Schmetterlinge –  Flugmagier?

Schmetterlinge eröffnen einen Blick in Luftfahrttechniken der Zukunft. Die Kunst des Fliegens, von der die Menschheit so lange geträumt hat, ist zur Technik geworden, die auf dem ganzen Globus allgegenwärtig ist und deren Spuren jeden Tag den blauen Himmel prägen.

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Jeder Fluggast, der über die von Sonnenstrahlen durchzogenen Wolken fliegt, kann diese Erfahrung als magisch empfinden. Aber die Luftfahrt ist eine der umweltschädlichsten Technologien. Sie ist energieintensiv und es ist noch schwer vorstellbar, wie sie sich verändern könnte, um weniger invasiv für die Erdatmosphäre zu sein. Werden Schmetterlinge mithelfen, die Lösung zu bringen?

Die Beobachtung von Schmetterlingen, Käfern und anderen Insekten hat mit dazu beigetragen, ein Revolution in unserem Verständnis des Fliegens zu bewirken. Wesentlich dabei sind Luftwirbel: Noch immer lernen angehende Flugzeugpiloten, dass ihr Erzfeind der Wirbel ist: Solange der Luftstrom der gekrümmten Form des Flügels folgt, ist der Auftrieb (die Kraft, die einen Körper in der Luft hält und seinem Gewicht entgegenwirkt) unter normalen Umständen gewährleistet. Steigt ein Pilot jedoch zu steil oder zu langsam auf, löst sich die Strömung über dem gewölbten Oberflügel ab, es bildet sich ein Wirbel und der Pilot verliert die Kontrolle, während das Flugzeug aus dem Himmel trudelt.

In jüngster Zeit haben sich Forscher zunehmend mit dem Flug kleiner Insekten beschäftigt, um ihn zu verstehen und nachzuahmen.¹ Insekten erzeugen beim Fliegen ständig Wirbel, und es wird heute klar, dass diese Wirbel für ihren Flug wesentlich sind – auch für Flugzeuge und Vögel, aber das ist eine andere Geschichte.

Flugtechnik – Lemniskatenform

Die scheinbar unberechenbare, mäandernde Bewegung flatternder Schmetterlinge ist keine zufällige Wanderung: Manche Monarchfalter legen über 400 Kilometer pro Tag zurück, während der Distelfalter einen großen Teil des Erdballs abdeckt (allerdings über viele Generationen hinweg). Diese erstaunliche Fähigkeit ist das Ergebnis der Beherrschung einer Vielzahl aerodynamischer Prozesse, die im Allgemeinen von einem Flügelschlag zum nächsten variieren.² Einige davon erwähnen wir im Folgenden. Wir entdecken erst allmählich, wie Schmetterlinge komplizierte Wirbelteppiche weben, auf denen sie fliegen: Das Bild des Märchens vom Getragenwerden auf einem fliegenden Teppich enthält also verborgene Weisheit und wird eines der Hauptthemen dieses Artikels sein.

Die extreme Zickzackbewegung der Schmetterlinge wird durch das Zusammenspiel der vier Flügel ermöglicht. Denn um fliegen zu können, bräuchten Schmetterlinge eigentlich nur ihre Vorderflügel. Mit diesen allein könnten sie fliegen – und auch im Zickzack. Doch um wendiger und vor allem schneller zu fliegen, helfen dem Schmetterling seine Hinterflügel.

Manche Schmetterlinge flattern, andere segeln kaum hörbar durch die Luft, noch andere schwirren. Darüber hinaus gibt es viele weitere Flugvarianten. Beim Flatterflug bewegen die Schmetterlinge ihre Flügel nicht ganz so schnell auf und ab, beim Schwirren – Töne der Flügel werden hörbar – geht es schneller. Mit bloßem Auge kann man das alles selten sehen. Denn Schmetterlinge schlagen etwa 10 bis 15 Mal pro Sekunde mit den Flügeln. Manche schaffen sogar bis zu 80 Flügelschläge pro Sekunde. Mit ihrer Flugtechnik erreichen manche eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 50 Stundenkilometern. Das ist so schnell, wie Autos in der Stadt fahren dürfen. Die schnellsten Schwärmer, wie der Windenschwärmer, erreichen sogar 100 Kilometer pro Stunde. Damit gehören Schmetterlinge zu den schnellsten Insekten der Welt.

Kommen wir nun zu den Einzelheiten der neuen Forschung. Wir wissen seit Langem, dass Schmetterlinge ihre Flügel nicht einfach auf- und abschlagen, sondern sie in einer subtilen Achter- oder Lemniskatenform bewegen. Wie kommt das zustande und was bedeutet es für die Aerodynamik dieser anmutigen Wesen? Um die Forschung besser zu verstehen, ist es wichtig, zwischen zwei Kräften zu unterscheiden, auf die alle Schmetterlinge – eigentlich alles, was so fliegt – angewiesen sind: Auftrieb und Vortrieb (Schub). Erstere Kraft hält den Schmetterling in der Luft oder lässt ihn aufsteigen, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, während letztere ihn vorwärtsträgt.

