Christian Jongeneel
Het is nog grotendeels een raadsel waarom vogels zoveel soepeler en efficiënter vliegen dan de luchtwaardige constructies die ingenieurs bedenken. TUD-alumnus David Lentink werkt vanuit zijn eigen lab bij Stanford aan diepere inzichten en begrip. Dat moet tot betere ontwerpen leiden. ‘Maar we zullen niet snel een Boeing 777 met flappende vleugels zien.’
Pas sinds een jaar of twintig weten we hoe een vlieg erin slaagt in de lucht te blijven. Volgens de geldende modellen, zoals die voor vliegtuigen gebruikt worden, is het insect namelijk 50 % te zwaar om van de grond te komen. En dan lukt het de vlieg ook nog eens om uit stand op te stijgen en bizarre manoeuvres uit te halen.
Een ander voorbeeld: de rosse grutto, een weidevogel met een gewicht rond de 0,5 kg, vliegt in een week non-stop ruim 10.000 km over de Stille Oceaan, van zijn broedgebied in Alaska naar zijn overwinterplaats in Nieuw-Zeeland. Een drone met een vergelijkbaar gewicht is na een half uurtje wel leeg (en het moet daarbij niet te hard waaien).
Er valt, kortom, voor de luchtvaart nog heel veel te leren van dieren, denkt David Lentink, alumnus van de TU Delft en Wageningen UR. Tegenwoordig is hij werkzaam aan de Amerikaanse Stanford University, waar hij een naar hem vernoemd lab bestiert.
‘Als scholier was ik erg bezig met modelvliegtuigjes bouwen’, vertelt Lentink, die onlangs voor een conferentie van het 4TU Applied Mathematics Institute even terug was in Nederland. ‘Ik wilde ook eigen ontwerpen maken. Dan ga je je afvragen: hoe werkt zo’n vliegtuigje? Ingenieurs bleken echter niet geïnteresseerd in modelvliegtuigen: te klein. Maar biologen bleken wel geïnteresseerd in vliegen op kleine schaal. Zo is mijn interesse in vogels begonnen. Het liefst kijk ik naar gewone vogels. Een duif, bijvoorbeeld. Zoals die verticaal opstijgt – prachtig.’
Lentink ging in Delft lucht- en ruimtevaarttechniek studeren, maar de fascinatie voor kleinschalig vliegen bleef. Hij stond er aan de wieg van Delfly, een bestuurbaar flappend vliegtuigje van 3 g. Dat lanceerde een internationale competitie naar steeds kleinere vliegtuigjes, waar hij inmiddels niet meer aan meedoet. Later volgde Roboswift, een vliegtuigje met een spanwijdte van 50 cm en beweegbare vleugels, geïnspireerd op de gierzwaluw. Roboswift gebruikt een propeller om hoogte te winnen, maar kan ook glijvluchten aan om energie te sparen.
Lentink wil nu vooral begrijpen hoe vogels bewegen. Dat wil zeggen: hoe zit de beweging van vleugels in elkaar en hoe beweegt de lucht zich eromheen, zodat er draagvermogen ontstaat? ‘Ik vond de luchtvaart een beetje saai worden. Het gaat om kleine winsten in efficiëntie. De biologie is veel uitdagender. Er zijn weinig wiskundige modellen, want de bewegingen zijn ontzettend complex. Toch zal het daarmee moeten beginnen: de bewegingen uitdrukken in formules.’
De gelegenheid om dit te gaan doen, kreeg Lentink aan Stanford. Daar, vlakbij Silicon Valley, is het nog relatief eenvoudig om geld bijeen te krijgen voor technisch onderzoek dat misschien pas over tien jaar iets praktisch oplevert; Nederland denkt bijna altijd op korte termijn, stelt Lentink.
Stanford bouwde voor hem een eigen laboratorium met een windtunnel en daarin meerdere faciliteiten om vogels te bestuderen. En drones, want het uiteindelijke doel is dat het biologische onderzoek bijdraagt aan betere ontwerpmethoden voor vliegende robots. Trots: ‘Mijn lab is het enige vogellab ter wereld dat zich richt op ingenieurs.’
Wie op YouTube ‘Lentinklab’ intikt, krijgt een handvol video’s met beelden uit het lab. Bijvoorbeeld van een parkiet die met een speciaal ontworpen beschermende bril door een laserveld vliegt, dat de turbulentie van stofdeeltjes in de lucht zichtbaar maakt. ‘Ik train de vogels zelf in de windtunnel’, vertelt Lentink. ‘Ze moeten handtam zijn. We leren ze om van het ene naar het andere stokje te vliegen.’
In Delft had Lentink al uitgezocht dat de draagkracht van flappende vleugels ligt in de rotatie van de vleugel tijdens de opwaartse en neerwaartse beweging. Dat leverde een formule op die schaalbaar was van fruitvlieg tot albatros. Door de rotatie verkrijgt een vogel een stabiele vortex, die ruim voldoende draagkracht levert om in de lucht te blijven. De beweging is eenvoudig genoeg om na te maken. Daaruit ontstond Delfly; het was het begin van een wiskundige theorie, maar wel een zeer versimpelde.
