Neue allgemeingültige Prinzipien in der Flugbionik entdeckt

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Wissenschaftler haben jetzt allgemeingültige Prinzipien aus der Evolution entdeckt, die für alle fliegenden Vögel gelten – trotz unterschiedlicher Flugarten. Die Erkenntnisse lassen sich möglicherweise nutzen, um Luftfahrzeuge effizienter zu gestalten.

Forscher vom INM (Leibniz-Institut für Neue Materialien) und der Universität of California in San Diego haben Flügelknochen und Flugfedern von fliegenden Vögeln untersucht, um der Frage nachzugehen, ob es trotz der unterschiedlichen Flugarten allgemeingültige Zusammenhänge gibt.

Sie fanden heraus, dass sich die Länge des Oberarmknochens (Humerus) mit dem Körpergewicht des Vogels charakteristisch verändert, um den Auftrieb zu optimieren. Im Gegensatz dazu fallen die Abstände zwischen den adhäsiven Verbindungshäkchen der Federn für alle Vogelarten gleich aus, um den Luftstrom optimal zu steuern. Diese Erkenntnisse lassen sich möglicherweise nutzen, um Luftfahrzeuge effizienter zu gestalten.

Federstruktur für den perfekten Luftstrom

Obwohl Federn von Kondor und Kolibri unterschiedlicher nicht sein können, haben die Forscher eine Gemeinsamkeit festgestellt: Der Abstand der kleinsten Federeinheiten, der Federhäkchen, ist in allen untersuchten Federn in etwa gleich groß und liegt bei ungefähr zwölf Mikrometern.

Eduard Arzt, wissenschaftlicher Geschäftsführer am INM, sagt: „Wir vermuten, dass sich dieser Abstand im Laufe der Evolution für einen perfekten Luftstrom während des Flugs bewährt hat. Er lässt wenig Luft hindurch, was den Auftrieb für die Vögel erhöht, und verankert dennoch die Federn miteinander. Im Modell lässt sich sogar nachvollziehen, wie sich die Stellung der Federstrahlen im Steig- und Sinkflug verändert.“ Das ist neu, denn bisher haben Wissenschaftler lediglich den Abstand von Federästen untersucht und festgestellt, dass dieser eine Rolle spielt, um Wasser effektiv abzuweisen.

Knochenbau für optimale Auftriebskräfte

Auch den Einfluss des wichtigsten Knochens beim Flug, des Humerus, untersuchten die Forscher. Er verbindet den Flügel mit dem Vogelkörper und muss großen Auftriebskräften standhalten, um den Vogel in die Luft zu bringen. Man sollte annehmen, dass ein einfaches Verhältnis zwischen Knochenlänge und Körpergewicht dieser Anforderung genügt. So eine einfache, sogenannte isometrische Wechselbeziehung, liegt aber nicht vor.

Marc Meyers von der University of California erklärt: „Zwar hängen diese beiden Größen miteinander zusammen, aber nicht in einem einfachen Verhältnis. Vielmehr verhalten sich Knochenlänge und Körpergewicht zueinander allometrisch, also nicht selbstähnlich, da die Festigkeit des Knochens begrenzt ist. Beim Menschen wächst zum Beispiel das Gehirn allometrisch: Bei Kindern wächst es viel schneller als der Rest des Körpers, anders als das menschliche Herz, dessen Größe proportional zum Rest des Körpers ist. So einen allometrischen Zusammenhang konnten wir zwischen der Länge des Humerus beim Vogel und seinem Körpergewicht feststellen: die Länge des Humerus wächst im Verhältnis zum Körpergewicht stärker.“

Erkenntnisse für den Bau von neuen Luftfahrzeugen

Auch zwischen der Flugart, Fluggeschwindigkeit, der Flügelgröße und der Größe des Humerus konnten die Wissenschaftler Beziehungen herstellen. „Je schwerer ein Vogel ist, desto mehr Auftrieb benötigt er und die Flächenlast steigt. Aus Evolutionssicht erreicht er den notwendigen Auftrieb entweder, indem er schneller fliegt, oder durch größere Flügel, oder durch beides gleichzeitig. Gleichzeitig muss der Flügel der Flächenlast standhalten können – hier kommt der Humerus wieder ins Spiel.

Nehmen wir an, zwei Vögel sind gleich schwer, haben aber unterschiedlich große Flügel. Die höhere Flächenlast beim kleineren Flügel erfordert dann aus statischen Gründen, dass der Humerus einen größeren Anteil des Flügels ausmacht; genau das haben wir gefunden“, erklärt der Physiker Eduard Arzt. Die Forscher erhoffen sich mit den Erkenntnissen neue Konzepte für den Bau von innovativen Luftfahrzeugen.

Die Ergebnisse der Studie wurden jüngst in der Fachzeitschrift Science Advances publiziert.

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