Rotierende Ahornsamen bilden Wirbel, um hoch und weit zu fliegen

Immer schon war der Mensch davon fasziniert, wie sich Ahornsamen im Flug um die eigene Achse drehen. Nun geht eine Gruppe niederländischer und US-amerikanischer Forscher diesem Rätsel der Aerodynamik auf den Grund: Wie gewinnt der Samen mit seiner Autorotation genannten Drehbe...

Immer schon war der Mensch davon fasziniert, wie sich Ahornsamen im Flug um die eigene Achse drehen. Nun geht eine Gruppe niederländischer und US-amerikanischer Forscher diesem Rätsel der Aerodynamik auf den Grund: Wie gewinnt der Samen mit seiner Autorotation genannten Drehbewegung zusätzliche Höhe, wodurch er weiter "fliegen" und langsam auf den Boden sinken kann? Die im Fachmagazin Science veröffentlichten Ergebnisse zeigen, wie evolutionäre Entwicklung Pflanzen und Tieren die Verbesserung ihrer Flugleistung ermöglicht hat.

Die Forscher von der Universität Wageningen in den Niederlanden und dem California Institute of Technology (Caltech) in den USA entdeckten, dass die schnelle Drehbewegung der Ahornsamen einen Anströmkantenwirbel erzeugt, also einen rotierenden horizontalen Luftkanal entlang des Flügels.

Der Luftdruck über der oberen Fläche des Ahornsamens wird abgesenkt, was zu einem Windzug nach oben, entgegen der Schwerkraft führt und ihn verstärkt, wie die Forscher schildern. Der Wirbel verdoppelt den von den Samen erzeugten Auftrieb im Vergleich zu Samen, die sich nicht drehen. Die Wirbelfähigkeit zur Verstärkung des Auftriebs lässt sich mit dem von Vögeln, Insekten und Fledermäusen verwendeten Mechanismus vergleichen, wenn sie ihre Flügel schlagen, um schweben zu können.

Die Forscher berechneten die durch die rotierenden Samen erzeugte Luftströmung, wozu sie Plastmodelle der Samen mit Radien von etwa 12,7 Zentimetern (also 5 bis 10 Mal größer als ein Ahornsamen) konstruierten. Die Samennachbildungen wurden mithilfe eines bei Caltech entworfenen Roboters durch einen großen Behälter mit Mineralöl gedreht.

Die Untersuchung zeigte, dass die Charakteristiken der von den Samenmodellen erzeugten Flüssigkeitsströmung mit denen von echten Ahornsamen erzeugten übereinstimmten. Der einzige Unterschied war die Strömung durch Öl und nicht durch Luft.

Danach verwendeten die Forscher einen leistungsstarken Laser, mit dem ein Lichtblatt erzeugt wurde, der winzige dem Öl beigemengte Glasperlen anleuchtete. Mit einer Kamera konnten sie Bilder von der Perlenbewegung während der Rotation des Samens im Behälter einfangen. Die Bilder zeigten das Vorhandensein eines Wirbels in der Nähe der vorderen Anströmkante des rotierenden Samens.

Die niederländischen Forscher untersuchten die von echten Ahornsamen bei der freien Rotation erzeugte Strömung, um die mit den Robotersamenmodellen erzielten Ergebnisse zu bestätigen. Dazu konstruierten die Forscher von der Universität Wageningen einen Windkanal, um die von echten Ahornsamen erzeugte Strömung zu untersuchen. Sie verwendeten Rauch zur Sichtbarmachung der Luftströmung um die rotierenden Samen.

"Ahornsamen könnten das grundlegendste und einfachste Muster für einen Minihubschrauber darstellen, wenn sich der rotierende Flügel von einem Mikromotor antreiben lassen würde", erklärte Projekt-Ko-Leiter Professor David Lentink von der Universität Wageningen.

Projekt-Ko-Leiter Michael H. Dickinson, Professor für Bioengineering bei Caltech dazu: "Es besteht großes Interesse an der Entwicklung von Kleinluftfahrzeugen, die aufgrund ihrer Größe nach denselben physikalischen Prinzipien funktionieren müssen, wie sie kleine, von Natur aus fliegende Objekte wie Insekten und Ahornsamen verwenden." Weiter fügte er hinzu: "Unsere aerodynamischen Untersuchungen des Ahornsamens könnten zum Entwurf der ersten erfolgreich angetriebenen 'Ahornhubschrauber' beitragen."

Länder

Niederlande, Vereinigte Staaten