Ob in der Raumfahrt, im Sport oder im militärischen Bereich: Fallschirme bremsen hohe Fallgeschwindigkeiten ab und ermöglichen so eine sichere Landung. Dabei erhöhen sie durch ihre große Fläche den Luftwiderstand und verwandeln rapide Stürze in sanftes Dahingleiten. Doch gerade dieses Gleiten birgt einen gravierenden Nachteil in Sachen Zielgenauigkeit: Getrieben von Luftströmungen landen die bisherigen Fallschirme an einem zufälligen Ort, oft weit entfernt vom vorgesehenen Ziel. Hinzu kommt, dass ihre Herstellung teuer ist und üblicherweise eine manuelle Montage erforderlich ist.
Muster aus Schlitzen
Nun hat ein Team um Danick Lamoureux von der Polytechnique Montreal in Kanada eine neue Art von Fallschirmen entwickelt, die nicht nur einfach und kostengünstig herzustellen sein sollen, sondern auch präzise Landungen versprechen. Dazu ließen sich die Forschenden von der japanischen Kunst des Kirigami inspirieren. Bei dieser Variation des Origami wird Papier nicht nur gefaltet, sondern auch geschnitten, sodass es komplexe dreidimensionale Formen bildet.
Statt Papier nutzten Lamoureux und seine Kollegen dünne Plastikscheiben, in die sie mit Hilfe von Lasercuttern Muster aus versetzten Schlitzen schnitten. „Das sorgt für Porosität und Flexibilität“, berichten die Forschenden. Wird nun in der Mitte der Scheibe eine Last befestigt, entfaltet sich das ursprünglich flache Werkstück beim Fallen zu einem vasenförmigen Netz – zumindest, wenn die Scheibe nicht zu dick war und mit genug Schlitzen in einem geeigneten Muster versehen wurde.
Zuverlässige Landung
Um herauszufinden, welche Schnittmuster welche Eigenschaften bei der Entfaltung und beim Flug mit sich bringen, experimentierten die Forschenden mit verschiedenen Methoden: Sie beschwerten unterschiedlich designte Scheiben mit Schrauben und ließen sie im Labor aus großer Höhe fallen, testeten sie im Windkanal und entwickelten numerische Simulationen, um das Verhalten vorherzusagen. Auf diese Weise identifizierten sie Schnittmuster, die für stabile dreidimensionale Formen sorgen, die sich zuverlässig entfalten und auf dem Weg nach unten nicht vom Kurs abdriften.
Für einen Freilufttest statteten Lamoureux und sein Team eine Wasserflasche mit einem Kirigami-Fallschirm aus und warfen sie mit einer Drohne in 60 Metern Höhe ab. Tatsächlich landete die Flasche zuverlässig an der vorgesehenen Stelle. „Unsere Experimente zeigen, dass die von Kirigami inspirierten Fallschirme bei einem geringen Verhältnis von Last zu Fläche eine vergleichbare Endgeschwindigkeit wie herkömmliche Fallschirme aufweisen“, berichtet das Team. „Im Gegensatz zu konventionellen Fallschirmen, die einen Gleitwinkel für die vertikale Stabilität benötigen und zufällig weit vom Ziel entfernt fallen, fallen unsere von Kirigami inspirierten Fallschirme jedoch immer in der Nähe des Ziels, unabhängig von ihrem anfänglichen Abwurfwinkel.“
