Biomechanik Der Architekt der Kokosnuss

Die Kokosnuss ist ein Stabilitätswunder, selbst Stürze aus 30 Metern übersteht sie unbeschadet. Wissenschaftler nehmen die Frucht jetzt zum Vorbild, um Gebäude erdbebensicher zu machen.

Kokospalme mit Fürchten
UIG/ Getty Images Easy Access

Kokospalme mit Fürchten

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Diese harte Nuss ist kaum zu knacken: Kokosnüsse sind besondere Früchte - das weiß jeder, der schon einmal versucht hat, eine zu öffnen. Ohne Gewalt geht es dabei nicht, wenn man an das weiße Fruchtfleisch herankommen will. Ein Trick: Mit einem Hammer entlang einer gedachten Linie ringsum auf die Nuss schlagen - dann entsteht in der Regel ein Riss. Auch an den drei weicheren Keimlöchern kann man ansetzen.

Kokosnüsse sind in der Lage, auch Stürze aus großen Höhen nahezu unbeschadet zu überstehen, was auch an ihrer Form liegt: Doch wenn sie von den in extremen Fällen bis zu 30 Meter hohen Kokospalmen fallen, wird die Schale der harten Gewächse meist kaum beschädigt. Das macht biologisch Sinn, denn nur dann kann aus der Frucht ein Keimling austreiben, aus dem ein neuer Baum entsteht.

Biegekräften widerstehen

Was macht die Palmfrucht, die aus botanischer Sicht nicht den Nüssen zugeordnet wird, sondern zur Familie der Steinfrüchte gehört, so hart? Und wie kann man aus den hervorragenden dynamischen Eigenschaften einen Nutzen für die Architektur ziehen?

Das interessiert eine Forschergruppe aus Freiburg, Stuttgart und Tübingen. Für das Langzeitprojekt "Biological Design and Integrative Structures - Analysis, Simulation and Implementation in Architecture" analysierten Biomechaniker zusammen mit Architekten, Bauingenieuren und Materialforschern die Struktur der Kokosnussschale. Ihre Ergebnisse stellten sie auf einer Tagung der Society for Experimental Biology im britischen Brighton vor.

Bei der Untersuchung nutzten die Forscher Testverfahren zur Stauchung von Werkstoffen, zusätzlich kam ein Pendelschlagwerk zum Einsatz. Damit wird die Fähigkeit eines Materials getestet, Stoß- und Schlagenergie absorbieren zu können.

Das Geheimnis der Kokosnussstabilität liegt demnach in der sogenannten Endokarp, einem Teil der Fruchtwand. Die Frucht besteht aus drei Schichten, die miteinander verwachsen sind, den Karpellen. Es gibt eine ledrige Außenschicht, die sogenannte Exokarp, eine faserige, lufthaltige Schicht (Mesokarp) und die harte, etwa fünf Millimeter dicke innere Schale (Endokarp), die das weiße Fruchtfleisch mit den Samen umschließt.

Leiterartiger Aufbau der Zellstruktur unter dem Elektronenmikroskop
Plant Biomechanics Group Freiburg/ EurekAlert

Leiterartiger Aufbau der Zellstruktur unter dem Elektronenmikroskop

"Durch mikroskopische Aufnahmen und Computertomografien haben wir genaue Einblicke in die Endokarp-Struktur gewonnen", sagt Biologin Stefanie Schmier von der Universität Freiburg. Die Frucht sei außergewöhnlich gut in der Lage, Aufprallkräften zu widerstehen. Das sei vor allem durch das spezielle Design der verholzten Zellen möglich, die Zellwände sind sehr dick. Zudem handelt es sich bei den sogenannten Steinzellen nicht um dünnwandige Hohlstrukturen, sondern ihre dicken Zellwände bestehen aus mehreren Schichten mechanisch hoch belastbaren Materials", erklärt Schmier.

Die Aufnahmen der Forscher zeigen zudem einen leiterartigen, dreidimensionalen Aufbau der Wasserleitgefäße (Tracheiden) in den Leitbündeln - er ermöglicht, dass sich die Stoßenergie gut verteilen kann. "Je länger ein Riss sich in dieser Struktur bewegen kann, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass seine Energie verbraucht ist, bevor er die innere Oberfläche erreicht hat", sagt Schmier.

Der Clou der Kokosnuss: Die Bruchlinien eines Schlags werden nicht senkrecht durch die Schale geleitet, sondern parallel umgeleitet. Dabei spielen die Leitbündel eine wichtige Rolle, sie sind weniger dicht und geben damit eine Bruchrichtung vor. "Der Bruch folgt der Struktur und läuft sich darin eigentlich zu Tode. Er dringt aber nicht so schnell senkrecht durch", sagt Thomas Speck, der Leiter der Plant Biomechanics Group, in Freiburg.

Video - Kokosnuss im Drucktest:

Plant Biomechanics Group Freiburg

Diese Struktur tauge durchaus als Vorbild für die Technik: Die Erkenntnisse der Forscher könnten auch beim Bau von Gebäuden in Gebieten helfen, die etwa durch starke Erdbeben gefährdet sind - auch wenn die Forscher noch ganz am Anfang stehen. "Die Kombination von sehr leichten Strukturen und hoher Absorptionsfähigkeit von Kräften macht die Struktur der Kokosnuss sehr interessant, um Gebäude vor Erdbeben, Steinschlag oder anderen Katastrophen zu schützen", so Schmier. Vorstellbar sei etwa, die Struktur als Mikrobewehrung in Beton zu integrieren. Bewehrung wird in der klassischen Bauweise etwa als Stahlmatte in Betondecken eingezogen. So ist es möglich, dass auch hohe Zugkräfte ausgehalten werden, während der Beton vor allem Druckkräften standhält. In dem Bereich wird schon lange mit Alternativen zur klassischen Stahlmatte experimentiert.

