BIONIK / DAS BIOTOPE-PRINZIP
Bis zum letzten Photon. Ein Exkurs durch Licht, Energie, Wasser und die lebenden Systeme, die BIOTOPE inspirieren.
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Das BIOTOPE®-Prinzip unterliegt - wie praktisch all meine Erfindungen - der Überlegung: "bis zum letzten Photon".
Nutzung der Gesamtheit des Spektrums der auf eine Fläche frei einfallenden Sonnenstrahlung in einer Kaskade von Nutzwirkungen.
Dies ist ein diametral anderer Ansatz als die übliche Strategie , die darauf beruht, einen bestimmten Teil der eingestrahlten Sonnenenergie dankbar zu nutzen, aber einen anderen Teil als schädlich zu betrachten und mit technischen Maßnahmen zurück zu weisen.
Beispiel Klassisches Glasgewächshaus: Sommer, hohe Lufttemperatur, die Sonne lacht vom blauen Himmel. Da steigt die Lufttemperatur im Inneren, trotz geöffneter Belüftungsklappen für Pflanzen und Menschen, ins Unerträgliche (Pflanzen und Menschen haben ähnliche Temperaturkomfortzonen).
Also wird die Glasfläche mit einer Kalklösung oder einer anderen lichtabweisenden Schicht bedeckt, und damit werden ca. 60-70% des einfallenden Sonnenlichtes rückreflektiert. Gut, innen wird es deutlich kühler, sowie beim Passieren einer Wolke vor der Sonne.
Das ist gut für die Photosynthese betreibenden Pflanzen im Inneren, denn deren Leistungsfähigkeit lässt mit steigender Temperatur deutlich nach.
Leider reduzieren diese Schichten auch den für das Pflanzenwachstum ausschlaggebenden PAR (Photosynthetic Active Radiation) Spektralanteil des Sonnenlichtes. Außerdem wird auf diese Weise pro m²/Tag eine Lichtmenge von immerhin bis zu 3 kWh ungenutzt an den 'Spender' in den Himmel zurückgeschickt. Für ein Gewächshaus mit ca. 50 m² Südfläche immerhin das Äquivalent von 120 kWh gratis Strahlungsenergie.
Das BIOTOPE® hingegen nimmt dieses Strahlungsgeschenk an und wandelt es in Nutzenergie.
insbesondere wenn ein solches, ca. 10 m langes BIOTOPE® im Garten, neben einem Wohnhaus stünde? Die drehbaren Lamellen im Inneren der BIOTOPE® Doppelfenster erfüllen tagsüber eine Dreifachfunktion:
Aber weiter, ganz im Sinne des Mottos: "Bis zum letzten Photon": die auf das PV-Modul einfallenden Sonnenlichtphotonen erzeugen also mit ca. 20% Wirkungsgrad Strom; was aber geschieht mit den nicht zur Stromerzeugung genutzten 80%?
Bei klassischen Photovoltaikmodulen erzeugen sie Wärme, die mit dem über den Modulen aufsteigenden Luftstrom die Atmosphäre aufheizt; und außerdem deren Umwandlungswirkungsgrad in Strom reduzieren (negativer Temperaturkoeffizient).
Beim BIOTOPE® strömt diese warme Luft gezielt im als Aufwindkanal wirkenden Doppelfenster nach oben und erzeugt dadurch 2 weitere Nutzeffekte:
Im Beispiel des 50 m² BIOTOPE®s im Garten erfüllt das BIOTOPE® nach bisher Geschildertem zwei Aufgaben:
Ideales Pflanzenhabitat und Energiezentrale für das Haus.
Neben dem PAR-Licht spielen auch andere Teile des Sonnenlichtsspektrums eine wichtige, oft nicht beachtete Rolle für das Pflanzenwachstum. Zuerst der UV-Anteil des terrestrischen Sonnenlichtes. Er ist für Vitaminbildung, Geschmack und Farbe verantwortlich und desinfiziert auf natürliche Weise das Innere des BIOTOPE®. Die das BIOTOPE® umhüllenden ETFE-Membranen sind auch für das UV-Licht hochtransparent.
