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Wissen & Umwelt

Der Baum als Lehrmeister

Von Bäumen kann man allerhand über Mechanik lernen, sagt Claus Mattheck, Biomechaniker am KIT. Er hat Gesetzmäßigkeiten entdeckt, die man auch in Schneckenhäusern und bei Steinen wiederfindet.

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Was können Mechaniker und Ingenieure von Bäumen lernen?

Deutsche Welle: Wie kommt ein theoretischer Physiker zu Bäumen als Studienobjekte?

Claus Mattheck: Ich hatte über die Bruch-Mechanik von Stahl-Bauteilen gearbeitet, als ich mir bei einem Unfall das Bein brach. Da hab ich dann über Implantate nachgedacht, weil ich eins drin hatte. Ob die überhaupt halten. Und da waren wir drin in der Bio-Mechanik des Skelett-Systems. Das haben wir eine Weile betrieben. Und dann hatte ich am Atlantik einen seltsamen Baum gesehen. Der sah so lustig aus. Der hatte zwei Mal den Leit-Trieb verloren und immer wieder neue Wipfel ausgetrieben. Das konnte ich mir seinerzeit überhaupt nicht erklären. Das hat mich geärgert und dann den Forscherdrang über Bäume geweckt. Der Baum am Atlantik war der Büchsenöffner für unsere Baumforschung.

Prof. Claus Mattheck in einem hohlen Baum (Foto: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)).

Claus Mattheck bei der Baumanalyse

Damals hatte ich von Bäumen gar keine Ahnung. Ich hab sie schön gefunden und interessant. Aber wie sie heißen, das war mir alles nicht so wichtig. Die Namen der Bäume sind mir auch heute nicht so wichtig, muss ich ehrlich sagen. Ob ich nun Claus heiße oder Fritz - ist doch im Grunde derselbe Mensch.

Ich bin dann losgezogen mit Fotoapparaten in die Rheinauen und hab dort die alten, zerfallenden Weiden fotografiert. Und nur gestaunt und nachgedacht. Wir haben dann Löcher in die Bäume geschnitzt und gestanzt und gesehen, wie die heilen. Und dann konnten wir relativ schnell das Wachstum der Bäume im Computer simulieren - so ein dreiviertel Jahr später. Das war dann der Durchbruch.

Ob das damals in Trend lag, Design nach der Natur, das weiß ich gar nicht. Viele haben uns vielleicht für verrückt gehalten. Aber die Vorstände des Instituts hatten den Mut und die Weitsicht, zu uns zu stehen. Dafür werde ich ihnen immer dankbar sein. Die hätten ja auch sagen können: "Also Mattheck, Maschinenbauteile wie Baumäste und Hundeknochen im Computer wachsen zu lassen... Haben sie Dich zu heiß gebadet?" Haben sie aber nicht. Die hatten irgendwie ein Gefühl für das Potenzial, das da drin steckt. Und haben mich machen lassen. Ich hab dann fünf neue Mitarbeiter bekommen, wir wurden schnell eine Abteilung. Und dann ging es Schlag auf Schlag.

Was macht einen guten Forscher aus?

Ich glaube, man braucht vor allen Dingen Mut. Die Gnade der Götter, dass sie Ihnen die Ideen geben. Und sehr gute Mitarbeiter, die einem helfen, die Sachen umzusetzen.

Auch einen besonderen Blick?

Nun ja, ich bilde mir an sich auf meinen Blick nichts ein. Ich sehe das als Geschenk, das mir die Götter gegeben haben. Die Zug-Dreiecke, die Universal-Formen der Natur hätte ja auch ein anderer entdecken können. Aber sie haben halt gedacht: "Nein, die kriegt jetzt der Mattheck." Also, ich glaube, dass vieles bestimmt ist und wir nur die Werkzeuge der Götter sind. Und da gibt es sehr widerspenstige Werkzeuge und willfährige. Und ich hoffe, dass ich ein willfähriges Werkzeug der guten Götter war.

