Flugzeuge umgestalten

Flugingenieure haben sich schon immer von der Natur inspirieren lassen. Jetzt schauen sie noch genauer hin. Unter Verwendung von Materialien und Computersystemen, die ihre Umgebung automatisch erkennen und darauf reagieren, bauen Wissenschaftler eines von der NASA finanzierten Forschungskonsortiums in Texas Komponenten für dramatisch experimentelle Flugzeuge. Die neuen Flugzeuge und Raumfahrzeuge werden stärker und leichter sein; sie werden auch in der Lage sein, Schäden an ihren Systemen zu heilen, sich unter wechselnden Bedingungen aerodynamischer zu machen und sogar ihre Flügelformen während des Fluges zu verändern.

Etwa 30 Forscher an sechs Universitäten werden durch das neue Texas Institute for Intelligent Bio-Nano Materials and Structures for Aerospace Vehicles mit Sitz an der Texas A&M University in College Station finanziert. Die Herausforderung besteht darin, die Natur wirklich nachzuahmen, sagt Satish Nagarajaiah, ein an dem Projekt beteiligter Bauingenieur der Rice University. Um Flugzeuge zu entwickeln, die mehr wie Insekten und Vögel funktionieren, werden die Forscher Verbundmaterialien entwickeln, die organische und biologische Moleküle für den Einsatz in Strukturmaterialien, Sensoren und Aktoren enthalten. Solche seit Jahrzehnten verwendeten Steuerflächen wie Klappen könnten durch Flügel ersetzt werden, die sich kontinuierlich verändern, um die Aerodynamik zu maximieren und weniger Kraftstoff zu verbrauchen.

Mais, der sich selbst klont

Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2003



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Die Gruppe für funktionalisierte Nanomaterialien des Instituts modifiziert beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren – röhrenförmige Kohlenstoffmoleküle mit ungewöhnlichen strukturellen und elektronischen Eigenschaften –, um eine Haut für fortschrittliche Flugzeuge zu schaffen, sagt der Gruppenleiter Enrique Barrera, ein Maschinenbauingenieur der Rice University. Die äußere Schicht reagiert empfindlich auf Änderungen des Luftstroms und mechanische Belastungen; und es wird die Kohlenstoff-Nanoröhrchen als winzige Aktuatoren verwenden, um den Maschinen zu helfen, ihre Form als Reaktion auf sich ändernde aerodynamische Bedingungen zu ändern.

Neben der Materialentwicklung müssen die Forscher des Instituts ganz neue Methoden zur Steuerung der Fahrzeuge entwickeln. Heutige Piloten passen die Position von Oberflächen wie Klappen und Rudern an, aber die neuen Flugzeuge werden ihre Form vollständig ändern und möglicherweise 100-mal so viele Sensoren und Aktoren haben, sagt David Zimmerman, ein Maschinenbauingenieur der University of Houston, der die intelligenten Systeme des Instituts leitet Gruppe. Die Theorie zum Umgang damit gebe es heute einfach nicht, sagt er. Daher entwickelt seine Gruppe neue Steuerungsalgorithmen, die es einem Flugzeug ermöglichen, anhand der Eingaben seiner Sensoren zu entscheiden, welche Form es annehmen soll.

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Obwohl es 15 Jahre dauern kann, ein Flugzeug zu bauen, das sich an seine Umgebung anpassen kann, könnten vom Konsortium entwickelte Struktur- und Sensorkomponenten in nur zwei bis drei Jahren in Raumfahrzeuge und die Internationale Raumstation ISS eingeführt werden, sagt Barrera . Die NASA hat sich sicherlich viel Mühe gegeben, sagt Rick Claus, Elektroingenieur am Virginia Polytechnic Institute und ehemaliger NASA-Ingenieur. Aber es wird schwierig, verbesserte Materialien mit den Eigenschaften zu entwickeln, die zum Erreichen der Ziele des Instituts erforderlich sind.

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