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Roboterbiene hebt ab

Für Drohnen und andere Fluggeräte gilt: Je kleiner, desto energiehungriger sind sie. Insektengroße Flugroboter können daher ohne Kabel nicht lange in der Luft bleiben. Jetzt haben US-Forscher einen Miniatur-Flugroboter konstruiert, der ohne das lästige Kabel auskommt. Bauteile und Flugtechnik sind so energiesparend, dass die Roboterbiene nur den Strom aus ihren ultraleichten Solarzellen benötigt. Der rund 250 Milligramm leichte Flugroboter ist das bisher leichteste kabellose Flugvehikel, wie die Wissenschaftler berichten. Noch benötigt der Prototyp allerdings sehr viel Licht und auch die Steuerung ist noch nicht vollständig. Dennoch sehen die Forscher in ihrer „RoboBee“ eine zukunftsweisende Entwicklung.

Der Flug der Insekten ist eine Meisterleistung der Natur. Denn Fliegen, Libellen und selbst die pummeligen Hummeln müssen bei ihrem Flug durch die Lüfte enorme physikalische Hürden überwinden. Bei ihrer geringen Größe kommt unter anderem der Luftwiderstand stärker zum Tragen und es ist schwerer, genügend Auftrieb zu erzeugen. Als Folge benötigen die Miniflieger im Verhältnis deutlich mehr Energie für ihren Flug als größere Lebewesen. Ähnliches gilt auch für technische Fluggeräte: Schon normalgroße Freizeitdrohnen
können mit einer Akkuladung nur begrenzte Zeit in der Luft bleiben. Werden die Fluggeräte jedoch kleiner und leichter, gibt es kaum mehr Akkus, die leicht genug sind, um von diesen Minidrohnen getragen werden zu können. Die bisher kleinsten Quadrocopter wiegen rund zehn Gramm und haben eine Flügelspannweite von rund fünf Zentimetern, wie Noah Jafferis von der Harvard University und sein Team berichten.

Klein und leicht wie ein Insekt

Will man insektengroße Flugroboter entwickeln, muss man daher eine Lösung für den Energiehunger der Vehikel finden. „Bei Massen von weniger als 500 Milligramm und Flügelspannweiten von weniger als fünf Zentimetern wird der Energiebedarf zu einem unüberwindlichen Hindernis für den kabellosen Flug“, erklären die Forscher. „Solche Vehikel müssen daher bislang über Kabel mit einer externen Stromversorgung verbunden werden.“ Nun jedoch haben Jafferis und sein Team einen Flugroboter konstruiert, der dieses Hindernis überwindet. Ihr „RoboBee X-Wing“ getauftes Minivehikel wiegt gerade einmal 256 Milligramm und hat eine Flügelspannweite von 3,5 Zentimetern. Es ist damit kaum größer und schwerer als ein größeres Insekt. Für den Auftrieb sorgen vier Flügel aus einer dünnen, transparenten Folie. Nachdem ein Vorgängermodell mit zwei Flügeln sich als nicht sonderlich effektiv erwies, haben die Forscher auf vier Flügel aufgestockt.

(Video: Nature)

Der Clou dabei: Die Roboterbiene ist kein Minihubschrauber mit normalen Rotoren, sondern sie schlägt mit ihren Flügeln wie ein Insekt. Diese Flugtechnik macht das Minivehikel leiser, wendiger und effizienter als klassische Rotor-Flugroboter. Als Folge benötigt die RoboBee nur rund 120 Milliwatt, um durch die Luft zu fliegen oder auf der Stelle zu schweben, wie die Forscher berichten. „Der Wechsel von zwei auf vier Flügel, zusammen mit weniger sichtbaren Veränderungen am Aktuator und der Übersetzung haben das Vehikel effizienter gemacht, ihm mehr Auftrieb verliehen und es uns erlaubt, alle nötigen Bauteile zu integrieren, ohne dass wir mehr Strom benötigen“, erklärt Jafferis.

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Licht als Energiequelle

Als Energiequelle nutzt die Roboterbiene keinen Akku, sondern ultradünne, leichte Solarzellen. Diese sitzen wie ein winziges Sonnendach rund drei Zentimeter oberhalb der Flügel. Die von diesen Photovoltaikzellen erzeugte 4,8-Volt-Spannung wird im Rumpf der Roboterbiene auf 200 Volt und 170 Hertz transformiert, wie die Forscher berichten: „Dies ist nötig, um die Aktuatoren anzutreiben.“ Mit dieser Technik ausgerüstet, produziert der Flugroboter selbst genügend Strom, um ohne Kabel durch die Luft zu fliegen. Die RoboBee kann dabei sogar noch rund 70 Milligramm Nutzlast transportieren. „Das System gleicht damit der Effizienz von ähnlich großen Insekten wie Bienen“, konstatieren Jafferis und sein Team. „Dieses insektengroße Flugvehikel ist das bisher leichteste, das ohne Kabel anhaltend in der Luft bleiben kann.“

Noch ist der Prototyp der RoboBee nicht perfekt: Sie benötigt zum Abheben und Fliegen starkes Licht von rund drei Kilowatt pro Quadratmeter – das entspricht etwa dem Dreifachen der normalen Sonneneinstrahlung. Für Flüge im Freiland sind ihre Solarzellen daher noch nicht leistungsfähig genug. Die Forscher arbeiten aber bereits daran, Folgeversionen mit einem noch geringeren Energiebedarf zu entwickeln, die dann auch draußen fliegen sollen. Nach Ansicht von Jafferis und seinem Team eröffnet die Technologie ihrer RoboBee neue Möglichkeiten für Flugroboter, aber auch andere technische Anwendungen: „Über solche Roboter hinaus könnten die zugrundeliegenden Technologien auch für tragbare Sensoren, chirurgische Instrumente oder haptische Kommunikationsgeräte verwendet werden um nur einige Beispiele zu nennen“, sagt Jafferis‘ Kollege Robert Wood.

