Diese Drohne fliegt wie ein Vogel, ganz ohne klassischen Motor
Forschende der Rutgers University entwickeln eine Drohne mit Flügelschlag. Statt Motoren und Getrieben bewegt hier das Material selbst die Flügel.
Professor Onur Bilgen (Mitte) arbeitet gemeinsam mit Ingenieurstudenten der Rutgers University an Prototypen eines vogelähnlichen Roboters, der durch spannungsgesteuerte intelligente Materialien angetrieben wird. (Von links) Die Doktoranden Ayhan Ozel, Dario Gosevski, Bezawit Gebre und Batuhan Yildirim präsentieren Modelle, die für Windkanaltests vorgesehen sind.
Foto: Bilgen Lab
Drohnen fliegen heute fast immer nach demselben Prinzip. Kleine Elektromotoren treiben Propeller an und erzeugen so den nötigen Schub. Das ist effizient, gut beherrschbar und seit Jahren Stand der Technik. Forschende der Rutgers University gehen nun einen anderen Weg. Sie arbeiten an einer Drohne, die ihre Flügel wie ein Vogel schlägt – und dabei ohne klassische Motoren, Getriebe und Gelenke auskommen soll.
Im Kern geht es um einen Ornithopter, also um ein Fluggerät mit schlagenden Flügeln. Solche Konzepte gibt es schon länger. Neu ist hier die Art des Antriebs. Die Energie kommt weiterhin aus einer elektrischen Quelle. Anders als bei herkömmlichen Drohnen entsteht die Bewegung aber nicht über Elektromotoren, sondern direkt über piezoelektrische Aktoren in der Flügelstruktur.
Wenn das Material den Flügel bewegt
Piezoelektrische Materialien verändern ihre Form, sobald Spannung angelegt wird. Genau diesen Effekt nutzt das Rutgers-Team. Die Flügel bestehen aus einem Verbund aus Kohlefaser und piezoelektrischen Schichten. Wird Spannung angelegt, biegt und verdreht sich die Struktur. Die Bewegung entsteht also direkt dort, wo sie gebraucht wird: im Flügel selbst.
Onur Bilgen beschreibt das Prinzip so: „Wir legen an die piezoelektrischen Materialien Spannung an, und diese bewegen die Oberfläche direkt, ohne zusätzliche Gelenke, Verbindungen oder Motoren.“ In einem weiteren Statement erklärt er den Aufbau des Systems: „Der Flügel ist ein Verbundwerkstoff, der eine Schicht aus piezoelektrischem Material und eine Schicht aus Kohlefaser umfasst. Legt man Spannung an die piezoelektrische Schicht an, biegt sich der gesamte Verbundwerkstoff.“
Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Macro Fiber Composites, kurz MFCs. Das sind dünne piezobasierte Aktoren, die direkt auf flexible Flügelstrukturen geklebt werden. Fließt Strom, verformen sie sich. Dadurch entsteht nicht nur der Flügelschlag selbst. Auch die Stellung des Flügels zur anströmenden Luft verändert sich fortlaufend.
Weniger Mechanik, andere Möglichkeiten
Der Ansatz ist vor allem deshalb interessant, weil er die Mechanik vereinfacht. Viele bisherige Vogeldrohnen arbeiten mit kleinen Motoren, Getrieben und Hebeln. Das funktioniert, bringt aber zusätzliche Masse, Reibung und Verschleiß mit sich. Rutgers will genau das vermeiden und den Flügel selbst zum aktiven Bauteil machen.
Das könnte bei kleinen Flugrobotern Vorteile bringen. Flexible Flügel reagieren bei Kontakt mit der Umgebung anders als starre Propeller. Sie geben eher nach, statt hart zu kollidieren. Das kann bei Flügen in engen Räumen oder in der Nähe von Menschen ein Vorteil sein. Bilgen sagt dazu: „Wenn flatternde Flügel mit der Umgebung in Kontakt kommen, sind sie weniger schädlich für sich selbst und für das, womit sie in Kontakt kommen.“
Die Forschenden nennen als mögliche Einsatzfelder Such- und Rettungsmissionen, Umweltüberwachung, Inspektionen an schwer zugänglichen Orten oder Flüge in dichter Bebauung. Ob daraus tatsächlich alltagstaugliche Systeme werden, ist offen. Denkbar wäre der Einsatz vor allem dort, wo klassische Drohnen schnell an Grenzen stoßen – etwa in engen Räumen, nahe an Hindernissen oder bei heiklen Inspektionen.
Der eigentliche Fortschritt steckt im Modell
Entscheidend ist vor allem das Modell hinter dem Konzept. Das Team verknüpft darin Aerodynamik, Struktur, elektrische Anregung und Flugbewegung. Bei einem Ornithopter lässt sich das kaum trennen, weil jede Bewegung des Flügels sofort die Strömung verändert – und damit auch die Belastung der Struktur.
Für die Entwicklung ist das ein echter Vorteil. Neue Entwürfe lassen sich zunächst virtuell prüfen und anpassen, bevor Prototypen gebaut werden. Das spart Aufwand und hilft, Sackgassen früher zu erkennen. Bilgen formuliert den Stand dennoch vorsichtig: „Wir haben wissenschaftlich nachgewiesen, dass diese Art von Ornithopter möglich ist, wenn wir bestimmte Materialannahmen treffen.“ Und weiter: „Wir können die Machbarkeit von Konstruktionen aufzeigen, die physikalisch noch nicht realisierbar sind.“
Von einem einsatzreifen Fluggerät ist das Konzept noch entfernt. Bislang zeigt die Arbeit vor allem, dass sich ein solcher Ornithopter unter bestimmten Annahmen technisch modellieren und berechnen lässt.
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