Fledermausflügel für den effizienteren Schwebeflug

1934 schrieb der französische Insektenforscher Antoine Magnan, dass Hummeln «nicht fliegen können sollten…». Ihre kleinen Flügel seien theoretisch nicht in der Lage, genügend Auftrieb zu erzeugen. Es bedurfte moderner Hochgeschwindigkeits-Kameratechnik, um herauszufinden, was die Insekten zum Fliegen bringt: ein Frontkantenwirbel. Die Luftströmung um die Vorderkante von Schlagflügeln wird zu einem Wirbel geformt, wodurch ein Unterdruckbereich entsteht, der den Auftrieb erhöht.

Fledermäuse mit flexiblen Membranflügeln können genauso gut wie Insekten fliegen, wenn nicht sogar effizienter. Tatsächlich verbrauchen einige Fledermäuse bis zu 40 Prozent weniger Energie als Schmetterlinge der gleichen Grösse. Ein Team der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL hat sich mit dem aerodynamischen Potenzial von flexibleren Flügeln befasst. Die Forschenden verwendeten 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. Dies erzeugt mehr Auftrieb und macht sie noch effizienter als starre Flügel der gleichen Grösse.

«Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass der beobachtete Auftriebsgewinn nicht von einem Frontkantenwirbel 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 US-amerikanischen Brown University. «Der Flügel muss nicht nur gekrümmt sein, sondern auch genau richtig, denn ein zu weicher Flügel ist weniger leistungsfähig.» Gehrke ist der Hauptautor eines Artikels, der diese Forschungsarbeit beschreibt und in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

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.

«In unseren Experimenten konnten wir die vorderen und hinteren Winkel des Flügels indirekt verändern und so beobachten, wie sie sich an der Strömung ausrichteten», erklärt EPFL-Forscherin Karen Mulleners. «Durch die Verformung der Membran wurde die Strömung nicht gezwungen, sich zu verwirbeln. Stattdessen folgte sie der Krümmung des Flügels auf natürliche Weise, ohne sich zu lösen, und erzeugte so mehr Auftrieb.»

Alexander Gehrke meint, dass diese Ergebnisse für Biologen und Ingenieure von grossem Wert sein können. «Wir wissen, dass Fledermäuse den Schwebeflug beherrschen 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 unbedenklich. Durch die Verwendung einer vereinfachten bio-inspirierten Struktur können wir mehr über die Flattertiere erfahren und darüber, wie man effizientere Fluggeräte bauen kann.»

Alexander Gehrke erklärt, dass kleinere Drohnen stärker von kleinen aerodynamischen Störungen und instabilen Böen betroffen sind als grosse Fluggeräte. Normale Vierrotor-Drohnen funktionieren bei sehr kleiner Grösse nicht mehr. Eine Lösung könnte darin bestehen, die gleichen Flügelbewegungen wie bei Tieren zu nutzen, um verbesserte Varianten dieser Flugobjekte zu bauen, die effizienter gleiten und eine Nutzlast transportieren können.

Die Forschungsergebnisse könnten auch dazu dienen, 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.