Quelle: Noah Jafferis (Harvard University, Cambridge) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1322-0

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Wissenschaftslexikon

in|jek|tiv  〈Adj.; Math.〉 ~e Abbildung eineindeutige Funktion, Abbildung

Wurmlöcher! Ohne die geht es weder in der Science-Fiction noch in der Sparte der Wissenschaftskommunikation in der durch übermäßigen Einsatz von Science-Fiction-Konzepten die Faszination der Menschen angeregt (oder ausgenutzt?) werden soll. Es klingt ja auch sehr verlockend: Anstatt elendig lange durchs unvorstellbar große Universum zu fliegen, nimmt man einfach eine Abkürzung. Rein in ein schwarzes Loch und quasi im gleichem Moment wieder raus durch ein anderes; irgendwo an einem ganz anderen Ort des Universums (bzw. überhaupt gleich in einem völlig anderen Universum). Was aus dramaturgischen Gründen in der Science Fiction äußerst praktisch ist, ist in der naturwissenschaftlichen Realität ziemlich schwierig.

Dass so ein Wurmloch zumindest in der Theorie aus den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie folgen kann, hat schon Albert Einstein in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gezeigt. Aber nur weil etwas theoretisch nicht unmöglich ist, bedeutet das nicht das es in der Realität auch zwingend existieren muss. Das gilt ganz besonders für Wurmlöcher. Bis jetzt gibt es nicht den Anschein eines vagen Hinweises auf ihre Existenz im realen Universum. Die beiden Physiker De-Chang Dai und Dejan Stojkovic wollen nun einen Weg aufzeigen, wie man das ändern könnte (“Observing a wormhole”).

Die Idee ist eigentlich recht simpel: Angenommen, da ist irgendwo ein Wurmloch. Und angenommen, ein Stern bewegt sich um dieses Wurmloch herum. Und noch weiter angenommen, ein Stern befindet sich auch in der Umgebung des anderen Ende des Wurmlochs. Dann kann die Gravitation durch das Wurmloch hindurch wirken. Der Stern am einen Ende des Wurmlochs übt also einen gravitativen Einfluss auf den Stern am anderen Ende aus (und umgekehrt). Man muss jetzt also nur die Bewegung von Sternen beobachten und nachsehen, ob da welche dabei sind, die sich so bewegen, als würden sie von einem anderen Stern beeinflusst der nicht zu sehen ist.

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In der Praxis ist das natürlich deutlich schwieriger. Erstens gibt es ziemlich viele Sterne. Man muss sich auf die beschränken, die sich dort bewegen, wo mit dem Auftreten von Wurmlöchern zu rechnen wäre. Also in der Umgebung schwarzer Löcher; in dem Fall am besten in der Umgebung des zentralen schwarzen Lochs das im Zentrum unserer Milchstraße sitzt. Um dieses Loch herum bewegen sich jede Menge Sterne deren Bewegung wir auch schon sehr genau beobachtet haben. Aber leider nicht so genau, wie es nötig wäre um den Einfluss eines Wurmlochs zu identifizieren. Dai und Stojkovic rechnen in ihrer Arbeit aus, dass man die Beschleunigung in der Bewegung eines Sterns mit einer Genauigkeit von einem Millionstel Meter pro Sekunde² messen muss um zu bemerken, falls da irgendwo ein Wurmloch sitzt. Das schaffen wir mit der aktuellen Technik nicht – aber vielleicht mit den Teleskopen der nächsten Generation.

Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße. (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße. (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Und selbst dann ist das Vorhaben eventuell zum Scheitern verurteilt. Serguei Krasnikov von der Sternwarte in St. Petersburg ist der Meinung, dass das, was Dai und Stojkovic meinen messen zu können tatsächlich gar nicht messbar ist (‘Comment on “Observing a wormhole”‘). Und dann bleibt immer noch der Punkt dass die Wurmlöcher bis jetzt nichts weiter sind als ein mathematisches Resultat das nicht von den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie verboten ist. Es gibt keinen naturwissenschaftlich zwingenden Grund von ihre Existenz auszugehen. Was nicht heißt, dass man sich nicht weiterhin überlegen soll, wie man sie vielleicht finden könnte falls es sie doch gibt. Man sollte aber auch nicht allzu traurig sein, wenn sie nie gefunden werden. Und vor allem sollte man nicht damit rechnen, sie als echte Abkürzungen für die Reisen durch den Raum benutzen zu können. Selbst wenn sie irgendwo da draußen sind, sind sie weit, weit entfernt. Und damit man sie irgendwie durchqueren kann, muss man sie stabilisieren. Das geht aber nur, wenn man dafür sogenannte “exotische Materie” benutzt. Das ist Materie mit einer negativen Masse. Mathematisch ist das kein Problem, da hat man dann halt einfach “minus 100 Kilogramm” die man in die Gleichung einsetzt; das funktioniert rechnerisch genau so gut wie “plus 100 Kilogramm”. Aber in der Realität hat niemand auch nur den Ansatz einer Ahnung was Materie mit negativer Masse sein soll, wie sie entstehen sollte und wo man sie finden könnte. Oder, um Dejan Stojkovic zu zitieren: “Um ein wirklich großes, stabiles Wurmloch offen zu halten, braucht es in Wahrheit wohl so etwas wie Magie.” ... mehr

Leut|nant  〈m. 6 od. (selten) m. 1〉 1 unterster Rang des Offiziers 2 Offizier in diesem Rang ... mehr

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