DE MOT VLIEGT OP ZIJN EIGEN DRAAIKOLK AERODYNAMICA

Volgens de leer van de vliegtuigbouwer kan een mot niet vliegen. Het dier haalt echter stunts uit die piloten maar beter uit hun hoofd kunnen laten. In die stunts schuilt zijn geheim.

De enige uitweg uit dit dilemma was tot dusverre dat de aërodynamica veel te beperkt is om de vliegbewegingen van het gemiddelde insect te beschrijven. Maar onderzoekers van de Universiteit van Cambridge voegden onlangs een nieuw hoofdstuk aan de handboeken van zoölogen toe. Hun robot Flapper bootst perfect de vleugelslag van een mot na en ontsluierde zo het geheim van de vliegende insecten, schrijven zij in het vaktijdschrift Nature (19-26/12).

De vliegkunst van een Boeing 747 stelt in principe niet veel voor. De vleugels zijn aan de bovenkant licht gebold. Daardoor stroomt de lucht harder langs de bovenkant dan onderlangs en ontstaat er een opwaartse kracht. De vleugels moeten zo ontworpen worden dat die opwaartse kracht onder alle omstandigheden precies genoeg is om het vliegtuig op te tillen.

Dat is alles. En als de mot zijn vleugels net als een vliegtuig stil zou houden, kon elke ingenieur uitrekenen of het vleugelontwerp voldeed aan de eisen voor een veilige vlucht.

Maar een mot houdt zijn vleugels niet stil. Hij fladdert, en dat is voor ingenieurs en biologen veel te ingewikkeld. Om er toch aan te kunnen rekenen gieten ze de vleugelslag van een mot - en andere insecten - in sterk vereenvoudigde modellen: ze verdelen de beweging van de slag in hele kleine stukjes, bekijken die stuk voor stuk, en doen alsof het dier op de achtereenvolgende stukjes zijn vleugels in een steeds iets verspringende stand stilhoudt. Maar zodra ze die stukjes om de totale slagbeweging te beschrijven bij elkaar optellen, moeten ze concluderen dat de mot te weinig opwaartse kracht ontwikkelt om in de lucht te blijven.

“Het was al een jaar of tien duidelijk dat deze aanpak niet voldoende is om het vliegen van de mot te verklaren”, zegt Coen van den Berg. “De beweging van de vleugels moest in het model worden gestopt. Maar hoe, dat was de vraag.” Van den Berg heeft twee jaar in Cambridge gewerkt en het computerprogramma ontworpen dat de bewegingen van robot Flapper stuurt. Het ligt voor de hand om te denken dat het klapwieken zelf zorgt voor de opwaartse stuwing. Zoals Leonardo da Vinci de mens wilde laten vliegen door hem grote vleugels aan te binden. Maar dat werkt niet. “Vogels en insecten 'roeien' niet”, legt Van den Berg uit. “Dat is energetisch niet verantwoord; het is veel efficiënter om met hun voorwaartse snelheid opwaartse stuwing te genereren.”

Nee, de dynamiek van de vleugelslag moet een andere bijdrage leveren: extra luchtstroming aan de bovenkant van de vleugels zodat de opwaartse kracht groter wordt. Het meest kansrijke idee om dat extraatje in de aërodynamica in te bouwen, gaat uit van de stand van de vleugels. De mot houdt zijn vleugels onder een hoek van 45 graden met de luchtstroom. Een piloot zal dat uit zijn hoofd laten. Het vliegtuig trekt bij die vleugelstand zo sterk op dat er vreemde luchtstromen rond de vleugels ontstaan en de stuwing wegvalt. Overtrek, heet dit in de luchtvaart en het gevolg is onherroepelijk: het toestel stort neer. Uit windtunnelexperimenten is echter gebleken dat er vlak vóór de overtrek een grote luchtwervel op de vleugels ontstaat. De wervel zorgt even voor extra stuwing, maar maakt zich al snel los van het vliegtuig. “Ons idee was dat de mot met zijn snelle vleugelslag van de wervels zou kunnen profiteren, zonder in overtrek-moeilijkheden te komen”, zegt Van den Berg. “Maar ook dat stuitte op problemen: volgens de theorie waren de wervels ook bij de mot niet stabiel genoeg en niemand had ze ooit bij insecten waargenomen.” Ook Sandy Wilmotts niet, één van de collega-onderzoekers van Van den Berg in Cambridge. Wilmotts traint tabakspijlstaartmotten om in windtunnels tegen de wind in te blijven hangen. De motjes zijn te klein en hun vleugelslag is te snel om er iets aan te kunnen zien, maar “als je langs de vleugels keek, zag je soms een holte ontstaan in de rook die langs de motjes heen werd geblazen; dat zouden wel eens luchtwervels kunnen zijn”.

Dat wilden de onderzoekers weleens goed bekijken. En dus bouwden ze Flapper, tien keer zo groot als zijn natuurlijke voorbeeld en met een honderd keer zo trage vleugelslag. Na twee jaar prutsen en sleutelen klapwiekte Flapper als een echte mot.

Meteen bij de eerste 'vlucht' was het raak. De rook die uit de vleugels van Flapper omhoogdwarrelde, begon te kolken en de wervel draaide in een kurkentrekkerbeweging naar het uiteinde van de vleugel. Het was een stabiele wervel, wisten de onderzoekers. Omdat de wervel langs de vleugel wegkolkte, wond hij zich niet tot een instabiele grootte op: de lucht kreeg de kans weg te stromen.

Een snelle schatting leerde dat zo'n wervel voldoende was om één derde van het mottengewicht te dragen. Ook de wervels die in het zog onder Flapper ontstonden, stemden de onderzoekers hoopvol: samen waren ze goed voor anderhalf keer het mottengewicht.

“Het is bijna te mooi om waar te zijn”, zegt Van den Berg. “Het zijn grove schattingen en oké, het grote gat tussen één derde en anderhalf geeft aan dat we veel nog niet begrijpen, maar het is wel duidelijk dat onze robot het belangrijkste aspect van de vliegbeweging te pakken heeft.”

Het leerboek van de zoöloog kan dus worden aangevuld met een hoofdstuk over vliegende insecten. Met de vraag of ook de handboeken van vliegtuigbouwers kunnen worden uitgebreid, hebben Van den Berg en zijn medeonderzoekers zich niet beziggehouden. “Het is niet onmogelijk. Sommige vliegtuigen, zoals de bommenwerper Stealth en de Concorde, wekken met hun deltavormige vleugels al vergelijkbare spiraalvormige wervels op. Dus wie weet, het zou kunnen dat de mot ons een nieuw vliegidee zal geven.”