Luftfahrt Forscher ergründen Geheimnis des Thermikflugs

Beim Thermikflug legen Zugvögel mit wenig Kraft weite Strecken zurück - dabei geht es im Aufwind oft turbulent zu. Wie machen die Tiere das? Forscher haben die Antwort gefunden.

Zwei Wildgänse
DPA/ Patrick Pleul

Zwei Wildgänse


Bereits der Flugpionier Otto Lilienthal schaute den Störchen in der Luft zu und versuchte, aus seinen Beobachtungen das Geheimnis des perfekten Fluges zu ergründen. 120 Jahre nach seinem tödlichen Absturz nahe Berlin beobachten Forscher noch immer Vögel.

Wie die Tiere sich in der Luft bewegen, ist in manchen Bereichen bis heute rätselhaft. Jetzt haben US-Physiker versucht, den sogenannten Thermikflug von Zugvögeln zu analysieren.

Dabei nutzen die Vögel Aufwinde und schaffen es, mit wenig Kraftaufwand weite Strecken zu fliegen, obwohl es in den Aufwinden turbulent zugehen kann. Wie finden sie die perfekte Flugbahn? Orientieren sie sich an Temperaturunterschieden? Oder eher an der Geschwindigkeit der vertikalen, thermischen Winde und deren Drehwinkel?

Die Wissenschaftler um Gautam Reddy von der University of California (San Diego) untersuchten die komplizierte Technik des Thermikflugs mithilfe von Computermodellen. Ein Ansatz waren sogenannte selbstverstärkende Lern-Algorithmen ein. Dabei wird ein Segelflieger in einer Computersimulation fortlaufend trainiert, indem er ein unmittelbares Feedback zu seinen Flugmanövern bekommt.

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Paul Allens Riesenflugzeug: Fliegende Startrampe

Bei den simulierten Tests zeigte sich, dass der höchste und längste Flug erreicht wird, wenn man sich konsequent am Drehmoment der Aufwinde ausrichtet, schreiben die Forscher im US-Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).

Temperaturwechsel innerhalb der Winde spielten hingegen eine geringere Rolle. Um die Fluggeräte künftig weiter segeln zu lassen, könne demnach eher auf Temperaturmessgeräte verzichtet werden als auf relativ einfache mechanische Instrumente zur Messung des Drehmoments, schreiben die Forscher. Die Erkenntnisse müssten jedoch noch im Experiment bestätigt werden.

Indem er bestimmte Umwelt-Signale berücksichtige, sei ein Flieger in der Lage, den Auftrieb zu steigern und selbst bei starken Turbulenzen die Segelleistung zu verbessern, betonte Mitautor Massimo Vergassola.

Thermik, auch Konvektion genannt, entsteht, wenn die Sonne die Erdoberfläche erwärmt. An bestimmten Punkten sammelt sich dann warme Luft und steigt auf. Als sichtbares Zeichen können sich gelegentlich Kumuluswolken bilden.

Bessere Segelflugzeuge, bessere Drohnen

Strömungsexperte Michael Klaas vom Aerodynamischen Institut der RWTH Aachen hält die Arbeit der US-Forscher für exzellent. Erstmals sei bei Untersuchungen der aufsteigenden Luftmassen genauer hingeschaut und auch die Rolle der Turbulenzen berücksichtigt worden. "Wenn man versteht, wie Vögel Entscheidungen treffen, kann man auch für den Segelflug oder für den Bau von Drohnen viel daraus lernen", sagte Klaas, der nicht an der Studie beteiligt war.

Otto Lilienthal war am 10. August 1896 kurz nach dem Absprung von einem Berg in Brandenburg mit seinem Gleiter 15 Meter in die Tiefe gestürzt. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatten jüngst die Gründe dafür untersucht und gefolgert, dass der Flugpionier mit seinem sogenannten Normalsegelapparat abgestürzt war, nachdem dieser sich bei einem als Sonnenbö bezeichneten Aufwind zu stark aufgerichtet hatte.

"Sein tödlicher Absturz geht nicht auf einen Konstruktionsfehler, sondern wahrscheinlich auf einen Pilotenfehler zurück", sagt der leitende DLR-Experte, Andreas Dillmann. Klaas ergänzt: "Der Sprung vom Berg hatte mit Thermikflug nichts zu tun. Es war fast eher ein kontrollierter Absturz."

