Wendig und windbeständig 25.04.2019, 09:58 Uhr

Drohnen mit Flügeln wie Insekten oder Fledermäuse

Das Potenzial von Flugdrohnen ist hoch. Für Rettungs- oder Forschungsmissionen müssen sie jedoch auch schwer zugängliches Gelände und schlechte Wetterbedingungen bewältigen. Dafür sind neue Flugtechnologien in der Entwicklung.

Prototyp der neuen Drohne

Die verstellbaren Arme der Drohne ermöglichen ganz neue Flugmanöver.

Foto: Xiumin Diao / Purdue University

An zwei Universitäten verfolgen die Forscher verschiedene Ansätze, um den Flug von Drohnen effizienter, stabiler und gleichzeitig flexibler zu gestalten. Eines ist beiden Projekten gemeinsam: Ihr Vorbild ist die Natur. Während sich die Forscher der amerikanischen Purdue University für ihren Prototypen von Flügeln und Flugmustern von Insekten inspirieren ließen, analysierten Wissenschaftler der kanadischen University of British Columbia die Bewegungen von Fledermausflügeln. Auch ihr langfristiges Ziel ist es, ein vollständig neues Drohnenmodell zu erschaffen.

Für Flugdrohnen sind viele Einsatzgebiete denkbar. Unter anderem könnten sie die Logistikbranche revolutionieren. Auch für Aufklärungs- und Rettungsflüge sind die Geräte hervorragend geeignet. Denn mit ihnen ist es möglich, Gegenden zu erkunden und beispielsweise Vermisste aufzuspüren, ohne dafür Menschenleben zu gefährden. Teil der Arbeitsroutine können sie in beiden Fällen jedoch nur werden, wenn ihre Technik sie auch bei schlechtem Wetter zuverlässig ans Ziel bringt.

Klappbare Arme verändern den Schwerpunkt der Flugdrohne

Für herkömmliche Flugdrohnen ist vor allem Wind ein großes Problem. Sie können ihn schlecht ausgleichen, was unter anderem zu Abweichungen von der geplanten Route und zu einer schlechteren Energiebilanz führen kann. Forscher an der School of Engineering Technology der Purdue University haben daher den Prototypen einer Flugdrohne entwickelt, dessen Design sie an die Flügel und Flugmuster von Insekten anlehnten. „Wir haben ein Drohnen-Design mit automatischen Klapparmen entwickelt, das Anpassungen während des Fluges vornehmen kann“, sagt der Wissenschaftler Xiumin Diao.

Praktisch heißt das: Die klappbaren Arme bewegen sich und verändern so den Schwerpunkt der Drohne während des Fluges, um den Einfluss des Windes auszugleichen. Das sorge nach Angaben der Forscher einerseits für mehr Stabilität des Gerätes in der Luft, andererseits erhöhe es die Energieeffizienz. Als Begleiteffekt sei eine höhere Nutzlast möglich.

Die klappbaren Arme bringen in schwer zugänglichem Gelände einen weiteren Vorteil mit sich. Bei Such- und Rettungsmissionen wären die Drohnen flexibler. Sie könnten die Arme auch bewegen, um in enge Zwischenräume zu gelangen. Die Forscher der Purdue University haben ihre Entwicklung bereits zum Patent angemeldet und suchen nun nach Industriepartnern, um die neue Flugdrohne möglichst schnell auf den Markt zu bringen.

Komplexes Flugmuster durch Gelenke und dehnbare Membranen

So weit sind die Ingenieure an der University of British Columbia zwar noch lange nicht, aber die größte Hürde haben auch sie bereits überwunden – die Analyse des Fledermausflugs. Sie orientieren sich für ihre neue Drohne also nicht an Insekten, sondern an Fledermäusen, hoffen aber ebenfalls, der Natur ein besonders flexibles und effizientes Flugverhalten abschauen zu können.

Das Computermodell zeigt die Beweglichkeit der Fledermausflügel.<br />Foto: University of British Columbia

Das Computermodell zeigt die Beweglichkeit der Fledermausflügel.

Foto: University of British Columbia

Fledermausflügel sind einzigartig, da sie mehrere Gelenke und dehnbare Membranen enthalten, dank derer sie während des Fluges die Form verändern können. Solch einen komplexen Flügel haben die Forscher aus Aluminium nachgebaut und den Strömungen in einem Windkanal ausgesetzt. So ahmten sie das Flattern, Biegen und Verdrehen des Flügels während des Fluges einer Fledermaus nach. Dabei führten sie sehr exakte Messungen durch, bis es ihnen gelang, ein Computermodell der Bewegungen zu erstellen und damit die Geometrie des Flügels und sein Bewegungsmuster zu erfassen. „Bisherige numerische Modelle des Fledermausschlags waren zu stark vereinfacht oder zu unvollständig“, sagt Rajeev Jaiman vom Forscherteam. „Für unsere praktische Arbeit halfen uns diese Simulationen nicht weiter.“

Das sieht jetzt anders aus. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler in Kooperation mit Kollegen der Brown University ein physikalisches Fledermausmodell entwickeln. „Wir wollen daran arbeiten, die Schlagbewegung weiter zu optimieren“, sagt Jaiman. Damit hätten sie eine Grundlage, um im Prinzip künstliche automatisierte Fledermäuse zu schaffen. Jaimans Ziel sind intelligente Drohnen, die als Rudel fliegen können und für Logistik oder Notfallabwehr eingesetzt werden – mit der gleichen Wendigkeit wie echte Fledermäuse.

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