Auf Biegen und Brechen? Arundo und Verbundwerkstoffe
Von der Natur …
Stabilität und zugleich hohe Biegsamkeit kennzeichnen die Halme des Pfahlrohrs, eines bis zu 8 Meter hohen Süßgrases. Zwischen den Knoten sind sie hohl. Wie erreicht die zwei bis acht Millimeter dicke Halmwand solche Festigkeit und Elastizität? Der Blick durch das Mikroskop zeigt eine Matrix aus Speichergewebe mit elastischen, parallel zueinander liegenden Gefäßbündelsträngen. Instrumentenbauer nutzen das Material seit Jahrhunderten für das Blatt im Mundstück von Klarinetten und Oboen.
… in die Technik
Auch technische Faserverbundwerkstoffe, z. B. aus dünnen Glasfasern in Epoxidharz, können leichte, stabile Bauteile ergeben. Untersuchungen an Pflanzenhalmen lieferten wertvolle Verbesserungsansätze.
Wichtig ist u. a. die Anordnung der Fasern. Ihr Verlauf lässt sich in Anlehnung andie natürlichen Vorbilder optimieren. In weniger stark belasteten Bereichen kann eine schaumartige Matrix mit einer gezielt einstellbaren Porengröße materialsparend die Faserdichte verringern. Auch die Verbindung am Übergang von Faser und Matrix spielt eine wichtige Rolle: Ein schrittweiser Übergang der Elastizitäten von Fasern und Matrix ist demnach besser als der harte Kontrast zwischen beiden.
Bildunterschriften
Pfahlrohr (Arundo donax L.) – wie „funktioniert“ ein 8 m hoher Grashalm mit einer höchstens 8 mm dicken Wand?
Querschnitt durch die Halmwand: Die rot eingefärbten Faserbündel sind in schwammartigem Speichergewebe eingebettet.
Biegeversuch mit einem bionisch optimierten Faserverbundwerkstück (oben) und einer herkömmlichen Probe.
Text der Informationstafel im Botanischen Garten