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EMPA: Erkenntnis-Transfer von der Biologie in die Technik Hornissen - die vorbildlichen Meister des Leichtbaus

Dübendorf (ots)

In Versuchsständen auf einem Empa-Dach in
Dübendorf beherbergen Forscher aus der Abteilung Holz derzeit zwei 
Hornissenpopulationen. Sie untersuchen die faszinierenden 
Leichtbaukonstruktionen der sozialen Hautflügler und ihre Strategien 
zur Thermoregulation, um daraus neue technische Lösungen abzuleiten.
Dank einer äusserst effektiven Thermoregulation bewahren Hornissen 
in ihren Nestern bis in den Spätherbst hinein eine konstante 
Bruttemperatur um 29°C. In ihren filigranen Leichtbaukonstruktionen 
aus abgenagten Holzspänen und Speichel halten die sozialen Insekten 
die Innentemperatur mit einer Kombination verschiedener 
physikalischer Prinzipien konstant auf hohem Niveau - ein spannendes 
Feld für MaterialwissenschaftlerInnen. Die Empa-ForscherInnen 
versuchen herauszufinden, wie gross das bionische Potenzial dieser 
Phänomene ist, d.h. ob aus den beobachteten Leistungen der Natur 
neue technische Lösungen, beispielsweise für Fassadenkonstruktionen, 
abgeleitet werden können. Mit Temperatur- und Feuchtefühlern im Nest 
und Lichtschranken am Nesteingang zeichnen sie sämtliche 
Schwankungen und Bewegungen auf und werten sie anschliessend aus. 
Hornissen haben, wie alle Insekten, aufgrund eines ungünstigen 
Verhältnisses von Körperoberfläche und Körpervolumen hohe 
Wärmeverluste. Eine isolierende Nesthülle aus Luftkammern hält diese 
Wärme jedoch im Nest und führt sie der Brut zu. Um an warmen Tagen 
hingegen Überhitzung zu vermeiden, müssen sie eine beträchtliche 
Menge an überschüssiger Wärme aus dem Nest abführen können. Auf 
thermische Trägheit ihrer Konstruktion können sich die Insekten 
dabei nicht stützen, denn sie bauen besonders leicht, um den Energie 
konsumierenden Bauaufwand gering zu halten. Erschwerend kommt 
ebenfalls hinzu, dass das Nest so lange ausgebaut wird, bis die 
Population im späten Sommer ihren Höhepunkt erreicht. Diesen 
unterschiedlichen Anforderungen begegnen die Tiere mit der 
Integration von spezifischen Verhaltensweisen, 
Konstruktionsprinzipien und nicht zuletzt der Wahl eines geeigneten 
Baumaterials.
Exemplarische Konstruktion, angepasste Verhaltensweise und 
zweckmässiges Baumaterial
Dank der Konstruktion ihres Nests aus waagrechten Wabentellern, 
umschlossen von einer gekammerten Hülle, sind die Insekten in der 
Lage, die Nesttemperatur verhältnismässig genau zu regeln und den 
Wärmeabfluss der Einzeltiere besonders während kühler Nächte 
einzudämmen. Bei drohender Überhitzung hingegen bedienen sich die 
Hornissen eines Dampfdruckgradienten zwischen Nestinnerem und 
Umgebung. Die Luft im Nest ist feuchter und wärmer, enthält somit im 
Vergleich zur Aussenluft mehr Energie pro Gewichtseinheit. Mit 
ventilierenden Flügeln sitzen die Hornissen dann am Nesteingang, 
sorgen für eine höhere Luftwechselrate und führen so Energie aus dem 
Nestinneren ab. Das holzbasierte Baumaterial ist zudem 
hygroskopisch, d.h. es bindet Wasser an sich. Nachts nimmt es 
Feuchte auf und gibt dabei im Nestinneren Kondensationswärme ab, 
tagsüber gibt es diese über kühlende Verdunstung wieder ab. Durch 
gezielten Feuchteeintrag und zusätzlichen Luftaustausch sind die 
Hornissen in der Lage, diesen Effekt noch zu verstärken.
Vorbild für belüftbare Gebäudehüllen und passive Dämpfer zugunsten 
besseren Innenklimas
Die Ergebnisse des vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützten 
Empa-Projekts fliessen auch in die Dissertation von Raoul Klingner 
ein, die er in Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochbautechnik 
der ETH Zürich schreibt. Ziel von Projekt und Dissertation ist es, 
das thermodynamische Verhalten der natürlichen Konstruktion aus Holz 
besser zu verstehen. Es ist durchaus möglich, dass aufgrund der 
Erkenntnisse eine Anwendung dieser effizienten Mechanismen auch im 
Holzbau erfolgen könnte. Denkbar sind einerseits Adaptionen von 
mehrschichtigen und belüftbaren Gebäudehüllen; andererseits könnte 
das hygroskopische Potenzial des Baumaterials Holz ausgeschöpft 
werden, indem es als passiver Dämpfer gegen unerwünschte 
Schwankungen des Innenklimas eingesetzt wird.
Ansprechperson für inhaltliche Auskünfte
Raoul Klingner, Abteilung Holz, Tel. +41 44 823 46 60, E-mail:  
raoul.klingner@empa.ch 
Dr. Klaus Richter, Abt. Holz, Tel. +41 44 823 41 15, E-mail:  
klaus.richter@empa.ch
Redaktion
Martina Peter, Abt. Kommunikation/Marketing, Tel. + 41 44 823 49 87,  
martina.peter@empa.ch

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