Wenn Heuschrecken große Strecken überbrücken oder Motten über Blumen schweben, können Aerodynamiker nur staunen. Wie die tierischen Flugkünstler die Luftströmungen um und hinter ihrem Körper manipulieren, haben Forscher jetzt in einem Windkanal in Göttingen in bislang unerreichter dreidimensionaler Auflösung untersucht. Die Erkenntnisse bringen Ingenieure dem Bau von Mikro-Flugzeugen näher, die eines Tages ähnlich wie Insekten fliegen sollen.
Um winzige Flugmaschinen zu konstruieren, können existierende Flieger nicht einfach immer weiter verkleinert werden. Diese verwenden getrennte Vorrichtungen für Antrieb und Auftrieb, nämlich Triebwerke und Flügel – was Platz kostet. „Die Natur hat das Problem gelöst, wie Miniatur-Flugmaschinen gebaut sein müssen“, erklärt Richard Bomphrey von der Universität Oxford: mit schlagenden Flügeln, die Antrieb und Auftrieb vereinen. Doch um das Vorbild der Natur technisch nachzuahmen, müssen die unterschiedlichen Funktionsweisen von Insektenflügeln noch viel besser verstanden werden. Heuschrecken können beispielsweise große Entfernungen bei geringem Energieverbrauch bewältigen. Hummeln sind exzellente Lastenträger und können so viel Pollen transportieren wie sie selbst wiegen. Motten wiederum weisen eine erstaunliche Manövrierfähigkeit auf und können über Blumen schweben, um Nektar aufzunehmen.
Wichtig für das Verständnis der Flugleistungen ist das genaue Berechnen der Geschwindigkeiten in der Luftströmung hinter den Flügeln der Insekten. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit der Universität Oxford und der Messtechnik-Firma La Vision haben daher den Flug von Heuschrecken und Motten in einem Windkanal in Göttingen untersucht. Mit modernster Messtechnik machten sie die Luftströmung hinter den Tieren in bislang unerreichter dreidimensionaler Auflösung sichtbar.
Dazu wurden die Tiere so in einem ein Meter langen Windkanal platziert, dass sie ein möglichst natürliches Flugverhalten zeigen. Dabei nutzten die Forscher einen Reflex aus: Sobald Heuschrecken keinen Boden unter den Füßen haben und von vorne angepustet werden, beginnen sie zu fliegen. Die Heuschrecken und die Motten wurden mit einem kleinen Tropfen Kleber auf einen Stab geklebt und mit elf beziehungsweise sieben Stundenkilometern angeblasen. Der Kleber ließ sich nach den Versuchen ohne Schaden für die Tiere wieder lösen.
Flug vor Hochleistungskameras
„Dann haben wir in die Luft kleinste Teilchen eingebracht, die der Strömung exakt folgen. Die Bewegung der Teilchen kann dann durch pulsierendes Laserlicht sichtbar gemacht werden“, sagt Dr. Andreas Schröder vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. Diese Messtechnik heißt Particle Image Velocimetry und wurde in Göttingen entwickelt. Ein fünf Zentimeter hoher und 22 Zentimeter langer Bereich hinter der Heuschrecke wurde von modernster Messtechnologie durchleuchtet: 23 Sekunden lang nahmen acht Hochleistungskameras 230 Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln auf.
„Die Auflösung dabei betrug 100 Mikrometer, das sind 0,1 Millimeter“, beschreibt Dr. Dirk Michaelis von La Vision. Das Besondere dabei: Im Computer entsteht so eine dreidimensionale Darstellung der Strömungsgeschwindigkeiten hinter den Insekten. Der gesamte Flugvorgang vom Heben und Senken der Flügel bis zu ihrer Rückkehr in die Ausgangsstellung wird dabei rekonstruiert. „Das ist das erste Mal erfolgt und liefert uns wichtige, bisher nicht mögliche Aussagen über das Flugverhalten von Insekten“, so Bomphrey.
Mini-Flieger für Katastrophen-Einsätze
Wenn aus den Forschungen irgendwann winzige, insektenähnliche Flugmaschinen hervorgehen sollten, hätten diese viele Vorzüge. Beispielsweise könnten sie in der Industrie für die Überwachung von Pipelines eingesetzt werden und automatisch nach Lecks suchen. Auch bei Katastrophen könnten die Maschinen zum Einsatz kommen. Bomphrey: „Solche Geräte hätten nach dem Reaktorunglück in Fukushima ohne Gefahr für Menschen in das Innere der Reaktoren vordringen können.“ Weitere Anwendungsmöglichkeiten könnten ungewöhnliche Kameraaufnahmen von Fußballspielen oder die flächendeckende Erfassung von Wetterdaten sein. Bis zu einem weitverbreitetem Einsatz solcher künstlichen Insekten werden nach Ansicht der Forscher noch rund 20 Jahre vergehen.
(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 03.05.2012 – NPO)
