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Akustische Tarnung

Erstaunlich schallschluckende Mottenflügel

Vergleichsaufnahme eines Nachtfalters (oben) und eines Tagfalters (unten). Rechts ist das Ultraschall-Echobild zu sehen. Es wird deutlich, dass der Nachtfalterflügel schwächere Echos erzeugt. (Bild: Marc Holderied & Thomas Neil)

Akustischer Tarnmantel aus Schuppen: Forscher haben neue Einblicke in das Naturpatent gewonnen, das Nachtfalter vor der Echo-Ortung durch Fledermäuse schützt. Die raffinierten Oberflächenstrukturen auf den Insektenflügeln bilden demnach ein sogenanntes akustisches Metamaterial mit erstaunlichen Eigenschaften: Es kann ein breites Schallspektrum absorbieren, dennoch ist es aber dünn und leicht. Das Konzept könnte somit die Entwicklung von innovativen Schallschutzbeschichtungen inspirieren, sagen die Wissenschaftler.

Die Finsternis schützt Nachtfalter zwar vor hungrigen Blicken, doch gegen die raffinierten Jäger der Nacht nützt ihnen dies nichts: Fledermäuse detektieren ihre Beute durch ein hochentwickeltes Echo-Ortungssystem. Sie stoßen dabei hochfrequente Schreie aus, die vom Körper der Insekten reflektiert werden. Durch die feinen Echos können die Fledermäuse die Beutetiere dann orten und schließlich sogar aus der Luft schnappen. Doch die Nachtinsekten haben im Laufe der gemeinsamen Evolution mit ihren Feinden aufgerüstet: Sie brachten raffinierte Schutzmechanismen hervor.

Es ist beispielsweise bekannt, dass einige Nachtfalter ein feines Gehör sowie spezielle Flugkünste entwickelt haben, um auf das Biosonar der Fledermäuse durch clevere Ausweichmanöver reagieren zu können. Viele andere Nachtfalter scheinen allerdings keine solchen aktiven Strategien zu nutzen – sie sind sogar taub. Wie das Forscherteam unter der Leitung der University of Bristol vor kurzem bereits berichtet hat, sind aber auch diese Arten keine hilflosen Opfer: Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, haben diese Insekten akustische Tarnverfahren entwickelt, um sich vor den Rufen der Fledermäuse zu verbergen: Im Gegensatz zu Tagfaltern schlucken die Flügel einiger Nachtfalterarten die Rufe von Fledermäusen erstaunlich effektiv, sodass ein reduziertes Echo entsteht. 85 Prozent der einfallenden Schallenergie wird demnach absorbiert. Dadurch muss eine Fledermaus den Insekten viel näher kommen, um sie noch orten zu können.

Ein raffiniertes Material unter der Lupe

Wie das Team bereits zeigen konnte, sind für den akustischen Effekt die Oberflächenmerkmale der Flügel der Nachtfalter verantwortlich. Wie bei allen Schmetterlingen sind sie von Schuppenstrukturen bedeckt. Im Gegensatz zu den Tagfaltern erfüllen sie bei den Nachtinsekten aber nicht nur optische Zwecke. Auf der Grundlage von Analysedaten entwickelten die Forscher Computermodelle der Schuppenstrukturen. Sie legten bereits nahe, dass sie in komplexer Weise auf das einfallende Biosonar reagieren und es dadurch absorbieren. In ihrer neuesten Veröffentlichung präsentieren Thomas Neil und seine Kollegen nun genauere Einblicke darin, auf welchen Prinzipien das akustische Konzept basiert. Im Rahmen der Studie haben sie den Feinbau der Flügel von zwei Nachtfalterarten mit modernster Technik bis ins Detail durchleuchtet sowie für akustische Analysen experimentell beschallt.

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Sie kommen zu dem Fazit, dass es sich bei den Flügelstrukturen um das erste bekannte akustische Metamaterial aus der Natur handelt. Der Begriff Metamaterial beschreibt normalerweise künstliche Strukturen mit sehr ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, die „normale“ Konzepte übertreffen. Ein Metamaterial besteht in der Regel aus kleinen, sich periodisch wiederholenden Einheiten, die die Ausbreitung von Licht oder aber Schall in komplexer Weise beeinflussen können. Bisher sind nur optische Metamaterialien aus der Natur bekannt, doch den Analyseergebnissen der Forscher zufolge handelt es sich beim Konzept der Nachtfalterflügel um ein akustisches Beispiel.

Schallabsorption mit Leichtigkeit

Sie konnten zeigen, dass die Merkmale der Schuppen sowie ihre komplexe Anordnung zu einer breit angelegten Schalldämpfung führen: Die Spitzen-Absorption liegt demnach bei 78 Kilohertz. Das entspricht der Frequenz, die Fledermäuse besonders häufig für ihr Biosonar nutzen. Doch das Spektrum bei der Schalldämpfung ist überraschend groß, stellten die Forscher fest. Wie sie betonen, ist der erstaunlichste Aspekt allerdings das geringe Gewicht des Systems. Denn ein Hauptmerkmal von akustischen Metamaterialien ist, dass ihre Strukturen viel kleiner sein können als die Wellenlänge des Schalls, auf den sie wirken, sodass sie deutlich dünner sein können als traditionell konstruierte Schallabsorber.

Wie die Forscher erklären, müsste die Schuppenschicht der Nachtfalterflügel eigentlich 1,5 Millimeter dick sein, um als ein herkömmlicher Schallabsorber zu wirken. Doch damit könnten die kleinen Insekten natürlich nicht fliegen. Doch durch die speziellen Merkmale der Schuppenstruktur ist es den Motten gelungen, einen Resonanzabsorber zu schaffen, der 100 Mal dünner ist als die Wellenlänge des absorbierten Schalls. So können die Insekten ihre Leichtigkeit behalten und sich gleichzeitig vor dem Biosonar der Fledermäuse verbergen, erklären die Wissenschaftler. „Das System ermöglicht es, alle relevanten Fledermaus-Frequenzen zu absorbieren. Diese Fähigkeit basiert auf der Wirkung und Zusammensetzung von Einheiten, die einzeln auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind. Zusammen erzeugen sie ein akustisches Metamaterial mit Breitbandabsorption“, sagt Seniorautor Marc Holderied. „Eine solche Breitbandabsorption ist in den ultradünnen Strukturen der Mottenflügel nur sehr schwer zu erreichen, was sie so bemerkenswert macht“, resümiert der Forscher.

Wie er und seine Kollegen hervorheben, steckt in dem Naturpatent nun erhebliches Potenzial für die Technik, denn optimierte Schallabsorption ist in verschiedenen Bereichen gefragt. Bisher sind entsprechende Strukturen meist relativ dick, schwer und auffällig. Das Vorbild der Nachtfalterflügel könnte nun hingegen die Entwicklung von sehr dünnen und leichten Beschichtungen inspirieren. „Vielleicht könnte es beispielsweise eines Tages eine Schallabsorber-Tapete nach Art der Mottenflügel geben“, so Holderied.

Quelle: University of Bristol, Fachartikel: PNAS, doi: 10.1073/pnas.2014531117

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