Welches Material im Fall der Kokosnuss dann genau verwendet werden könnte, müssten die Forscher noch herausfinden. "Wir wollen keine Kokosnuss nachbauen, sondern nur das Konzept auf Werkstoffe übertragen", sagt Speck. "Bionik ist keine Kopie der Natur."

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Bauwerke: Der perfekte Brückenbogen

Für ihr Projekt testen die Freiburger Forscher auch mit anderen Materialien aus der Natur. Derzeit werde etwa die Borke von Mammutbäumen untersucht sowie das Geheimnis der ausgesprochen hohen Flexibilität von Seeigelstacheln erforscht.

Ob der komplizierte biologische Bauplan tatsächlich Anwendung findet, ist aber noch unklar. "Bis eine innovative Entwicklung aus der Materialforschung in der Praxis zum Einsatz kommt, können Jahre vergehen", sagt Wolfgang Keen vom Hamburger Ingenieurbüro Wetzel & von Seht. "Die europäischen Richtlinien sehen umfangreiche Langzeittests zur Belastungsfähigkeit und Haltbarkeit vor - erst dann dürfen sie im Bauwesen eingesetzt werden."

Der Tragwerksplaner sieht aber durchaus Möglichkeiten, dass die Endokarp-Struktur der Frucht in der Baubranche eine praktische Anwendung finden könnte. "Um ein Gebäude sicherer gegen Erdbeben zu machen, muss es zunächst möglichst gleichmäßig mit einem ausgewogenen Steifigkeitsverhältnis und maximaler Steifigkeitsverteilung gebaut werden." Es darf nicht zu statisch gebaut werden. Die Konstruktion muss elastisch sein und Verformungen zulassen.

Dann könne es Energiewellen im Falles eines Bebens gut widerstehen. Gleichzeitig darf ein gewisses Maß an Stabilität nicht unterschritten werden. "Das ist in der Konstruktion der Statik oft ein Kompromiss und eine Herausforderung, die der Tragwerksplaner berücksichtigen muss", sagt Keen.



insgesamt 18 Beiträge
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Seite 1
rockwater 18.07.2016
1. Mittelaterliche Fachwerkhäuser am sichersten
Extrem stabile Rahmenkonstruktion aus Eichenholz, das bei Erdbeben dennoch flexibel reagieren kann. Fachwerk aus mechanisch verankertem Flechtholz, Stroh und Lehm, kann praktisch nicht ausbrechen. Die einzige Gefahr droht von umherfliegenden Dachziegeln, allerdings nur außerhalb des Gebäudes. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten sollten wir wieder zur jahrhundertelang bewährten Fachwerkhausbauweise zurückkehren.
ex2012 18.07.2016
2. Wer hat die Kokosnuss?
Wer hat die Kokosnuss, wer hat die Kokosnuss, wer hat die Kokosnuss gebaut? Tolles Konzept Übrigens. Könnte man beispielsweise auch auf Brücken, Straßen, Autos oder Züge anwenden.
90-grad 18.07.2016
3. Sehr
Zitat von rockwaterExtrem stabile Rahmenkonstruktion aus Eichenholz, das bei Erdbeben dennoch flexibel reagieren kann. Fachwerk aus mechanisch verankertem Flechtholz, Stroh und Lehm, kann praktisch nicht ausbrechen. Die einzige Gefahr droht von umherfliegenden Dachziegeln, allerdings nur außerhalb des Gebäudes. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten sollten wir wieder zur jahrhundertelang bewährten Fachwerkhausbauweise zurückkehren.
romantische Denkweise. Und beim spätestens 6. Stockwerk ist dann Feierabend. Wir brauchen Gebäude, die etwas höher sind, z.B. im Wohnungsbau 40 und mehr Geschosse. Bei Bürogebäuden darfs bitte deutlich höher sein. Die Welt in ein Rothenburg ob der Tauber verwandeln zu wollen, nun ja, romantisch!
Bueckstueck 18.07.2016
4.
Zitat von rockwaterExtrem stabile Rahmenkonstruktion aus Eichenholz, das bei Erdbeben dennoch flexibel reagieren kann. Fachwerk aus mechanisch verankertem Flechtholz, Stroh und Lehm, kann praktisch nicht ausbrechen. Die einzige Gefahr droht von umherfliegenden Dachziegeln, allerdings nur außerhalb des Gebäudes. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten sollten wir wieder zur jahrhundertelang bewährten Fachwerkhausbauweise zurückkehren.
Etwas übertriebene Darstellung. Ich sehs anhand der Schäden am mittlerweile 250 Jahre alten Fachwerkhaus meiner Familie, die durch Erschütterungen infolge Sprengungen in einem wenige Kilometer entfernten Steinbruch entstanden sind. Es musste in den letzten 100 Jahren regelmässig saniert werden, weil statisch bedenklich. Ein Erdbeben ruckelt da noch stärker und länger...
hubert heiser 18.07.2016
5.
Zitat von rockwaterExtrem stabile Rahmenkonstruktion aus Eichenholz, das bei Erdbeben dennoch flexibel reagieren kann. Fachwerk aus mechanisch verankertem Flechtholz, Stroh und Lehm, kann praktisch nicht ausbrechen. Die einzige Gefahr droht von umherfliegenden Dachziegeln, allerdings nur außerhalb des Gebäudes. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten sollten wir wieder zur jahrhundertelang bewährten Fachwerkhausbauweise zurückkehren.
Und ich Dummerchen habe immer gegelaubt, dass die Schwingungen und Stöße des Erdbodens das große Problem wären. Wie man sich doch irren kann.
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