Vliegen als een vogel: de ornithopter

In het dierenrijk kunnen we verschillende varianten vinden van menselijke vliegtuigen. De condor als zweefvliegtuig en de kolibri als helikopter. Parachutisten doen niet anders dan paardebloemzaadjes. Maar waarom zijn er geen vliegtuigen die vliegen als een vogel?

In een gesprek met mijn lief stelde zij een vraag waar ik over bleef doordenken. Wij mensen hebben een groot aantal typen vliegtuigen ontwikkeld. De bekendste, en meest praktische, zijn het propellor- en straalvliegtuig (die afgezien van de motor niet verschillen), het zweefvliegtuig en de helicopter.

In het dierenrijk bestaat er geen equivalent van de ballon, vermoedelijk omdat een ballonwezen kansloos is tegen roofvogels en een speelbal is van de wind. Inderdaad is nu ook bij de mens de ballonvaart alleen voor hobbyisten of voor zeer zware vracht nog interessant.
Interessant is de vraag, waarom er in de natuur geen dieren zijn met statische vleugels, zoals vliegtuigen, maar wél met beweegbare vleugels. Het antwoord: deze zijn energiezuiniger dan die van vliegtuigen en voor een dier is energiozuinigheid van levensbelang. Kortom: het zou wel eens slim kunnen zijn, ook onze vliegtuigen te laten vliegen als een vogel.

Hoe functioneert een ornithopter?
Een ornithopter beweegt zich niet voort door een propellor of straalmotor, maar door klapwiekende vleugels.
De droom te vliegen als een vogel is al duizenden jaren oud. Denk aan de Griekse legende van de uitvinder Ikaros, die te dicht bij de zon kwam waardoor de was van zijn vleugels smolt.

Leonardo da Vinci dacht al na over een ornithopter, maar stelde terecht vast dat een mens te zwaar is om als een vogel te vliegen. Ook de Duitse luchtvaartpionier Otto Lilienthal probeerde als een vogel te vliegen, maar viel na enige geslaagde zweefvluchten te pletter.
Een andere Duitser, Schmidt, slaagde er in 1942 als eerste mens in om een werkende ornithopter te bouwen.
Nu weten we dat een getrainde atleet in staat is met een vliegfiets het Kanaal over te vliegen, een afstand van ongeveer dertig kilometer.

Real life ornithopters
Nu zijn de technische mogelijkheden veel groter dan twee eeuwen terug, in de tijd van de ongelukkige Lilienthal. Sterke elektromotoren van rond een kilogram kunnen rond de 8400 watt leveren, meer dan twintig maal het vermogen dat een mens gedurende langere tijd kan leveren en veel sterker (max. 800 watt per kg, gedurende korte tijd[1]; zie diagrammen) dan de sterkste vliegende vogel. Met wat hulpmotoren is het dus zeer goed mogelijk dat een mens kan vliegen ale een vogel. Om een zwaar batterijenpak te voorkomen, zou je dan de klapvleugels moeten voorzien van membraan zonnepanelen. Als een mens een vleugeloppervlak van ongeveer 10 vierkante meter zou hebben, wat overigens ook nodig is om in de lucht te blijven, zou dit bij Nederlandse zonlichtintensiteiten een vermogen van rond de 500 watt leveren. Dit vermogen komt dan in enkele krachtsexplosies vrij, of, misschien, door beurtelings paren vleugels aan te drijven. Ongeveer zoals een borstelworm zwemt. Wellicht zou je dit kunnen oplossen met een vliegwiel, dat door de motoren opgeladen wordt en dat in zeer korte tijd de opgeslagen energie vrijgeeft aan de vleugels. Of, zoals in de natuur, dat kunstmatige spieren langzaam worden aangespannen. Zoals in de animatie te zien is, beweegt het lichaam van de vogel nauwelijks, terwijl de vleugels flink wapperen. Een vogelvlucht als mens, of tochtje met een ornithopter-verkeersvliegtuig zou dus vermoedelijk redelijk comfortabel zijn.

Bestaande prototypes van ornithopters werken op standaard fossiele brandstofmotoren.

Bronnen
1. G.N Askew en D.J Ellerby, The mechanical power requirements of avian flight, Royal; Society Biology Letters, DOI: 10.1098/rsbl.2007.0182, 2007