Auftrieb und Vortrieb – Wirbelteppich

Schmetterlinge weben ihre wirbelnden Bewegungsteppiche aus der sie umgebenden Luft.³ Beim Abwärtsschlag öffnen sich die Flügel und bewegen sich nach unten, wodurch ein Ringwirbel entsteht (Abbildung 1). Er ist zunächst klein und seine Achse ist dicht an der Flügeloberfläche, dann entfernt sie sich aber allmählich, während der Wirbel wächst. Der Druck auf der Unterseite und die dem Wirbel innewohnende Saugkraft erzeugen den Auftrieb.

Wie ist es mit dem Vortrieb? Zunächst fiel den Wissenschaftlern⁴ auf, wie die relativ großen Flügel und die Wellenbewegung von Thorax und Abdomen den winzigen Körper beim Abwärtsschlag aus der Horizontalen in die Vertikale drehten und so hin- und herwippten. Obwohl dies zunächst als reine Energieverschwendung erschien, haben sie nun bestätigt, dass der Abwärtsschlag der Schmetterlingsflügel Auftrieb erzeugt, der Aufwärtsschlag hingegen – da die Flügel hier eher nach vorne als nach oben geneigt sind – dazu dient, das Insekt auf eine bisher unbekannte Weise vorwärtszutreiben. Zunächst – wegen der neuen Orientierung der Flügel – ‹rudert› sich das Tier nach vorne (‹Schub›, Ringwirbel saugt nach vorne, aufstauende Luft drückt Flügel und Körper auch nach vorne). Und wenn sich die Flügel beim Aufwärtsschlag einander nähern, klatschen sie zusammen, wobei sie gleichzeitig ihre flexiblen (und gepaarten) Flügel biegen (Abb. 2) und einen Strahl Luft hinter sich ‹herausdrücken›. Der Schubwirbel wird dabei vom Strahl nach hinten weggespült. Wenn die Flügel zusammengeklappt sind, ist ihr Widerstand gegen die Drehung des Körpers zurück in die Horizontale minimal, woraufhin der Abwärtsschlag von Neuem beginnt.

Obwohl wir die Auftriebs- und Vortriebswirbel getrennt besprochen haben, sind sie es nie: Wie bei einem Zwirn weben sie kontinuierlich den oben erwähnten Wirbelteppich aus der Bewegung der Luft (Abb. 3). Schließlich ist es die Kombination von der Auf- und Abbewegung der Flügel einerseits und der wippenden Bewegung des Körpers andererseits, die zur lemniskatischen Bewegung der Flügel führt.

Flügel – Ballerina-Pirouette

Entgegen der landläufigen Meinung, dass Schmetterlingsflügel hauptsächlich aus leblosen Membranen bestehen, wissen wir heute, dass sie ein komplexes Netz lebender Zellen enthalten, die der Wahrnehmung von Licht, Wärme (z. B. zur Kontrolle der Überhitzung), Geruch und Bewegung dienen und sogar das sogenannte ‹Flügelherz› einschließen: ein Organ im Flügel, das endogen mit einer Rate von einigen Dutzend Mal pro Minute schlägt und unidirektional Hämolymphe durch die Flügelorgane bei Bläulingen zieht.⁵ Im Vergleich dazu schlagen sie ihre Flügel 10- bis 15 Mal pro Sekunde, also viel schneller als das Schlagen ihres Flügelherzens. Die Flügel vereinen also Empfindung und Fortbewegung – und die vermittelnden Rhythmen von Flügelherz und Flügelschlag – in einem einzigen Organ.

Schmetterlingsflügel sind keineswegs wie starre Bretter. Die sehr biegsamen Flügel bestimmter Seeschmetterlinge ähneln vielmehr der wirbelnden Anmut eines leichten Gewandes beim Tanz. Erst allmählich erkennen wir, wie dieser Tanz gleichzeitig dazu dient, den Flug zu verbessern, unter anderem mithilfe des sogenannten Drehimpulseffektes – der ‹Ballerina-Pirouette›.⁶

