Ein Fisch auf Rädern

Auf der Suche nach neuen Ideen im Automobilbau ist die Forschungsabteilung von Daimler-Chrysler auf den Kofferfisch gekommen. Nach seinem Vorbild entstand ein extrem sparsames und stabiles Fahrzeug.

von Rolf Höneisen

Wenn das der Kofferfisch wüsste: Am diesjährigen DaimlerChrysler-Innovationssymposium in Washington wurde nicht er, sondern sein Abklatsch, der ihm nach gebaute „bionic car“, beklatscht. Der fischförmige Mercedes erbringt Spitzenleistungen bei Verbrauch und Emissionen.

Das gute Ergebnis hat seinen Grund im Ansatz: Zum ersten Mal suchten die Ingenieure des Mercedes-Benz Technology Centers und der DaimlerChrysler-Forschung in der Natur nicht nach Details, sondern einem Typus, der als Ganzes in Form und Struktur den menschlichen Vorstellungen eines aerodynamischen, sicheren, komfortablen und umweltverträglichen Auto nahe kommt.

Biologen, Bionik-Wissenschaftler und Automobilkonstrukteure trafen sich zum Brainstorming. Fündig wurde man schliesslich unter Wasser. Doch das Ergebnis überrascht: Nicht die schnittigen Haie oder die softgeformten Delfine machten das Rennen, sondern der eher plump wirkende Kofferfisch (Ostracion cubicus).

Der in tropischen Gewässern lebende Fisch verfügt trotz seines kantigen, würfelförmigen Rumpfes über hervorragende Strömungseigenschaften und ist ein geschickter Schwimmer. Seine eckige Form hindert ihn daran in keiner Weise.

In Korallenriffen, Lagunen und Seegrasgebieten hat er in mancher Hinsicht die gleichen Bedingungen wie Autos: Er muss seine Kräfte haushälterisch einteilen und sich mit möglichst geringem Energieeinsatz fortbewegen. Das bedingt gute Muskeln und eine strömungsgünstige Form. Zudem muss er hohem Druck standhalten und seinen Körper bei Kollisionen schützen, was eine steife Aussenhaut nötig macht. Gleichzeitig muss er sich auf engstem Raum sicher und rasch bewegen können.

Die Aussenhaut des Kofferfisches besteht aus vielen sechseckigen Knochenplatten. Miteinander verwachsen, bilden sie einen starren Panzer. Diese knochige Wabenstruktur verleiht dem Fischrumpf hohe Steifigkeit, schützt ihn vor Verletzungen und ist auch das Geheimnis seiner ausserordentlichen Beweglichkeit. Denn entlang der Kanten am oberen und unteren Teil des Rumpfes bilden sich kleine Wasserwirbel, die den Fisch in jeder Lage stabilisieren und dafür sorgen, dass er auch bei turbulenten Strömungen auf Kurs bleibt. Das schafft er, ohne die Flossen zu bewegen. Damit wird klar: Der Kofferfisch ist aufgrund seiner rechteckigen Anatomie, seiner Aerodynamik und seiner Steifigkeit ein gutes Vorbild für den Autobau.

Allgemein gilt ein tropfenförmiger Grundkörper mit einem Luftwiderstandsbeiwert (cw-Wert) von 0,04 als aerodynamische Idealform. Kann da der Kofferfisch mit seiner kantigen Statur mithalten? Die ersten Tests im Wind- und Wasserkanal ergaben beeindruckende Ergebnisse. Der Gelbe mit den schwarzen Punkten ist ein aerodynamisches Ideal! Der Beweis lieferte ein originalgetreues Kofferfisch-Modell.

Im Stuttgarter Windkanal wurde ein Luftwiderstandswert von nur gerade cW 0,06 gemessen. Das erklärt, warum der Fisch so gut schwimmen kann und sich rasch und unter minimalster Kraftaufwendung bewegt. Ab sofort stand der Kofferfisch den Mercedes-Ingenieuren Modell für ein Autodesign, auf das sie selbst nicht gekommen wären. Als erstes bauten die Stuttgarter Tüftler ein tönernes Automodell im Massstab 1:4 im kantig-markanten Kofferfisch-Design. Der Test im Windkanal übertraf die Erwartungen: CW-Wert 0,095. Das ist um mehr als 65 Prozent weniger als der Luftwiderstandswert heutiger Kompaktwagen.

