Veränderte Sicht beim Ahornsamen

Im Bereich der Bionik kommt es regelmäßig zu neuen Entdeckungen konstruktiver Prinzipien in der Natur, die Potential für technische Entwicklungen oder Optimierungen in sich bergen! Die Frage nach dem „Konstrukteur“ oder dem Input von Ideen muss dabei erlaubt sein, vor allem wenn hochkomplexe Strukturen und Bewegungsabläufe bestens aufeinander abgestimmt sind. Betrachten wir z.B. die phänomenalen Flugeigenschaften des Ahornsamens, die nur auf den ersten Blick sehr simpel zu sein scheinen. Der einzelne Same ist Teil einer Spaltfrucht, die beim Reifeprozess am Baum eintrocknet und in zwei  Teile zerfällt. Jedem ist bekannt, dass solche Samen rotierend zu Boden schweben. Ein wesentlicher bekannter Faktor zur Verzögerung der Fallgeschwindigkeit ist also die schraubenförmige Rotationsbewegung, die jedoch nicht ausschließlich für den beobachtbaren Auftrieb sorgt. In einer kurzen Sturzflugphase nimmt der Same zunächst Geschwindigkeit auf. Die Anströmung der Luft führt nun durch die spezielle Beschaffenheit des Samenflügels zu einer Rotationsbewegung um die Achse der Falllinie des Samenschwerpunktes. Dieser liegt je nach Reifegrad nahe des Flügelansatzes. Der Flügel nimmt in der ersten Flugphase rotationsbedingt eine relativ flache Stellung ein und wirkt nun als Propeller-Tragfläche. Er beginnt als Schraubenflieger der Luft einen größeren, scheibenförmigen Widerstand entgegenzusetzen. Diese „Propellerbewegung“ ist z.B. Vorbild für den Tragschrauber oder Gyrokopter, dessen Propeller sich alleine durch die Anströmgeschwindigkeit der Luft bei Horizontalbeschleunigung in Bewegung setzt und so ohne Motorantrieb für Auftrieb sorgt!

hochschulnet2012_Ahornsamen1Doch damit nicht genug. Durch die Rotation erfährt der Samenflügel eine Anströmung der Luft gegen die Flügelvorderkante und dies führt zu speziellen Strömungseffekten. Im Ahornsamen steckt also noch mehr aerodynamisches Know-how, wie David Lentink und seine Kollegen von der niederländischen Universität Wageningen in aufwändigen Versuchen herausfanden. Zunächst wurde am 10-fach vergrößerten Kunststoffmodell im Öltank die Bewegung des Samens beobachtet und es wurden mit Hilfe von kleinsten Glaskügelchen im Laserlicht Strömungslinien sichtbar gemacht. In anschließenden Versuchen mit echten Ahornsamen im Windkanal konnte bei Zugabe von Rauch bestätigt werden, dass sich an der Oberseite der Vorderkante des Samenflügels ein deutlicher Wirbel (leading edge vortex) ausbildet. Es handelt sich quasi um einen Wirbelzopf, der sich vom Samenschwerpunkt spiralförmig nach außen zur Flügelspitze hin bewegt und dort gegen die Flugrichtung abknickt, um sich schließlich aufzulösen. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Unterdruck auf der Oberseite des Flügels und erhöht somit dessen Auftrieb. Das Erstaunliche daran ist, dass manche Insekten sowie Kolibris und Fledermäuse durch eine spezielle Kombination aus Auf- und Abschlag sowie einer Rotationsbewegung des Flügels um die Längsachse ähnliche auftriebverstärkende Wirbel erzeugen. Neben der Möglichkeit, diesen Effekt für moderne Fluggeräte nutzen zu können, wird deutlich, dass sich konstruktive Elemente in der Natur an stammesgeschichtlich nicht verknüpften Punkten finden, nämlich dort, wo sie technisch sinnvoll sind.

Winfried Borlinghaus