„Physikalisch gesehen können Bienen überhaupt nicht fliegen – nur gut, dass die Tiere es nicht wissen.” Mit diesem alten Biologenwitz ist es vorbei, denn Forscher haben mit Hightech-Methoden viele Rätsel des Insektenflugs gelöst. Der Neurobiologe Dr. Fritz-Olaf Lehmann von der Universität Ulm berichtet: „Früher hatte man Insektenflügel wie Flugzeugtragflächen in Windkanäle gepackt und Strömungen sowie Auftriebskräfte untersucht. Aber damit fand man lediglich heraus, wie der Insektenflug nicht funktioniert.” Die im Windkanal gemessenen Kräfte reichen nicht aus, um die Biene in der Luft zu halten oder sie voran zu treiben. „Sie liefern zum Teil nur 10 bis 20 Prozent der benötigten Auftriebskräfte”, sagt Lehmann.
Bei den Windkanal-Experimenten hatten die Forscher eine wichtige Tatsache nicht beachtet: Insekten bewegen ihre Flügel sehr schnell und erzeugen so ganz andere Luftströmungen, als sie im Windkanal auftreten. Und sie sind sehr klein – so klein, dass die Kräfte, die die Moleküle der Luft zusammenhalten, für die Tiere sehr groß sind. Für Bienen und andere Insekten ist Luft viel „zäher” als für eine Schwalbe oder gar einen Adler. Kleine Insekten schwimmen eher in der Luft als dass sie fliegen. Dieser physikalische Umstand zwingt sie zu einer anderen Flugtechnik, als sie Vögel nutzen – und gibt ihnen Möglichkeiten, von denen Flugzeugbauer nur träumen können. In ihrer über 300 Millionen Jahre währenden Evolution haben die Kerbtiere ihre Flugtechnik zur Perfektion gebracht.
Um zu verstehen, wie der Insektenflug funktioniert, hier eine kurze Anleitung: Neigen Sie Ihren Oberkörper nach vorne und strecken Sie ihre Arme zur Seite, die Handflächen nach unten. Jetzt schlagen Sie mit Ihren „Flügeln” nach unten, aber nicht gerade, sondern in einer S-Kurve. Kurz bevor Sie den Endpunkt Ihres Schlags erreicht haben, drehen Sie Arm und Hand, sodass die Handinnenflächen kurz nach vorne und dann nach oben zeigen. Jetzt schlagen Sie eine S-Kurve nach oben und drehen oben wieder Hand und Arm. Beim Auf- und Niederschlagen halten Sie Ihre Handflächen in Flugrichtung etwa 45 Grad nach oben geneigt. Mit Ihrem Schlag haben Sie eine 8 beschrieben.
Um herausfinden, was bei diesen Bewegungen passiert, baute Fritz-Olaf Lehmann Ende der neunziger Jahre mit Kollegen an der University of California in Berkeley einen Flugroboter nach dem Vorbild der Fruchtfliege Drosophila: RoboFly. Mit ihm und seinen Nachfolgern untersucht Lehmann noch heute in Ulm, wie sich Kräfte aus Strömungen entwickeln. Damit das Verhältnis von Flügelgröße und Zähigkeit des Flugmediums stimmen, „fliegt” RoboFly nicht in Luft, sondern in Öl. Das hat außerdem den Vorteil, dass sich durch fein verteilte Luftblasen Wirbel und Strömungen gut erkennen lassen.
Eines der wichtigsten Ergebnisse: Insekten können stabile Wirbelblasen aus Luft erzeugen und dadurch extreme Anstellwinkel ihrer Flügel nutzen. „Auch bei Flugzeugen kann man mit einem Flügelanstellwinkel von mehr als 15 Grad ein Wirbelsystem erzeugen, das die Flugkräfte enorm erhöht”, sagt Lehmann. „Aber es gibt ein großes Problem: Solche Wirbelsysteme sind bei konventionellen Flugzeugen meist nicht stabil. Treten sie auf, können sie die Maschine zum Absturz bringen.”
Bei RoboFly entwickelt sich an der Kante der Vorderflügel dagegen eine stabile Wirbelblase. Die Fruchtfliege bekommt durch dieses Phänomen 50 Prozent ihrer insgesamt benötigten Kraft zum Fliegen. Weitere 35 Prozent gewinnt sie, wie andere kleine Insekten auch, bei der Drehung der Flügel an den Wendepunkten. An dieser Stelle schlägt sie beim Drehen der Flügel kurz gegen ihre Flugrichtung. Dabei entsteht ein Drall durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an der oberen und unteren Flügelseite. Er ähnelt dem Effekt, mit dem ein Fußballer einem Ball mit dem richtigen Kick nicht nur Kraft zum Vorwärtsfliegen überträgt, sondern auch einen Drall, mit dem der Ball um die Ecke fliegen kann.
Beim Schwebflug, wenn sie die Flügel nicht auf- und niederschlagen, sondern vorwärts und rückwärts, betreiben Insekten eine Art Energie-Recycling, das so genannte Wake Capture. Vögel nutzen einen ähnlichen Effekt, brauchen dazu aber die Hilfe ihrer Artgenossen: Sie können energiesparend fliegen, wenn sie im richtigen Winkel und Abstand einem anderen Vogel folgen. Sie fliegen quasi in dessen Kielwasser. Insekten können ihr eigenes Kielwasser – auf Englisch: wake – erzeugen, indem sie ihre Wirbelblasen an den Flügelvorderkanten geschickt ausnutzen.
„Unsere Ergebnisse haben wir zwar an einem Fliegenmodell gewonnen, aber die Prinzipien sollten im Wesentlichen auch für Bienen gelten”, meint Lehmann. Die neuen Erkenntnisse locken auch Hubschrauber-Entwickler in sein Labor. Strömungstechnisch ähneln sich Vogel- und Flugzeug-Flug auf der einen Seite sowie Insekten- und Helikopter-Flug auf der anderen. Bei den relativ starren Vogelflügeln sind die Geschwindigkeiten überall fast gleich. Nicht so bei den rotierenden Flügeln von Bienen und Hubschraubern: Die Rotormitte beziehungsweise das Flügelgelenk drehen sich recht langsam, die Flügelspitzen dagegen sehr schnell. Das hilft vielen Insekten, ihre Wirbelblasen stabil zu halten. Jetzt wollen die Ingenieure von Fliege, Biene und Co lernen, wie man Strömungen an Flügeln effektiver ausnutzen kann.