Ganz im Gegensatz zu klassischen Gewächshäusern aus Glas; diese blockieren das UV-Licht. Jeder, der einmal Früchte aus einem glasbedeckten Gewächshaus gekostet hat und zum Vergleich dieselbe Sorte aus einem ETFE-bedeckten Gewächshaus, versteht die Unterschiede. Auch der betörende Duft der Pflanzen und deren leuchtenden Farben im BIOTOPE® gleichen jenen im Freiland.
Da das Sonnenlicht die Lebensquelle der Pflanzen ist, könnte man die im Gewächshaus gewachsenen mit einer gewöhnlichen Suppenküche assoziieren, während die unter ETFE gedeihenden mit einem exquisiten Mehrsterne-Restaurant in Verbindung stehen.
Die Pflanzen “kennen” die Gesetze der Quantenphysik und wenden sie sehr elegant an. Schon lange bevor es Menschen gab. Obwohl sie keine Universität besuchten, keine Titel erwarben und keine Nobelpreise erhielten. Ich sage dies halb augenzwinkernd, halb mit vollem Ernst. Das menschengemachte "BIOTOPE® " umhüllt und dient etwas sehr Subtilen, Wertvollen – nämlich lebendigen Pflanzen.
Es ist daher angebracht, deren Bedürfnisse möglichst gut zu kennen, damit wir diesen möglichst gerecht werden. Die Hülle des BIOTOPE® entstand gedanklich aus einer Analogie aus der Natur. Der das wertvolle Innere einer lebendigen Zelle umhüllenden Zellmembran. Diese Membran ist keinesfalls nur eine statische Schutzhülle. Sie interagiert intelligent in Funktion der wechselnden Umgebungsbedingungen, öffnet und schließt "Fenster" ins Innere, zum Wohle des Ganzen.
Diese "Erfindung" der Natur war eine der wichtigen Voraussetzungen zur Evolution des Lebens.
Doch, zurück zu Quantenphysik. Jeweils 48 Lichtphotonen (Quanten) werden benötigt, um in der fantastischen, lichtchemischen "Fabrik" des Chlorophylls ein Zuckermolekül – Grundlage des Lebens – zu synthetisieren. Dabei wird der Wirkungsgrad dieser Umwandlung so definiert:
Energieinhalt 48 Photonen
Energieinhalt eines Zuckermoleküls.
Da der Energieinhalt des Zuckermoleküls eine Konstante ist, wird der Wirkungsgrad der Umwandlung umso höher sein, je geringer die Energie der verursachenden 48 Photonen ist. Nun sind wir bei der Farbe des einstrahlenden Lichtes angekommen. Wie ausgeführt, benötigt der Mechanismus der Photosynthese ganz bestimmte Bereiche aus dem eingestrahlten Gesamtspektrum, das PAR-Licht. Dieses ist besonders energiereich im Blau-Grünen Bereich (wobei Grün von der Photosynthese kaum genutzt werden kann) und entsprechend energieärmer im sich anschließenden Gelb-Roten Bereich.
Für die Erfüllung der Aufgabe: "Licht zu Zucker" ist gemäß den Quantenregeln nur die Anzahl der verursachenden Photonen, also 48, nicht deren Energieinhalt, maßgeblich.
Fazit: 48 Gelb-Rote Photonen erzeugen ein Zuckermolekül mit deutlich höherem Wirkungsgrad als 48 Blau-Grüne.
Bestimmte fluoreszierende Pigmente können Blau-Grünes Licht aufnehmen und als Gelb-Rotes Licht abstrahlen. Wir haben solche Fluoreszenzpigmente in Membrane eingebaut, die an geeigneter Stelle im BIOTOPE® platziert, den Pflanzen zusätzliche Portionen ihrer "Lieblingsspeise" zuführen und somit zu vermehrtem, gesundem Wachstum beitragen.
(Kleine Zwischenbemerkung: Das letztgenannte Prinzip kann in zukünftigen Weiterentwicklungen des BIOTOPE®s sicher durch optimierte Fluoreszenzmechanismen noch erheblich verbessert werden.)
Pragmatisch denkend, nehmen wir es für den Moment im derzeitigen Entwicklungsstand einfach als nützlichen Zusatzeffekt mit und konzentrieren uns auf die schrittweise Optimierung der Hauptfunktionen. Also der Beginn einer technischen Evolutionskette.
