Der Buckelwal besitzt eine erstaunliche Besonderheit: Die Vorderkante seiner langen Flossen ist nicht glatt. Sie weist eine Reihe von Erhebungen auf, die als Tuberkel bezeichnet werden. Die Forschenden haben diese Form aufgegriffen, um die BlĂ€tter eines Simulators fĂŒr den Flugzeugantrieb zu verĂ€ndern. Ihre Idee besteht darin, die Luft beim Drehen der BlĂ€tter besser um sie herumzufĂŒhren.
Um den Nutzen dieser Erhebungen zu verstehen, muss man betrachten, was mit der Luft auf einem Blatt geschieht. Unter bestimmten Bedingungen kann sich die Strömung von der OberflÀche ablösen und Wirbel bilden. Dabei geht ein Teil der Energie verloren. Die vom Wal inspirierte Geometrie verÀndert die Luftzirkulation und begrenzt dieses PhÀnomen im untersuchten Modell.
Buckelwal mit seiner langen Brustflosse im Ozean.
Quelle: Wikimedia Commons.
Wikimedia-Bild
Die Forschenden entwickelten ein numerisches Modell, das sowohl die Bewegung der Luft als auch die Verformung der BlÀtter berechnen kann. So konnten mehrere Formen miteinander verglichen werden.
Die in dieser Simulation erzielten Unterschiede sind erheblich. Mit den Erhebungen steigt der Luftdurchsatz durch einen Kanal zwischen den BlĂ€ttern um 4,09 %. Das VerhĂ€ltnis zwischen dem Druck am Ausgang und dem am Eingang nimmt um 4,85 % zu. Die Autoren berechnen auĂerdem eine deutliche Steigerung des Blattwirkungsgrads, von 67,014 % auf 89,861 % in der optimierten Konfiguration.
Die VerĂ€nderung scheint das Blatt im Modell nicht anfĂ€lliger fĂŒr BrĂŒche zu machen. Seine maximale Verformung im VerhĂ€ltnis zum Scheibendurchmesser sinkt von 0,306 % auf 0,239 %. Mit anderen Worten: Das verĂ€nderte Blatt verformt sich unter den berechneten Belastungen geringfĂŒgig weniger. Dieses Ergebnis ist zum jetzigen Zeitpunkt jedoch weiterhin theoretischer Natur.
Warum kann eine Walflosse als Vorbild fĂŒr ein Bauteil aus der Luftfahrt dienen? In beiden FĂ€llen muss sich eine OberflĂ€che effizient in einem Fluid bewegen: Wasser beim Tier und Luft beim Blatt. Die Erhebungen verĂ€ndern lokal die Art und Weise, wie dieses Fluid um die OberflĂ€che herumströmt. Ihre Form kann dadurch bestimmte ungĂŒnstige Strömungen verzögern.
Der nĂ€chste Schritt wird darin bestehen, ĂŒber die Simulation hinauszugehen. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Struktur noch optimiert werden muss, um ihre Steifigkeit und ZuverlĂ€ssigkeit im Betrieb zu verbessern. Physische Tests werden erforderlich sein, bevor sich feststellen lĂ€sst, ob die berechneten Verbesserungen an einem echten Blatt unter den Belastungen eines Antriebssystems wieder erreicht werden können.