Mikrostrukturen – aus Licht und Luft geboren

Schauen wir uns nun die mikroskopische Struktur des Schmetterlingsflügels, zum Beispiel des kleinen Fuchses (Aglais urticae), an (Abb. 4), um zu sehen, wie er sowohl mit dem Licht als auch mit der Luft spielt.⁷ (Abb. 5) Denn die Farben der Schmetterlinge beruhen auf zwei grundlegend verschiedenen Prozessen, die weitgehend von der jeweiligen Farbe abhängen. Die meisten Schmetterlinge erhalten ihre verschiedenen Braun- und Gelbtöne aus Melanin, dem gleichen Pigment, das uns im Sommer braun werden lässt und manchen Menschen Sommersprossen verleiht. Auch Orange, Gelb und Schwarz sind im Allgemeinen auf Farbstoffe zurückzuführen. Wenn man jedoch die im Allgemeinen irisierenden (leuchtenden, sich intensiv verschiebenden) Blau-, Violett- oder Weißtöne sieht, so sind diese nicht in irgendeinem Pigment auf dem Körper zu finden, sondern werden durch die Mikrostrukturen der Chitinschuppen verursacht: eine sogenannte Strukturfarbe, die durch die Art und Weise bestimmt wird, wie das Licht mit diesen winzigen mehrschichtigen Strukturen interferiert.

Die Struktur dient jedoch nicht nur der Farbgebung, sondern auch der Art und Weise, wie die Luft selbst an den Flügel gezogen wird: Solche strukturierten Riblets, wie sie in der aerodynamischen Literatur genannt werden, halten die Luft am engsten am Flügel und tragen so zur Leistung und Manövrierfähigkeit bei: Bis in diesem winzigen Maßstab zeigen Schmetterlinge, wie sie aus Licht und Luft geboren werden. Der Legende nach schenkte die Königin von Saba König Salomon als Zeichen ihrer Liebe einen fliegenden Teppich aus Grün und Gold, der mit kostbaren Juwelen besetzt war. Es heißt, dass der fliegende Teppich auf einem gewöhnlichen Webstuhl gewebt wurde, aber seine Farben hatten spektakuläre Kräfte.

Schmetterlingsflug – ein neues Flugzeitalter?

Im Gespräch mit Arbeitern während des Baus des Ersten Goetheanum⁸ begann Rudolf Steiner eine der Diskussionen mit der Feststellung, dass (unter anderem) Vögel bisher unsere primäre Inspirations­quelle für den Bau von Flugzeugen gewesen seien. Er schlug dann eine alternative Inspirationsquelle vor, den Schmetterling, und behauptete, die Luftfahrt würde «erst auf ihre richtige Gestalt kommen, wenn man die Versuche dafür im Großen anfassen könnte, gerade mit dem Schmetterlingsflug». Der durchschlagende Erfolg bei kleinsten Fluggeräten ist den Untersuchungen von Schmetterlingen und anderen Insekten zu verdanken, die die Entstehung des oben beschriebenen komplexen magischen Wirbelteppichs erkannt haben. Wenn wir die Vergrößerungsbedingungen besser verstehen, stehen wir vielleicht am Beginn eines neuen Flugzeitalters?

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Dieser Artikel ist Ernst-August Müller (†24.2.2001) und seinen Schülern, dem Strömungsphysiker Dietrich Rapp (†31.3.2017) und dem Aerodynamiker Frank Teichmann (†1.12.2006), gewidmet.

1. Bei der Entwicklung sogenannter MAVS (Micro Air Vehicles: Mikroluftfahrzeuge), werden vor allem aufgrund der Bedürfnisse des Militärs und der Überwachungsindustrie solche Minidrohnen einzusetzt.
2. R. B. Srygley und A. L. R. Thomas, Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butterflies. Nature 420, 660 ff., 2002.
3. M. Fuchiwaki, T. Kuroki, K. Tanaka und T. Tababa, Dynamic behavior of the vortex ring formed on a butterfly wing. Exp Fluids 54 1450, 2013.
4. L. C. Johansson und P. Henningsson, Butterflies fly using efficient propulsive clap mechanism owing to flexible wings. Journal of the Royal Society Interface 18 2020.0854, 2021.
5. C.-C. Tsai, R. A. Childers, N. Nan Shi, C. Ren, J. N. Pelaez, G. D. Bernard, N. E. Pierce und N. Yu, Physical and behavioral adaptations to prevent overheating of the living wings of butterflies. Nat Commun 11 551; 2020.
6. F. Karakas, A. E. Maas and D. W. Murphy, A novel cylindrical overlap-and-fling mechanism used by sea butterflies. Journal of Experimental Biology 223, 2020.
7. P. Köchling, A. Niebel, K. Hurka, F. Vorholt und H. Hölscher, On the multifunctionality of butterfly scales: a scaling law for the ridges of cover scales. Faraday Discussions 223 195–206, 2020.
8. 8 R. Steiner, Vortrag in Dornach, 8. Okt. 1923, in: Mensch und Welt. Das Wirken des Geistes in der Natur. Dornach 1999.