Aber – ganz wichtig – schon der erreichte Stand ist dem Stand der Technik deutlich überlegen; deswegen setzen wir diesen erstmal in kleiner "Do it Yourself"-Konfiguration um, bringen diese auf den Markt und können mit den finanziellen Rückflüssen stufenweise weitere Entwicklungsschritte und Anwendungsgebiete entwickeln, die ich später in diesem Papier kurz beschreibe.
Aber zuerst nochmal zurück zu den Photonen und der bestehenden DIY-Konfiguration des BIOTOPE®. Wie beschrieben nutzt seine multifunktionale Hülle die einfallenden Sonnenphotonen in einer Kaskade nützlicher Umsetzungen, die alle dem Wohlbefinden der Pflanzen dienen und zusätzlich uns Menschen dienen.
Dabei ist es nützlich, sich zu vergegenwärtigen, welch ungeheure Zahl von Photonen pro Sekunde auf eine senkrecht zur Sonneneinstrahlung angeordnete Fläche fällt: 3,1 x 1021 bei vollem Sonnenschein und noch 0,6 x 1021 unter dicken Wolken!
Dies hilft zu verstehen, warum die Sonne nicht nur alle irdischen Energiekraftwerke um Größenordnungen übertrifft, sondern auch, wie viel genialer und subtiler die Interaktion "Lichtquant-Materie" ist, als alle bisherigen menschlichen Technologien. Besonders deutlich wird dies, wenn wir das Wunder der Photosynthese betrachten. Wir verdanken ihm unsere Existenz. Ist es daher nicht logisch und zielführend, dass wir als Teil der Schöpfung in Synergie mit Pflanzen Entwicklungen wie die des BIOTOPE® betreiben?
Bis jetzt sprachen wir von Sonnenphotonen. Während der Nacht strahlen die Hüllen des BIOTOPE® selbst im Infrarotbereich "Kältephotonen" durch das Infrarotfenster (zwischen 8 und 14 Mikrometern Spektralbereich) zum Weltall, das eine Temperatur von -273°C besitzt, ab. Sie transportieren dadurch Energie in den Weltraum. Der Effekt: die abstrahlenden Flächen werden kühler. Ich habe mir daher erlaubt, diese Art von Photonen etwas salopp als "Kältephotonen" zu bezeichnen. Natürlich hat die Natur dieses Prinzip schon lange genutzt: Morgentau auf der durch die "Kältephotonen"-Abstrahlung der Gräser und Pflanzen niedrigen Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt. Dieses Prinzip nutzt das BIOTOPE® zur Rückgewinnung des von den Pflanzen in seinem Inneren während des Tages verdunsteten Wassers.
Durch die Doppelfenster-Topologie der Außenhülle des BIOTOPE® bedingt, fällt die durch den beschriebenen Vorgang abgekühlte Luft durch Schwerkraft in den Kanälen nach unten. Dort passiert sie, bevor sie in den Außenraum entweicht, einen geeigneten Luft-Wasser-Wärmetauscher. Dieser füllt einen Speicher mit kaltem Wasser.
Am folgenden Tag saugen die nun als Aufwindkanal agierenden Kanäle frische, CO2-reiche Luft ins Innere des Gewächshauses und verdrängen daher kontinuierlich die CO2-arme, mit Wasserdampf beladene Innenluft des BIOTOPE® , die über den Aufwindkanal in den Außenraum gelangt. Am unteren Ende des Kanales durchströmt diese Luft den erwähnten Wärmetauscher, der durch das während der Nacht erzeugte Kaltwasser unter den Taupunkt der austretenden Luft gekühlt wird.
