Vliegen als een vogel

Het is al jaren de hobby van William Thielicke: vliegen met ‘micro air vehicles’ (MAVs), zoals kleine helikopter-achtige vliegtuigjes die hij zelf ontwerpt en bouwt. En op 31 oktober verdedigt hij aan de RUG een proefschrift dat gaat over het geheim van de vogelvleugel. Want vogels kunnen iets bijzonders: dankzij hun vleugels zijn ze in staat om zeer efficiënt te vliegen bij hoge snelheden, maar ook om bijna stil te hangen in de lucht met de manoeuvreerbaarheid van een insect.

De ‘hexacopter’ met zijn zes rotors lijkt een beetje op een grote zwarte kever. In de volgende scene van het YouTube filmpje is gras te zien vanuit een ‘keverperspectief’. Dan stijgt de camera op om de kijker mee te nemen in een achtbaanrit door een park. Helemaal aan het begin passeert de camera een man met een videobril op. Dat is William Thielicke die zijn GEMiNi hexacopter bestuurt. De beelden van een camera op de vliegende kever worden real-time doorgestuurd naar de videobril zodat Thielicke de vlucht soepeltjes kan controleren.

Met zijn multikopters vliegt hij door parken en gebouwen. Hij deed mee aan talloze MAV wedstrijden en races en heeft daarmee een indrukwekkend aantal prijzen gewonnen. Het lijkt een merkwaardige hobby voor een bioloog – maar dat is niet zo, legt Thielicke uit. ‘Ik ben al heel lang geïnteresseerd in biomimetica, de wetenschap die inspiratie uit de natuur gebruikt om technologische problemen op te lossen.’

Als student aan de Humboldt Universiteit in Berlijn en de Technische Universiteit Darmstadt bouwde hij al een robotvis en zijn ‘Diploma thesis’ (waarvoor het werk deels aan de Rijksuniversiteit Groningen is gedaan) ging al over vogelvliegkunst. ‘We wilden uitzoeken waarom vogels zo ongelooflijk goed kunnen vliegen en hoe ze dat efficiënt doen bij hoge snelheid, maar ook waarom ze zo goed kunnen manoeuvreren bij lage snelheden.’ Deze vraag vormde vervolgens de basis voor zijn promotieonderzoek aan de RUG en het Biomimetics Innovation Centre van de hogeschool Bremen.

‘Wetenschappers weten inmiddels al behoorlijk goed waarom vogels efficiënt vliegen bij hoge snelheden’, legt Thielicke uit. Hier is veel onderzoek naar gedaan. Daaruit blijkt dat een vogelvleugel dezelfde aerodynamische principes gebruikt als een standaard vliegtuigvleugel. Het verschil in snelheid waarmee de lucht boven en onder de vleugel langs stroomt zorgt voor lage druk boven de vleugel en dat levert ‘lift’ op.

‘Maar naar de langzame vlucht, waarbij vogels soms bijna stilstaan in de lucht, is veel minder onderzoek gedaan. Tijdens het onderzoek voor mijn Diploma thesis bleek al dat langzaam vliegende vogels dezelfde aerodynamische principes gebruiken als insecten.’ Tijdens de neerwaartse vleugelslag ontstaan wervelingen boven de voorkant van de vleugel, de ‘leading edge vortices’ (LEVs). Die zorgen voor de extra ‘lift’ die nodig is om stil te kunnen hangen in de lucht.

Thielicke gebruikte een vereenvoudigd model van een vogelvleugel om de aerodynamica van de langzame vlucht te analyseren in wind- en watertunnels. En er werd een speciaal systeem ontwikkeld dat 3D beelden maakt van de luchtstromingen rond een klapwiekende modelvleugel. ‘We konden aantonen dat het vleugeldeel het dichtst bij de schouder werkt als een gewone vliegtuigvleugel. Maar richting het uiteinde, waar de vleugel dunner is, ontstaan tijdens langzame vlucht LEVs.’ Vogels kunnen naar believen ‘schakelen’ tussen de verschillende vleugelsecties. Dat gebeurt vooral door aanpassing van de hoek van de vleugelslag en de vorm van de verschillende vleugelsecties.

In zijn proefschrift combineert Thielicke zijn onderzoeksresultaten en zijn ervaring als bouwer van MAVs om een klapwiekende vliegende robot te ontwerpen met vleugels gebaseerd op die van een zwaluw. Een mechanische vogel zou een ideale drone zijn voor reddingsmissies. ‘De uitdaging van zo’n missie is om snel en efficiënt naar de plek des onheil te vliegen om daar vervolgens nauwkeurig te zoeken naar slachtoffers.’

Een kleine helikopter kan prima een kamer doorzoeken maar is niet erg efficiënt bij de lange vlucht naar het zoekgebied. En een vliegtuigje met vaste vleugels legt gemakkelijk grote afstanden af, maar heeft niet de manoeuvreerbaarheid om een gebouw te doorzoeken.’ Een klapwiekende MAV zou de voordelen van beide combineren.’ Dus, jeuken zijn vingers al om zoiets te gaan bouwen? Hij lacht: ‘Natuurlijk, maar dat zou nog een heleboel ontwikkelwerk vragen en veel geld kosten.’

Thielicke heeft overigens al enige ervaring met reddingsmissies: hij won onlangs de tweede prijs in een internationale wedstrijd op dit terrein die door de TU Delft is georganiseerd. ‘De wedstrijd vond plaats in een oefendorp van Defensie. Binnen dertig minuten moest iedere deelnemer enkele huisnummers identificeren, door huizen heenvliegen, verschillende objecten lokaliseren, op het dak landen en nog wat andere dingen. Dat was behoorlijk uitdagend, en extra lastig omdat er die dag een stevige wind stond.’

Na het afronden van zijn promotieonderzoek is Thielicke wat anders gaan doen: hij werkt nu bij het elektronicabedrijf TobyRich als ontwerper van MAVs. ‘Ik vond het belangrijk om eens in de ‘echte wereld’ te werken waar ik mijn kennis kan toepassen.’ Een van zijn eerdere ontwerpen was al in licentie genomen door een Zwitsers bedrijf. Daarmee komen de dagen waarin hij al zijn werk via het open source model verrichte aan hun einde. ‘Toen ik in 2007 begon met het ontwerpen van MAVs was er een levendige gemeenschap van enthousiastelingen die allemaal samenwerkten. Maar nu je allerlei MAVs kant en klaar in de winkel kunt kopen en je er geld mee kunt verdienen is alles wat veranderd.’ Maar iedereen die zelf een hexakopter wil bouwen kan daarvoor nog steeds terecht op de website van Thielicke!

TIP: Interessante vragen rond drones' voor een profielwerkstuk vind je bij het Bètasteunpunt.