Es ist eine runde Sache. Wenn ich jetzt mein Leben zurück drehen könnte, würde ich nichts Wesentliches anders machen. Nur Kleinigkeiten. Ich bin dankbar, dass ich hier am KIT einen Arbeitsplatz hatte, wo ich mich jeden Tag auf meinen Beruf freuen konnte. Dass ich ins Büro gefahren bin und hab gesagt: "Wow! Jetzt geht es wieder los! Was machen wir heute?" Da sind Sie reich!

Erinnern Sie sich noch an Ihr HEUREKA! bei den Zug-Dreiecken?

Es war der Zufall der Forschung, so wie es ist. Ich hab auf der Terrasse gesessen und gezeichnet. So wie andere lesen, so zeichne ich immer vor mich hin. Ich hatte überlegt: "Wie bringt der Baum seine Biegekraft aus dem Stamm in die Erde?" Und da hab ich dann die Dreiecke gezeichnet. Und auf einmal waren die Zug-Dreiecke geboren, ohne dass ich es wollte.

Neben den Zug-Dreiecken gibt es noch die Schub-Vierecke und die Kraft-Kegel, die Formen finden. Wir nennen sie Denkwerkzeuge nach der Natur. Denn diese Universalformen befähigen uns, große Bereiche der belebten und unbelebten Natur zu beschreiben. Und auf einen Blick zu verstehen. Und dann dieses Design in den Maschinenbau zu bringen. Und solche Bauteile zu schaffen, die in dieses Universum, in diese Formengemeinschaft hineinpassen. Also technische Komponenten damit zu einem Bestandteil der Natur zu machen.

Das Schöne an diesen Denkwerkzeugen ist, dass man das sofort in der Natur sieht. Und damit Zweifel schnell zerstreut werden - dass man halt ein verstehendes Sehen entwickelt und nicht wie ein Schwein ins Uhrwerk schaut und sagt: "Ticktack, eine Kartoffel scheint es nicht zu sein". Sondern sagt: "Es ist eine Uhr!" Man sieht den schrägen Riss in der Wand und erkennt sofort die Ursache.

Diese Denkwerkzeuge befähigen uns, eine standesübergreifende, mathematikfreie Mechanik zu vermitteln. Vom Schüler bis zum Professor. Das verstehen meine Baumpfleger mit Hauptschulabschluss, so wie die Uniprofessoren und die Berechnungselite der großen Konzerne. Dass uns dieser Switch gelungen ist, die Mechanik und die Schadenskunde so zu erklären, dass sie jeder verstehen kann, das ist an sich ein sehr großes Geschenk.

Prof. Claus Mattheck erklärt an einer Tafel die Funktion von Zugdreiecken

Zugdreieicke und Schub-Vierecke treten in der Natur häufig auf. Claus Matthek erklärt die Funktion auf einer Tafel.

Was waren Ihre aufregendsten Entdeckungen, die Sie Bäumen verdanken?

Also das ist schon die Interpretation der Körpersprache der Bäume. Und auch festzustellen, was für eine Riesenreichweite die Kontur der Zug-Dreiecke hat. Das haben wir nie so erwartet. Wir hatten gedacht: "Jetzt haben wir eine Kerb-Form, und die gilt für alles." Das wäre ja auch schon erfreulich gewesen. Aber dass diese Kontur der Zug-Dreiecke nun vom Zuckerhut in Brasilien bis zum Bachkiesel, zur Baumkrone, zur Muschel, zur Schnecke, zur Steilküste, also alles beschreibt, das hätten wir nie gedacht. Dass nicht lebende Strukturen sich selbst optimieren wie die lebenden. Dass sie dieselben Formen annehmen wie Strukturen, die fähig sind, in diese Form zu wachsen.

Das hat meinen Blick auf die nicht lebende Natur verändert. Bisher hat man als Mensch immer gedacht: "Wir sind die Elite, die Lebewesen und Steine sind doof. Die sind tot." Das hat sich geändert. Ich fühle, dass die Kluft zwischen belebter und unbelebter Natur, zwischen Leben und Tod viel fließender ist. Letztlich auch eine theologisch philosophische Frage.