Effekt: die abstrahlenden Flächen werden kühler. Ich habe mir daher erlaubt, diese Art von Photonen etwas salopp als "Kältephotonen" zu bezeichnen. Natürlich hat die Natur dieses Prinzip schon lange genutzt: Morgentau auf der durch die "Kältephotonen"-Abstrahlung der Gräser und Pflanzen niedrigen Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt. Dieses Prinzip nutzt das BIOTOPE® zur Rückgewinnung des von den Pflanzen in seinem Inneren während des Tages verdunsteten Wassers. Wasser hocheffizient nutzbar gemacht - Dank Biotope® Durch die Doppelfenster-Topologie der Außenhülle des BIOTOPE® bedingt, fällt die durch den beschriebenen Vorgang abgekühlte Luft durch Schwerkraft in den Kanälen nach unten. Dort passiert sie, bevor sie in den Außenraum entweicht, einen geeigneten Luft- Wasser-Wärmetauscher. Dieser füllt einen Speicher mit kaltem Wasser. Am folgenden Tag saugen die nun als Aufwindkanal agierenden Kanäle frische, CO2- reiche Luft ins Innere des Gewächshauses und verdrängen daher kontinuierlich die CO2- arme, mit Wasserdampf beladene Innenluft des BIOTOPE® , die über den Aufwindkanal in den Außenraum gelangt. Am unteren Ende des Kanales durchströmt diese Luft den erwähnten Wärmetauscher, der durch das während der Nacht erzeugte Kaltwasser unter den Taupunkt der austretenden Luft gekühlt wird. Effekt: Das in der feuchten Luft enthaltene Wasser wird rückgewonnen und dem Gewächshaus wieder zugeführt.
Ein äußerst bedeutender Effekt denkt man an die Wasserkrise, die in vielen Regionen der Erde zunehmend verschärft wird, verursacht durch die vom Menschen herbeigeführte Klimaderegulierung aufgrund von Treibhausgasen.
Einige Zahlen sollen dies verdeutlichen und auch zur Kurzbeschreibung weiterer Nutzanwendungen des BIOTOPE® Prinzipes führen:
| Ernährung | Ungefähre Fläche |
|---|---|
| Omnivore Ernährung | 4.000–5.000 m² |
| Vegetarische Ernährung | 2.000–3.000 m² |
| Vegane Ernährung | 1.000–2.000 m² |
Fleischproduktion benötigt deutlich mehr Fläche, insbesondere Rindfleisch wegen des Futtermittelbedarfs. Eine pflanzenbasierte Ernährung reduziert den Flächenbedarf erheblich.
Der Wasserbedarf hängt von den Pflanzen, dem Klima und der Bewässerungseffizienz ab.
Weltweiter Durchschnitt für Bewässerung: ca. 3 - 5 Liter Wasser pro m² pro Tag (stark variabel)
Hochgerechnet:
| Ernährung | Liter pro Tag |
|---|---|
| Omnivore Ernährung | 12.000–25.000 |
| Vegetarische Ernährung | 6.000–15.000 |
| Vegane Ernährung | 3.000–10.000 |
Es ist wichtig zu erkennen, dass nur ca. 1% des Wassers, mit dem die Pflanzen gegossen werden, in den Pflanzenstrukturen eingebaut wird, also dort verbleibt.
Die restlichen 99% dienen dem Transport von Nährstoffen aus dem Wurzelbereich und schließlich der Kühlung durch die Blattverdunstung.
Bei den etablierten Gewächshäusern wird der Wasserdampf durch Öffnung großer Klappen in die Atmosphäre entlassen. Der enthaltene Wassergehalt wird über das globale Wettergeschehen recycelt, kommt aber fast nie an den Ursprungsort direkt zurück.
Insofern hat das BIOTOPE® Prinzip sich hier auch am natürlichen Kreislauf orientiert, dieses aber mit einfachen technologischen Methoden für einen kleinen, lokalen Wasserkreislauf genutzt.
Aber was bedeutet dies tatsächlich? Wenn ein Großteil des von den Pflanzen verdunsteten Wassers (im Idealfall 99%) für die Pflanzen im geschlossenen Kreislauf rückgewonnen wird, bedeutet es eine dramatische Einsparung am, in der obigen Tabelle aufgeführten Wasserbedarf.
Betrachten wir die 6.000-15.000 Liter/Tag, die jeder, der sich vegetarisch ernährt, pro Tag (!) nur für seine Ernährung verbraucht (obwohl die meisten von uns das nicht wissen), dann erkennen wir, dass Einsparungen beim Duschen oder ähnliche, sinnvolle Maßnahmen zur nötigen Reduzierung des Wasserbedarfs nur marginale Maßnahmen darstellen.
Der Hauptansatzpunkt liegt im Recyceln des von den Pflanzen verdunsteten Wassers.
Zu welchen Überlegungen führt dies, denkt man über zukünftige Anwendungspotentiale des BIOTOPE® nach?