Auf Basis dieser Grundform wurde nun ein fahrbereites Auto konstruiert, komplett ausgestattet für vier Personen, 4,24 Meter lang, 1,82 Meter breit und 1,59 Meter hoch. Der „bionic car“ benannte Prototyp hat einen CW-Wert von 0,19. Die Daten und Verbrauchswerte überzeugen (Tab. 1). Im EU-Fahrzyklus verbraucht das Konzeptfahrzeug 4,3 Liter Kraftstoff je 100 Kilometer - das sind 20 Prozent weniger als ein vergleichbares Serienmodell. Bei konstant 90 km/h sinkt der Dieselverbrauch auf 2,8 Liter je 100 Kilometer.

Neben der perfekten Aerodynamik und einem von der Natur abgeleiteten Leichtbaukonzept tragen auch der moderne Dieselmotor mit 103 kW/140 PS und die neuartige SCR-Technologie (Selective Catalytic Reduction) zur Kraftstoffeinsparung und zur weiteren Verringerung der Abgas-Emissionen bei. Mit Hilfe der SCR-Technik und dem zusätzlichen Betriebsstoff „AdBlue“ lassen sich die Stickoxid-Emissionen des modernen Diesel-Direkteinspritzers um bis zu 80 Prozent verringern.

„AdBlue“ ist eine wässrige Harnstofflösung, die je nach Motorbetrieb genau dosiert in die Abgasanlage eingespritzt wird. Sie ermöglicht die Umwandlung der Stickoxide in unschädlichen Stickstoff und Wasser. Der Vorratsbehälter für diesen Betriebsstoff befindet sich in der Reserveradmulde des Konzeptfahrzeugs.

Der Natur abgeguckt wurde auch ein neuartiges Leichtbauverfahren. Die Aussenhaut des Kofferfisches besteht aus einer Vielzahl sechseckiger Knochenplatten. Sie sind so gewachsen, dass sie bei minimalem Gewicht ein Höchstmass an Festigkeit bieten und das Lebewesen wirksam vor Verletzungen schützen. Dabei orientiert sich das Knochenwachstum an den tatsächlichen Belastungen.

Auch beim menschlichen Oberschenkelknochen entsprechen Lage und Stärke der Knochensubstanz genau den Zug- und Druckspannungen, denen der Körperteil standhalten muss. Nach diesem biologischen Gesetz wachsen nicht nur Knochenskelette, sondern beispielsweise auch Äste und Wurzeln von Bäumen.

Zusammen mit Bionik-Experten entwickelten die Stuttgarter Techniker eine computergestützte Berechnungsmethode, um das biologische Wachstumsprinzip auf die Automobiltechnik, bzw. den „bionic car“, zu übertragen. Das heisst, Karosserie- und Fahrwerkskomponenten werden mittels Computersimulation so berechnet, dass der Werkstoff an Bereichen mit geringer Belastung weicher gestaltet und schliesslich ganz herausgeschnitten werden kann. Hingen werden stark beanspruchte Stellen gezielt verstärkt. Am Ende ergibt sich eine optimale Bauteilegeometrie, welche die Ansprüche des Leichtbaus, der Sicherheit und der Haltbarkeit erfüllt.

Berechnet man die komplette Rohbaustruktur des Fisch-Mercedes mit dieser Methode bleiben Stabilität, Crashsicherheit und Fahrdynamik unverändert hoch, doch das Gewicht verringert sich um rund 30 Prozent.

Und noch einmal stand der Kofferfisch Modell. Seine sechseckigen Knochenplatten entsprechen dem Grundsatz höchster Festigkeit bei geringem Gewicht. Überträgt man dieses Prinzip auf die Aussenhaut einer Autotüre ergibt sich gegenüber herkömmlichen Türen eine bis zu 40 Prozent höhere Steifigkeit.

In der Presseinformation von DaimlerChrsyler steht: „Der Kofferfisch besitzt einzigartige Eigenschaften und ist ein Musterbeispiel für die genialen Erfindungen der Natur, die sich in Jahrmillionen entwickelten und bis heute bewähren. Das Grundprinzip dieser Evolution: Nichts ist überflüssig, jedes Körperteil dient einem Zweck – manchmal sogar mehreren gleichzeitig.“ Hier stellen sich Fragen: Steuert „die Natur“ diese Entwicklung oder „der Zufall“? Wer ist die Natur? Woher hat sie ihr Genie?

© factum 5/2005