Fledermausflügel erhöhen die Effizienz beim Schweben
Im Jahr 1934 schrieb der französische Entomologe Antoine Magnan, dass Hummeln «nicht fliegen können», da ihre kleinen Flügel theoretisch nicht genug Auftrieb erzeugen könnten. Erst die moderne Hochgeschwindigkeitskameratechnik brachte ans Licht, was den Insekten das Fliegen ermöglicht: der Vorderkantenwirbel. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich die Luftströmung um die Vorderkante – den vorderen Teil – der schlagenden Flügel zu einem Wirbel zusammenrollt, wodurch ein Unterdruckgebiet entsteht, das den Auftrieb erhöht.
Andererseits sind Fledermäuse mit ihren flexiblen Membranflügeln in der Lage, genauso gut zu fliegen wie Insekten, wenn nicht sogar noch effizienter. Tatsächlich hat man festgestellt, dass einige Fledermäuse bis zu 40 % weniger Energie verbrauchen als Motten ähnlicher Grösse. Die Forschenden des Labors für instationäre Strömungsdiagnostik der EPFL Fakultät für Ingenieurwesen untersuchten das aerodynamische Potenzial flexiblerer Flügel mithilfe einer Versuchsplattform mit einer stark verformbaren Membran aus einem Polymer auf Silikonbasis. Sie fanden heraus, dass die Luft nicht zu einem Wirbel führt, sondern sanft über die gebogenen Flügel strömt, was mehr Auftrieb erzeugt und sie noch effizienter macht als starre Flügel gleicher Grösse.
«Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass der Auftriebsgewinn, den wir sehen, nicht von einem Wirbel an der Vorderkante herrührt, sondern von der Strömung, die der glatten Krümmung des Membranflügels folgt», sagt der ehemalige EPFL-Doktorand Alexander Gehrke, der heute an der Brown University forscht: «Der Flügel muss nicht nur gekrümmt sein, sondern auch um genau das richtige Mass, da ein zu flexibler Flügel wieder schlechtere Leistungen erbringt.»
Gehrke ist Erstautor eines Artikels, der die Arbeit beschreibt und in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.
Einblicke in das Design von Drohnen oder Energie-Harvestern
Die Forschenden montierten die flexible Membran auf einen starren Rahmen mit Kanten, die sich um ihre Achsen drehen. Um die Strömung um den Flügel sichtbar zu machen, tauchten sie ihre Vorrichtung in Wasser, das mit Polystyrolpartikeln vermischt war.
«In unseren Experimenten konnten wir indirekt die vorderen und hinteren Winkel des Flügels verändern und beobachten, wie sie sich mit der Strömung ausrichteten», sagt Karen Mulleners, Leiterin des Labors für instationäre Strömungsdiagnostik. «Durch die Verformung der Membran wurde die Strömung nicht gezwungen, sich zu einem Wirbel aufzurollen, sondern sie folgte der Krümmung des Flügels auf natürliche Weise, ohne sich abzutrennen, und erzeugte so mehr Auftrieb.»
Gehrke sagt, dass die Ergebnisse des Teams sowohl für Biologen als auch für Ingenieurfachleute wichtige Erkenntnisse liefern.
«Wir wissen, dass Fledermäuse schweben und dass sie verformbare Membranflügel haben. Wie sich die Flügelverformung auf die Schwebeleistung auswirkt, ist eine wichtige Frage, aber es ist nicht trivial, Experimente an lebenden Tieren durchzuführen. Mit Hilfe eines vereinfachten, bioinspirierten Experiments können wir etwas über die Flieger der Natur lernen und lernen, wie man effizientere Luftfahrzeuge baut.
Er erklärt, dass Drohnen, je kleiner sie werden, stärker von kleinen aerodynamischen Störungen und unbeständigen Böen betroffen sind als größere Fahrzeuge wie Flugzeuge. Eine Lösung könnte darin bestehen, die gleichen Flügelbewegungen wie bei Tieren zu nutzen, um verbesserte Versionen dieser Fluggeräte zu bauen, die schweben und eine Nutzlast effizienter transportieren können.»
Die Erkenntnisse des Teams könnten auch dazu genutzt werden, bestehende Energietechnologien wie Windturbinen zu verbessern oder neu entstehende Systeme wie Gezeitensammler zu vermarkten, die passiv Energie aus den Meeresströmungen nutzen. Fortschritte in der Sensorik und Steuerungstechnik, möglicherweise in Kombination mit künstlicher Intelligenz, könnten die präzise Steuerung ermöglichen, die erforderlich ist, um die Verformung flexibler Membranflügel zu regulieren und die Leistung solcher Flieger an unterschiedliche Wetterbedingungen oder Flugmissionen anzupassen.
