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News: Viel Wirbel um kleine Flügel

Schon die Pioniere der Luftfahrt mussten während ihrer ersten Flugversuche aus eigener Kraft schmerzhaft erfahren, dass Fliegen alles andere als leicht ist. Insekten gelingt es anscheinend spielend, und doch sind die Modelle, die ihre Leistung beschreiben sollen, weder einfach noch vollständig. Eine ausgeklügelte Kombination von Bewegung, Luftströmung und Wirbelbildung ist wohl für die Flugfähigkeit verantwortlich. Aber was bei einer Art gilt, kann bei der nächsten wieder ganz anders sein, wie Wissenschaftler nun einmal mehr feststellten.
Die Menschheit war von jeher fasziniert von fliegenden Lebewesen. Erreichen sie doch scheinbar spielend eine Dimension der Bewegung, die Menschen von Natur aus verwehrt bleibt. Auch wenn uns heute Flugzeuge binnen eines Tages an nahezu jeden beliebigen Ort der Erde bringen, und selbst wenn Astronauten dank Raketen und Raumfähren den Sternen ein Stückchen näher kommen, so ist doch längst nicht jedes Geheimnis gelüftet, das Vögel, Fledermäuse und Fliegen in die Luft erhebt.

Besonders bei Insekten dauerte es lange, bis Wissenschaftler die fliegenden Geschöpfe für sich entdeckten. Und während Flugzeuge schon längst erfolgreich das Prinzip von Vogelflügeln kopierten, begannen Wissenschaftler, die Flüge von Insekten in Windkammern zu analysieren, sowie die Strömung um deren Flügel anhand von maßstabsgetreuen Modellen zu untersuchen.

Ähnlich gingen nun auch James Birch und Michael Dickinson von der University of California vor. Sie studierten das Strömungsverhalten um den Flügel der Taufliege Drosophila melanogaster, den sie in größerem Maßstab nachgebaut hatten. Sie platzierten ihn in einem Tank, der mit Mineralöl gefüllt war, um mit höherer Viskosität vergleichbare Bedingungen zu schaffen, wie sie im Kleinen herrschen. In das Öl pumpten die Wissenschaftler außerdem kleine Luftbläschen, die im Schein eines Laserstrahls aufleuchteten und sich mit einer CCD-Kamera detektieren ließen. Indem die Wissenschaftler die Rasterebene des Lasers verschoben, ließ sich ein genaues, dreidimensionales Abbild der Strömungsverhältnisse aufzeichnen – eine Methode, die man auch digital particle image velocimetry (DPIV) nennt. Zusätzlich waren in der Nähe des Flügelgelenks auch Sensoren angebracht, welche die Kraft senkrecht und parallel zu dem Flügel messen konnten.

So ließen die Forscher den etwa zwei Millimeter dicken und 19 Zentimeter langen transparenten Acrylflügel etwa zehnmal in der Minute schlagen und maßen gleichzeitig Kräfte und Strömungen. Wie sich zeigte, bildete sich längs der Vorderkante des Flügels ein Wirbel: Hier rotiert in der Realität Luft schnell um einen Kern mit niedrigem Luftdruck. Ein ähnliches Phänomen beobachteten Forscher bereits vor fünf Jahren, bei Untersuchungen eines Modellflügels des Tabakschwärmers (Manduca sexta). Man vermutete schon damals, dass diese Wirbel, die während des Flügelschlags nach unten stabil sind, den Auftrieb der Schwärmer verbessern. Immerhin ist manch Brummer recht unförmig und entspricht so gar nicht der eleganten Stromlinienform von Vögeln. Da bedarf es schon einiger zusätzlicher Tricks, dennoch abzuheben.

Derartige Wirbel sind aber längst nicht immer stabil. Im Gegenteil, in zweidimensionalen Modellen und Experimenten wurden sie schnell größer, um sich dann abrupt aufzulösen. Wieso bleiben die Luftströmungen aber an realen Insektenflügeln länger hängen und sorgen so für mehr Auftrieb?

Zwei Modelle werden hier diskutiert, wobei das eine zumindest im Fall des Tabakschwärmers zuzutreffen scheint. Hier ist nämlich die Wirbelstruktur spiralartig, und entlang des Flügels lässt sich ein Luftstrom nachweisen, der einen Teil der Energie wegträgt und somit die Größe des Wirbels begrenzt. Auf einem ähnlichen Prinzip beruhen beispielsweise auch dreieckige Tragflächen, wie sie bei der Concorde zum Einsatz kommen. Das zweite Modell geht hingegen davon aus, dass Abwärtsströmungen sowie Luftverwirbelungen, die hinter den Flügeln entstehen, den so genannten effektiven Angriffswinkel reduzieren, mit dem die Luft auf den Flügel trifft. Das soll dann auch das Wachstum des frontalen Luftwirbels in Schach halten.

Während Birch und Dickinson das erste Modell durch systematische Versuche mit kleinen Hindernissen auf der Flügelfläche ausschließen konnten, ergaben sich starke Hinweise darauf, dass die zweite Vorstellung zutreffend ist. Somit scheinen also die Flügel der Taufliege anders zu funktionieren als die des Tabakschwärmers. Das liegt eventuell an der ungleichen Größe der beiden Insekten, schließlich ist der Schwärmer rund zehnmal so groß wie Drosophila. Vielleicht lässt sich irgendwann einmal die DPIV-Technik so weit verkleinern und anpassen, dass Insekten sich direkt im Flug beobachten lassen, spekuliert George Lauder von der Harvard University und meint: "Dann können uns die Insekten selbst erzählen, ob unsere Modelle korrekt sind."

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