", sagt Thomas Speck vom Botanischen Garten in Freiburg. Er forscht an Pflanzenoberflächen, auf denen Insekten nicht laufen können, und versucht, diesen Effekt auf Gläser und Metalle zu übertragen. "Stellen Sie sich das mal vor: Eine Oberfläche, an der keine Spinne hochkommt. Die ist prima für den Hausbau", sagt Speck.
Dass sein Produkt nur eine Annäherung an das Vorbild aus der Natur ist, weiß auch Andreas Woyda, Leiter des Bereichs Anwendungstechnik bei der Firma Vosschemie aus Ütersen bei Hamburg. Seit zwei Jahren verkauft Vosschemie "Haifischhaut": ein giftfreies Anstrichsystem für Boote. Die echte Haihaut besteht aus kleinen Nadeln, die sich mit der Strömung bewegen. Deshalb können Haie schnell schwimmen. Gleichzeitig ist die Haut zu rau, als dass sich Organismen auf ihr ansiedeln könnten. Das ist der Effekt, den der Anstrich zu imitieren versucht. Doch auch wenn das Boot mit "Haifischhaut" bestrichen wurde, siedeln sich Algen und Kleintiere an, sobald das Boot länger im Wasser liegt. Das hat einen einfachen Grund, sagt Andreas Woyda: "Die Haihaut funktioniert so, weil sich das Tier bewegt. Das kann ein Anstrich gar nicht leisten."