Stellen wir uns eine Stadt im sonnigen Süden vor. Die Bewohner benötigen Lebensmittel und Energie. Beides liefert das BIOTOPE® . Stellen wir uns vor, dass die Stadt von einem kreisförmigen, konzentrischen Ring von BIOTOPE® N umgeben ist.
Nun können Energie und Lebensmittel auf sehr kurzer Strecke den Verbrauchern zugeführt werden. Übrigens, bei Bedarf auch tierische Proteine, aus einer in den BIOTOPE®n integrierten Fischzucht. Das ist keinesfalls eine Utopie. In unserer Zusammenarbeit mit der Organisation "Blue" unserer Forscherfreunde in Sydney konnten wir realisieren, dass diese es geschafft haben (allerdings in einem konventionellen, 'energiehungrigen' kommerziellen Gewächshaus von 5.000 m² Fläche, mit jeweils ca. 20 m² Flächenanteil pro Tag ca. 1 kg Tilapia Fisch + 1 kg Gemüse zu erzeugen und in örtlichen Supermärkten zu verkaufen). Wenn sie diese 20 m² Flächenbedarf zur täglichen Ernährung eines Menschen mit den in obiger Liste angegebenen 4.000-5.000 m² für Omnivore Ernährung (Pflanzen + Fleisch) vergleichen, werden sie es für unrealistisch halten.
Der Schlüssel zur Lösung des Problems liegt tatsächlich in der Bereitstellung günstiger elektrischer und thermischer Energie für die Gewächshäuser. Beides liefert das BIOTOPE® prinzipiell.
Also verstehen Sie, warum es mein größter Traum ist, solche Städte und Siedlungen umschließende BIOTPE in Zukunft entstehen zu sehen.
Die Stadt profitiert übrigens nicht nur von der Lieferung von gesunden Nahrungsmitteln und Energie über kurze Strecken.
Bei der Abwasseraufbereitung dieser Städte stellt die letzte, biologische Klärstufe einen Hauptkostenfaktor dar. Die Pflanzen im Gewächshaus können diese prinzipiell, bei gleichzeitiger Verwertung für ihr Wachstum, ersetzen.
Nun, wie angekündigt, eine zweite, kleinere Zukunftsanwendung des BIOTOPE®. Seine Integration, typisch als Flachdachaufbau oder als Wintergarten in Wohngebäude. Energie und Nahrungsmittel können hier auf kürzestem Weg genutzt werden. Ein erster, wichtiger Schritt zur lokalen, solaren Autonomie.
Noch zwei Zusatzaspekte. Erstens einer für die "Seele": der innere Bereich der BIOTOPE® ist auch ein wunderbarer Aufenthaltsraum für Menschen. Im einfachsten Fall im Liegestuhl, bei angenehmen Temperaturen und Lichtverhältnissen die Seele inmitten eines Naturparadieses "baumeln lassen". Im erweiterten Fall: ein "Haus im Haus" als Zufluchtsort im BIOTOPE® errichten.
Der zweite Aspekt ist nüchterner: durch die extreme Leichtbauweise benötigt das BIOTOPE® zu seiner Herstellung wesentlich weniger "graue Energie" und damit verbunden werden erheblich weniger Treibhausgase in die Atmosphäre abgegeben als bei der Herstellung schwerer, klassischer Gewächshäuser. Dies ist eine wichtige Zielsetzung, denn schließlich zielen Entwicklungen wie die des BIOTOPE® hin zur dringend benötigten karbonfreien Zukunft.
Ich danke der wunderbaren Natur, die mich mit ihrer Vielfalt und Multifunktionalität begeistert und inspiriert.
Ich wünsche mir Gruppen junger, pionierhafter Menschen, die voller Enthusiasmus aus solchen und verwandten Konzepten Start-ups gründen und damit ähnlich erfolgreich wie die "Garagenpioniere" des digitalen Zeitalters werden, allerdings auf einem Gebiet mit noch viel größerem Potential für die Entwicklung der Humanität. Und ich
Danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!
Jürgen Kleinwächter
Basierend auf dem „BIOTOPE®-Prinzip“ von Jürgen Kleinwächter. Zahlen, Schätzungen und Zukunftsvisionen werden so dargestellt, wie sie im Originalaufsatz des Autors beschrieben sind.