Heuschrecken im Windkanal

Seit biblischer Zeit sind Heuschrecken berüchtigt: Sie fallen über ganze Landstriche her, fressen alles kahl und fliegen schnell weiter zum nächsten Futterplatz. Zurück bleibt ein Bild der Verwüstung. Für die betroffenen Menschen eine Katastrophe, aus Sicht der Insekten hingegen geht es um Effizienz. Und Heuschrecken sind vor allem energieeffizient.

Gerade mal zwei Gramm wiegen selbst große Exemplare. Obwohl sie winzig sind, können sie pro Tag im Flug leicht 100 Kilometer zurücklegen. Dabei hilft ihnen ihr hochentwickeltes Flügelsystem. "Heuschrecken vereinigen Auftrieb und Vortrieb mit einer bestimmten Konstellation ihrer Flügel," erklärt Andreas Schröder, Physiker am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Göttingen.

Vier klappbare Flügelpaare

Anders als Vögel und Flugzeuge verfügen sie nämlich über zwei Flügelpaare mit hauchdünnen Flügeln. Ihren Auftrieb erreichen sie vor allem dadurch, dass sie ihre Flügel bei jedem Flügelschlag umklappen. Vereinfacht könnte man sagen: Sie rudern in der Luft, ähnlich wie Schwimmer im Wasser. Wegen ihrer Effizienz sind Heuschrecken auch attraktive Vorbilder für Zoologen der Universität Oxford. Schröders Forscherkollegen haben sich vorgenommen, von den Insekten etwas für den Bau von ferngesteuerten Mini-Flugzeugen zu lernen.

Bevor sich die Oxforder Wissenschaftler aber an den Bau eines mechanischen Mini-Insekts heranmachen können, müssen sie zunächst verstehen, wie eine Heuschrecke überhaupt fliegt. Dabei konnten ihnen die Strömungsforscher in Göttingen helfen: Sie vermaßen die Strömung und Verwirbellungen, die eine Heuschrecke im Flug erzeugt - im Windkanal.

Der Physiker Daniel Schanz hat das Experiment in Göttingen vorbereitet. Für ihn war der Umgang mit lebenden Tieren im Windkanal totales Neuland. "Sonst haben wir eigentlich immer nur mit Modellen gemessen, mit irgendwelchen Metallkonstruktionen, die sich nicht bewegen konnten und nicht wegfliegen wollten", sagt der Forscher. Für Schanz waren die Heuschrecken allerdings geradezu optimale Versuchskandidaten. Einerseits, weil sie einen starken Brustpanzer haben: "Damit lassen sie sich sehr gut auf einem Halter befestigen und danach wieder ablösen", zudem hätten sie einen sehr nützlichen Reflex: "Wenn sie keinen Boden unter den Füßen spüren und dabei von vorne angeblasen werden, fangen sie an, sehr regelmäßig mit den Flügeln zu schlagen - weil sie denken, sie sind in der Luft und fliegen." Damit seien die Heuschrecken im Windkanal auch tatsächlich geflogen, wie in der echten Luft.

Luftwirbel sichtbar machen

Um herauszufinden, wie genau sich die Luft hinter der Heuschrecke in jedem Moment ihres Flügelschlages bewegt, fotografierten die Göttinger Forscher die Luft. Um die Luft auf den Aufnahmen sichtbar zu machen, reicherten die Wissenschaftler sie mit winzigen Tröpfchen an. Acht hochauflösende Kameras fotografierten dann das strömende Aerosol-Gemisch aus allen Richtungen. Als Blitzlicht dienen ihnen zwei Hochleistungslaser, die kurz hintereinander Lichtpulse auslösten.

"In der kurzen Zeit zwischen den beiden Blitzen bewegt sich die Strömung im Windkanal quasi überhaupt nicht", erklärt der Physiker Schröder, "und wir nehmen zweimal hintereinander, mit einem Abstand von wenigen Mikrosekunden, die gleichen Partikelverteilungen wieder auf." Dabei kommen pro Kamera zwei Schwarzweiß-Bilder heraus, die einem Sternbild ähneln. Beide Bilder sehen fast gleich aus, aber es gibt einen feinen Unterschied: "Wenn man zwischen den beiden Aufnahmen hin- und herschaltet sieht man, dass sich die Sterne in kleinsten Bereichen bewegen," erklärt Schanz.

Im nächsten Schritt wertet ein Computer die Bildpunkte mit einem Verfahren namens Korrelation aus. Dabei legt der Computer die beiden Bilder so übereinander, dass sie deckungsgleich sind. So wird erkennbar, wo sich Partikel verschoben haben. Entsprechend ihrer Geschwindigkeit verschieben sich die Partikel in einigen Bereichen mehr, in anderen weniger. Daraus errechnet der Computer sogenannte Geschwindigkeitsvektoren – also Bewegungen von Partikelgruppen. Mit ihnen erkennt der Computer wo Luftwirbel auftreten und wohin die Luft strömt.

Tomografische Darstellung

Aus den Daten aller acht Kameras konstruieren die Forscher mithilfe digitaler Bildverarbeitung dann eine dreidimensionale Grafik, die allerdings noch nicht veröffentlicht worden ist. Diese lässt sich am Bildschirm in alle Richtungen drehen - eine Tomografie. Sie zeigt Luftverwirbelungen und Strömungen in verschiedenen Farben: Sich schnell bewegende Luft ist rot, langsame Luft ist blau und ruhende Luft ist unsichtbar. Daraus lassen sich allerhand Informationen rekonstruieren: "Man sieht die komplette Wirbelstruktur, die der sogenannte Nachlauf des Flügelschlages, insbesondere an den Kanten und Spitzen der Flügel erzeugt hat", sagt Schanz. Damit könne man Rückschlüsse auf das Auftriebssystem ziehen und erforschen, wie die starke Effizienz des Systems zustande kommt.

Nur das Insekt selbst ist auf der Tomografie nicht sichtbar, weil der Bereich, wo das Insekt war, gar nicht fotografiert worden ist. "Das wäre technisch nicht möglich, gewesen, weil die Heuschrecke ja dann selbst direkt im Licht gewesen wäre", erläutert Schanz. Dies hätten die Forscher vermeiden müssen, weil das Insekt zuviel Licht in die Kameras reflektiert hätte. "Weil dieser Laser extrem stark ist, würden vermutlich die Kameras stark beschädigt werden. Es würden Brandschäden auf den Chips entstehen." Außerdem wäre die Heuschrecke immer mindestens einer Kamera im Weg gewesen und hätte einen Schatten geworfen. Dahinter wären dann Messungen nicht mehr möglich gewesen.

Dank der Messergebnisse bekommen die Oxforder Kollegen der DLR-Forscher nun wichtige Hinweise für ihre mechanische Heuschrecke. "Wenn man das Flugsystem richtig verstanden hat, hilft das natürlich ungemein in der Konstruktion einer solchen Maschine", frohlockt Schanz, "weil man weiß, wo man hin will."