1934 schrieb der französische Insektenforscher Antoine Magnan, dass Hummeln "nicht fliegen können sollten", da ihre kleinen Flügel theoretisch nicht in der Lage wären, genügend Auftrieb zu erzeugen. Es bedurfte moderner Hochgeschwindigkeitskameratechnologie, um herauszufinden, was diese Insekten zum Fliegen befähigt: ein "Vorderkantenwirbel". Die Luftströmung um die Vorderkante von Schlagflügeln wird zu einem Wirbel geformt, der einen Unterdruckbereich erzeugt, der den Auftrieb erhöht.
Fledermäuse mit flexiblen Membranflügeln können ihrerseits genauso gut wie Insekten fliegen, wenn nicht sogar effizienter. Tatsächlich verbrauchen einige Fledermäuse bis zu 40 % weniger Energie als Schmetterlinge derselben Größe. Ein Team des Laboratoire de diagnostic des écoulements instationnaires (UNFOLD) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL hat sich mit dem aerodynamischen Potenzial von flexibleren Flügeln befasst. Sie nutzte eine Versuchsplattform mit einer stark verformbaren Membran, die aus einem Polymer auf Silikonbasis hergestellt wurde. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Luft, anstatt einen Wirbel zu erzeugen, sanft über die gebogenen Flügel strömt, was mehr Auftrieb erzeugt und sie noch effizienter macht als starre Flügel der gleichen Größe.
"Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass der beobachtete Auftriebsgewinn nicht von einem Vorderkantenwirbel herrührt, sondern von der Strömung, die der glatten Krümmung des Membranflügels folgt", sagt Alexander Gehrke, ehemaliger Doktorand an der EPFL und jetzt Forscher an der Brown University. "Der Flügel muss nicht nur gekrümmt sein, sondern auch genau richtig, denn ein zu weicher Flügel ist weniger leistungsfähig." Er ist der Hauptautor eines Artikels, der diese Arbeit beschreibt und in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.
Besseres Verständnis der Flattertiere
Die Forscherinnen und Forscher montierten die flexible Membran auf einen starren Rahmen, dessen Ränder sich um ihre Achsen drehten. Um die Strömung um den Flügel herum besser sichtbar zu machen, tauchten sie ihre Vorrichtung in Wasser, das mit Spurenpartikeln aus Polystyrol vermischt war."Durch unsere Experimente konnten wir die vorderen und hinteren Winkel des Flügels indirekt verändern und so beobachten, wie sie sich an der Strömung ausrichteten", erklärt Karen Mulleners, Leiterin des UNFOLD-Labors. "Stattdessen folgte die Strömung der Krümmung des Flügels auf natürliche Weise, ohne sich zu trennen, und erzeugte so mehr Auftrieb.
Für Alexander Gehrke könnten diese Ergebnisse für Biologen und Ingenieure wertvoll sein. "Wir wissen, dass Fledermäuse den Schwebeflug praktizieren und dass sie verformbare Membranflügel haben. Wie sich die Verformung des Flügels auf die Schwebeflugleistung auswirkt, ist eine wichtige Frage, aber Experimente an lebenden Tieren durchzuführen, ist nicht harmlos. Durch die Verwendung einer vereinfachten bio-inspirierten Struktur können wir mehr über Flattertiere und darüber, wie man effizientere Fluggeräte bauen kann, lernen."
Ein Plus für Windkraftanlagen
Alexander Gehrke erklärt, dass Drohnen mit abnehmender Größe stärker von kleinen aerodynamischen Störungen und instabilen Böen betroffen sind als große Fluggeräte wie Flugzeuge. Standardmäßige vierrotorige Drohnen hören bei sehr kleinen Größenordnungen auf zu funktionieren. Eine Lösung könnte daher darin bestehen, die gleichen Flügelbewegungen wie bei Tieren zu nutzen, um verbesserte Versionen dieser Flugobjekte zu bauen, damit sie effizienter gleiten und Nutzlast transportieren können.Die Ergebnisse des Teams könnten auch dazu dienen, bestehende Energietechnologien wie Windkraftanlagen zu verbessern oder neu entstehende Systeme wie Gezeitenrekuperatoren, die passiv die Energie von Meeresströmungen nutzen, auf den Markt zu bringen. Fortschritte in der Sensor- und Steuerungstechnologie, potenziell in Verbindung mit künstlicher Intelligenz, könnten die präzise Steuerung ermöglichen, die erforderlich ist, um die Verformung der flexiblen Membranflügel zu regulieren und die Leistung dieser Drohnen bei wechselnden Wetterbedingungen oder Flugmissionen anzupassen.