Das ist schon faszinierend, ja fast ein bisschen unheimlich. Und wir sind noch nicht fertig. Fasern optimal zu einer belastbaren Form zu verbinden, so wie es der Baum kann, das steht noch aus. Da haben wir jetzt den Zugang. Das sind so die Sachen, die ich mir für die Zukunft noch vornehme. Und dann sind die Götter ja auch immer für eine Überraschung gut. Kann sein, irgendwann sagen sie wieder: Nimm mal Dein Zeichenzeug und leg los.

Da sind wir wieder bei der Mathematik, wo Sie als Physiker begonnen haben. Ist sie die Sprache der Natur?

Mathematik ist eine Möglichkeit, die Natur quantifiziert zu beschreiben. Aber zum Verständnis brauchen wir sie in vielen Fallen nicht. Und das ist das, was wir mit unserer gesprochenen Volksmechanik, die Denkwerkzeuge wie die Zug-Dreiecke nutzt, ja machen wollen. Einfach und anschaulich. Wir öffnen im Prinzip das Tor zur Mechanik. Und die Leute müssen nicht immer erst die Barriere der Mathematik überklettern. Das ist ja die Abschreckungswaffe der Naturwissenschaften. Die Leute sagen: "Boah, diese Formelwände! Das muss ich mir nicht antun!" Die Mathematik ist unverzichtbar. Ich selbst hab ja mathematische Physik studiert, und das ist Mathe im Prinzip. Aber wir können sie zum Verständnis vieler Probleme ohne Zahlen zunächst mal herauslassen. In meinem Buch "Die Denkwerkzeuge nach der Natur" hab ich im Vorspann geschrieben: "Also am Ende werden wir das Lächeln der Götter sehen, wie einfach sie die Welt erschaffen haben."

Wir sind ja auf einem Besorgnis erregenden Trip der Verkomplizierung, immer mehr Computer, immer mehr Software. Wo auch die einfachsten Sachen mit EDV gemacht werden oder werden müssen. Und da steuern wir im Grunde voll dagegen. Wir sagen: "Alles ohne Computer!", oder "Vieles ohne Computer!". Für die Zug-Dreiecke haben wir nur ein Geo-Dreieck gebraucht. Das war irgendwie eine befriedigende Erkenntnis, dass es alles viel einfacher ist als man denkt. Wir schwimmen da gegen den Strom, aber mit Erfolg. Wir sind noch nicht weggespült worden, im Gegenteil! Es sind viele, die uns nachfolgen. Große Autokonzerne, Maschinenbauer und auch Gießereien arbeiten schon mit unseren Zug-Dreiecken und den anderen Denkwerkzeugen nach der Natur.

Ein Tipp für den wissenschaftlichen Nachwuchs...

Nicht nur an der Computerkonsole rumhängen, sondern rausgehen in den Wald. Und sei es auch mit der Schleuder, um da zu schießen. Rausgehen, um zu gucken, zu fühlen, zu riechen, zu schmecken. Und nicht nur über Computer diese Naturbegegnung zu suchen. Die natürlichste Begegnung mit der Natur ist draußen in der Natur, nicht vor dem Bildschirm. Das ist meine große Sorge, dass wir die Nähe zur Natur und damit auch zum gesunden Menschenverstand verlieren. Weil wir sie meiden. Rausgehen und gucken! So haben wir es ja letztlich auch gemacht. Und wer so arbeitet, der liegt auch nie grob falsch. Für Ihre Theorie haben Sie ja immer den Vergleich mit der Natur.

Und wenn das übereinstimmt, dann sind Sie richtig. Wenn Sie nur im Büro hocken und am Computer rumhacken, da kann der größte Blödsinn rauskommen. Und sie merken es nicht mal.

Claus Mattheck

ist Distinguished Senior Fellow des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und führt dort sein Team der Biomechaniker an, die zum Institut für Angewandte Materialien gehören.

Das Interview führte Cornelia Borrmann.

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