Libellenflügel

Anlässlich des Semesteranfangs mal wieder etwas aus der Bionik:

Prachtlibelle, fotografiert von Matthias Zimmermann, gefunden bei Wikipedia

Der Libellenflügel ist mein Lieblingsbeispiel dafür, wie genial Lebewesen an ihre Lebensweise angepasst sind. Libellen sind echte Vierflügler, ihr vorderes und hinteres Flügelpaar lassen sich unabhängig voneinander bewegen. Sie sind unglaublich gute Flieger und zu waghalsigen Manövern fähig. Das müssen sie auch. Denn Libellen sind Jäger und ihre Lieblingsbeute sind Fliegen - nach Libellen die zweitbesten Flieger.

Um so zu fliegen, müssen natürlich auch die Libellenflügel verschiedensten teils widersprüchlichen Anforderungen genügen:

- Leichtbau: Eine Libelle kann sich nicht viel schwerpunktsfernes Gepäck leisten.

- Stabilität: Ein Libellenflügel wächst nur einmal, dennoch sind die Belastungen beim Fliegen hoch, darüber hinaus attackieren Libellen auch Konkurrenten mit ihren Flügeln.

- Aerodynamik: Tolle Manöver sind nur möglich, wenn man auch genug Auftrieb hat und sicher in der Luft liegt

Tatsächlich ist der Libellenflügel eine Leichtbaukonstruktion: Eine Libelle wiegt 1 Gramm. Nur 1-2% davon machen die Flügel aus.

Allerdings stellt sich die Frage, wie Libellenflügel mit so wenig Material noch genug stabil sein können. Dafür sind verschiedene Strukturen verantwortlich: Schon mit bloßem Auge kann man ein Netz von Verstrebungen erkennen, zwischen denen die Flügelmembran aufgespannt ist. Außerdem ist ein Libellenflügel nicht flach, sondern hat im Profil eine wellige Struktur - mit ähnlichen Stabilitätseffekten wie bei Wellpappe. Doch diese Anpassungen reichen noch nicht, um den Libellenflügel zu stabilisieren. Durch Materialanalyse stieß man als weiteren Beitrag auf die mehrschichtige Anordnung der Kutikula - des hautartigen Materials aus dem Verstrebungen und Membran bestehen. Durch Untersuchungen mit einem Akustikmikroskop entdeckte man außerdem noch feinere Verbindungen zwischen den Verstrebungen in der Membran. So können die Wissenschaftler die Stabilität des Libellenflügels nun halbwegs nachvollziehen.

Verwunderlich ist nun, dass die Libelle trotz des welligen Profils noch so wendig fliegen kann. Dabei weiß doch jeder, der sich mal ein bisschen mit Aerodynamik beschäftigt hat, dass ein aerodynamisch optimaler Flügel so aussieht:

Als man daher das Umströmungsverhalten des Libellenflügels im Rauchkanal untersuchte, sah man folgendes:

Strömungswirbel legten sich genau so in die “Täler” des Libellenflügels, dass sich eine aerodynamisch günstige Umströmung ergab. Doch der Flügel ist auch im mikroskopischen Bereich noch mehr optimiert: An den Flügelvorderkanten wurden Mikrostrukturen entdeckt, die der Luft einen “Drall” geben. Dadurch nimmt sie einen längeren Weg über die Flügeloberseite und der Flügel generiert noch mehr Auftrieb. Pik-förmige Mikrostrukturen an der Flügelhinterkante lassen die wegströmende Luft außerdem noch länger laminar, also gerade, fließen. Das wirkt, als ob der Flügel länger wäre und minimiert den Widerstand durch Luftverwirbelungen.

An den Kanten des Flügels haben Libellen außerdem Sensorhaare. So können sie immer passend auf Änderung der Strömung reagieren und ihre waghalsigen Manöver fliegen…

Was fangen nun die Bioniker damit an? Gerade von den Mikrostrukturen kann man lernen. Wenn man die Ähnlichkeitsgesetze beachtet - also die Anpassung an Größe und Geschwindigkeit, könnte man ähnliche Strukturen an Flugzeugen anbringen. Außerdem: Was wäre mit einem Leichtbauflugzeug mit geknickten Flachflügeln? Natürlich wird auch weiter geforscht: Denn den Gleitflug kann man zwar nachvollziehen, aber wenn die Libelle beide Flügelpaare teils gegenläufig bewegt, wird es sehr kompliziert…

…und spannend!