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Rekordwasserflugzeug: Zu Wasser und in der Luft

joe/dpa



insgesamt 77 Beiträge
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kenterziege 02.08.2016
1. Ein interessanter Beitrag, der für mich zwei...
...Fragestellungen aufwirft. Ist aus dem englischen der Begriff Drehmoment richtig übersetzt? Und die zweite Frage: Werden wir je ein Fluggerät mit der Festigkeit und der hohen Variabilität von Vogel-Flügeln bauen können? Man schaue sich nur eine Vogel-Feder an. Perfekter Leichtbau und in Kombination mit dem ganzen Federkleid und der Ansteuerung jeder einzelnen Feder unerreicht. Die halten manche Turbulenz aus, wo es menschengemachte Flügel zerreißt. Insofern wäre die Diskussion an der RWTH zwischen den Festigkeitsexperten, Werkstoffexperten und Aerodynamikern sicher erkenntnisreich!
modemhamster 02.08.2016
2. WWW nicht verstanden?
Ein Link auf einen Artikel in einem geschützten Bereich ist einigermaßen sinnlos. Damit muss die Frage von @kenterziege also erstmal unbeantwortet bleiben. Neuland...
ede-wolff 02.08.2016
3. @1: Antwort 2
es ist prinzipiell unmöglich, ein Fluggerät mit der Festigkeit von Vogelflügeln zu bauen, wenn es größer als ein Vogelflügel sein soll:die Festigkeit ist proportional zum Querschnitt, also dem Quadrat der Längendimension; die Masse ist proportional zum Volumen, also zur dritten Potenz. Damit nimmt mit steigender Größe die Festigkeit immer mehr ab. Dass dies immer wieder vergessen wird, führt unter anderem zu den unsinnigen Vergleichen, wie dem, dass Ameisen so viel stärker seien als Menschen, da der Mensch sonst mit seinen Zähnen einen Güterwaggon ziehen können müsste.
MichiD 02.08.2016
4. Drehmoment?
Mir stößt der Begriff "Drehmoment" (des thermischen Aufwindes wohlgemerkt) auch auf. Mangels tieferer Einsicht will ich es nicht in Abrede stellen, aber mir ist ebenso schleierhaft wie man ein derartiges Drehmoment der Lufströmung mit einfachen mechanischen Geräten (innerhalb des Fluggerätes) messen können soll. Ebenso ist es mir komplett neu, dass thermische Aufwinde ein Drehmoment oder eine Drehrate aufweisen. Die Lage und Bewegung des Fluggerätes ist sicherlich heutzutage mit (eher elektronischen) Bauteilen ermittelbar, wie sie sich derweil in jedem Quattrokopter finden. Die mechanischen Klassiker "Staurohr" zur (relativen) Geschwindigkeits messung sowie Variometer (mit "Thermoskanne") zur Bestimmung der Steigrate sind ja bekannt, helfen alleine nicht weiter. Der große Vorteil, den Vögel gegenüber bemannten bzw. größeren Fluggeräten in der Thermik haben ist ihre große Wendigkeit. Sie können, falls notwendig "auf dem Teller" drehen. Fluggeräte sind in Steuerung und Kreisbahn nicht annähernd so wendig. Ebenso fehlt natürlich die direkte sensorische Rückmeldung (abgesehen vom "Popometer..."). Für Vögel sind die Luftströmungen so fühlbar so wie für uns Unebenheiten auf dem Fußweg, die wir ebenso instiktiv wahrnehmen und mit unserem Gleichgewichtssinn korrigieren.
MichiD 02.08.2016
5. Drehmoment!
Beim Lesen einer englischen Quelle stellt sich der Inhalt ganz anders dar. Der Begriff "Torque" (hier gemeint bezüglich der (Kräfte zur) Änderung der Drehrate) bezieht sich definitiv nicht auf die Aufwinde sondern auf das Fluggerät selbst. Ergebnis der Untersuchung war es letztlich auch, welche Sensoren für ein Fluggerät aussreichen, um Thermik ausreichend gut nutzen zu können: "vertical wind acceleration and torque" Das bezieht sich auf Messungen des Fluggerätes. Also Sensorik zur (vereinfacht gesagt) Steig- und Drehrate. Komplett falsch ist jedenfalls, dass die Untersuchung von irgendeinem Drehmoment der thermischen Aufwinde selbst spricht. Da handelt es sich wohl um einen saftigen Übersetzungsfehler. Die Aufwinde wurden im Originaltext lediglich als "Turbulent" bezeichnet, was ich aus persönlicher Erfahrung bestätigen kann ;-)
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