In de praktijk zijn bij vogels immers allerlei varianten ontstaan. Kolibries kunnen stilstaan in de lucht; gierzwaluwen kunnen negen maanden doorvliegen zonder te landen; meeuwen en andere zeevogels vliegen dwars door een storm op hun doel af. Een van Lentinks favoriete plaatjes om te laten zien tijdens lezingen is van een gans die op zijn kop vliegt alsof er niks aan de hand is. ‘Geen idee hoe die dat lapt.’
In de windtunnel observeren Lentink en zijn medewerkers verschillende soorten vogels tijdens allerlei taken. Bij parkieten hangt de vluchtwijze bijvoorbeeld af van de te overbruggen afstand. Bij korte afstanden is het een combinatie van springen en wat ongericht flapperen om de sprong te verlengen. ‘Je kunt je zo voorstellen hoe dinosauriërs met een paar veren begonnen zijn’, zegt Lentink. ‘We doen veel tests met de vogels voor de camera. Zo kun je zien dat een vogel bij de vleugelslag omlaag een opwaartse kracht creëert en bij de opslag in vrije val verkeert. Behalve de kolibrie. Die ziet kans zijn gewicht ook bij de slag omhoog te ondersteunen.’
Voor het vastleggen van de vleugelbewegingen voldoet video. Maar minstens zo interessant zijn natuurlijk de luchtbewegingen eromheen. Die zijn veel minder makkelijk te analyseren, niet in het minst omdat dynamische vleugels complexe vortexen creëren. De lasermethode is één manier om de aerodynamica te onderzoeken. Daarnaast worden onder meer simulaties in vloeistof, met vleugelmodellen waar luchtbubbels uit komen, gebruikt om de stroming in beeld te brengen.
Uit de windtunneltesten wordt duidelijk dat de evolutie vogels met vele vormen van vliegen begiftigd heeft, elk met een eigen doel. In het geval van de gierzwaluw lijkt het geheim te zitten in de vorm van de vleugel en de beweging van de botten. Kolibries bestaan voor 30 % uit vliegspieren en zijn dus enorme krachtpatsers. Condors (niet in de windtunnel) stijgen met minimale vleugelbewegingen op de thermiek tot grote hoogten. Al die varianten maken duidelijk dat er talloze efficiënte ontwerpmogelijkheden voor het oprapen liggen – als je in detail begrijpt hoe het werkt.
Op dit moment is Lentink vooral nog bezig met het verkrijgen van inzicht in vogelvlucht. ‘Hoe efficiënt – op de manier waarop een ingenieur dat begrijpt – een vogel vliegt, is nog nooit onderzocht. Onze metingen zijn niet precies, maar het is een begin van begrip’, zegt de onderzoeker, die naast de tests in de windtunnel ook technische probeersels inzet om de kennis te vergroten. ‘We hebben een robot gemaakt met vier veren per vleugel. Daar bleek je al goed mee te kunnen vliegen. Zelfs stunts uitvoeren was mogelijk. Het laat zien dat veren heel effectief zijn.’
‘We zullen niet snel een Boeing 777 met flappende vleugels zien’, gaat Lentink verder. ‘Maar mijn onderzoek heeft wel degelijk invloed op de bemande luchtvaart. Vliegtuigen hebben op dit moment een statische vleugelvorm. Onze studie naar veranderende vleugelvormen met veren laat zien dat daar allicht mogelijkheden liggen – al weten we er nog te weinig van. Vogels gebruiken minimale bewegingen om de vorm van hun vleugel te veranderen. Dat valt heel moeilijk te meten. We weten niet eens hoe we een constructie als een veer zouden moeten maken.’
Op kortere termijn is het logischer om te zoeken naar toepassingen op de schaal van vogels zelf. Drones dus. Er bestaan bijvoorbeeld verschillende initiatieven om pakjes te gaan bezorgen met deze vliegende robots. Een van de uitdagingen daarbij is deze diensten ook te kunnen bieden bij minder goed weer. Een bezorgservice die zijn diensten alleen aanbiedt bij zon en weinig wind is niet levensvatbaar. Bovendien verbruiken drones momenteel zoveel energie dat de actieradius beperkt is. De prestatie van de rosse grutto blijft voorlopig nog wel buiten bereik, maar zelfs een kleine winst in die richting zou meer dan welkom zijn.
Lentink: ‘Vogels leren ons dat de optimale vorm afhankelijk is van wat je wilt. Flappen is uit het oogpunt van efficiëntie niet optimaal, maar wel als je verticaal wilt opstijgen. De ideale vleugelvorm hangt ook af van hoe hoog je wilt vliegen. Als je naar één specifiek ding kijkt, kun je dat met techniek optimaliseren. Maar het gaat om het geheel en daar weten we nog niet genoeg van.’
