Geriffelte, biegsame Flügel höchst effizient

Erstes detailliertes Computermodell der Heuschrecken-Flügelform liefert Beweis und Vorlage für Energie sparende Flugweise

Heuschrecke im Windkanal
Heuschrecke im Windkanal

Canberra (Australien)/Oxford (Großbritannien) - Richtig fliegen heißt richtig biegen: Ein Insektenflügel in Bewegung bekommt am meisten Auftrieb, wenn er sich flexibel in der Luft biegt und dreht - und wenn seine Oberfläche komplexe Furchen und Grübchen zeigt. Das berichten australische und britische Forscher, die erstmals den Flügelschlag von Heuschrecken erfolgreich im Computer simulieren konnten. Bleibt der Flügel hingegen starr oder die Oberfläche glatt, so ist zum Fliegen deutlich mehr Kraft nötig, berichten sie im Fachblatt "Science". Das Computermodell bringt Ingenieure auch dem Bau neuer Mikro-Flugzeuge näher, die die hohe Manövrierfähigkeit von Insekten mit niedrigstem Energieeinsatz erreichen könnten.

"Bis vor sehr kurzem war es unmöglich, die tatsächliche Form eines Insekentflügels im Flug zu messen - teils weil ihre Flügel so schnell schlagen und teils, weil deren Form so kompliziert ist", erklärt John Young, Aerodynamiker an der University of New South Wales (UNSW) und Dozent für Luftfahrttechnik an der Australian Defence Force Academy. Gemeinsam mit Zoologen der Oxford University hatte Young zunächst die Flugbewegungen von Wanderheuschrecken genauer betrachtet. Mithilfe einer digitalen Hochgeschwindigkeitskamera analysierten die Forscher den Flügelschlag der Wüstenheuschrecke (Schistocerca gregaria) und das flexible Verformen ihrer Flügel im Windkanal. Dann konstruierten sie ein dreidimensionales Computermodell auf Basis der Strömungsdynamik, welches das komplette Schlagverhalten nachahmte und dabei die Luftströmungen um die Flügel herum sowie den Auf- und Vortrieb modellierte.

Nachdem das optimierte Rechenmodell die gefilmte Natur sehr gut nachbildete, variierten die Forscher die Flügeldetails. In einem Test ersetzten sie die flexiblen Flügel durch steife flache Platten, wie sie in früheren Flugsimulationen zum Einsatz kamen. Im anderen Test glätteten sie die Furchen und Falten der Flügelstruktur. Beide Male lieferten die vereinfachten Modelle zwar Auftrieb zum Flug. Doch sie erforderten wegen der niedrigeren Effizienz einen deutlich höheren Energieeinsatz.

Mit den Daten können Ingenieure erstmalig die Aerodynamik eines der besten Flieger der Natur nachvollziehen. "Heuschrecken sind wegen ihrer Fähigkeit, extrem lange Strecken mit sehr kleinen Energiereserven zu fliegen, ein interessantes Insekt und Studienobjekt für Ingenieure", so Young. Was die Natur im Laufe der Evolution über Jahrmillionen optimiert habe, könnte der Mensch nun als kleine Flugroboter nachbauen, die sich etwa in Such- und Rettungsaktionen, in militärischen Einsätzen oder in gefährlichen Umgebungen nutzen ließen. Einen Miniflieger mit dem großen Auftrieb von Insektenflügen zu bauen sei relativ leicht zu erreichen, erklärt der Forscher, "doch wenn es darum geht, die Effizienz zu erreichen, die den Interkontinentalflug von Heuschrecken möglich macht, dann sind die Details der Flügelverformung essenziell".