Naturforschung Flir-Wärmebildtechnik deckt zarte Geheimnisse schonend auf

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Wärmebildtechnik enthüllt Vorgänge im Schmetterlingsflügel.

Es hat sich herausgestellt, dass Schmetterlinge nicht nur im Sonnenlicht auffällig sind sondern auch im infraroten Lichtspektrum. Laut einer in Nature veröffentlichten Studie von Forschern der Columbia Engineering und der Harvard University ist es nun möglich, die thermodynamischen Eigenschaften von Schmetterlingsflügeln und die Bedeutung der Strahlungskühlung für die Insekten zu untersuchen, die diese zarten Strukturen am Flattern hält.

Die Forscher wollten herausfinden, wie die kleinen Tiere darauf programmiert sind, extreme Hitze zu überleben.

Die neueste Studie geht der Frage nach, wie es kleinen Insekten gelingt, sich abzukühlen. Schmetterlingsflügel etwa sind mit mechanischen Sensoren ausgestattet, um eine Überhitzung zu erkennen und ihre Flügelschuppen enthalten Nanostrukturen, um die Abstrahlungskühlung zu unterstützen. Doch außer dem biologischen Interesse an diesen Erkenntnissen ist man der Ansicht, dass die Ergebnisse das Design hitzebeständiger Nanostrukturen und wärmeerfassender Flugzeuge inspirieren können.

Komplexe Flügelstrukturen wie im Röntgenbild

Nanfang Yu, außerordentlicher Professor für angewandte Physik an der Columbia University, beschreibt, warum die Wärmebildgebung eine wichtige Rolle bei der Studie spielte:

„Das ist einfach die schonende, weil nicht-invasive Art der Temperaturmessung.“ In der Studie identifizierte das Team so die komplexen lebenden Strukturen in den Schmetterlingsflügeln, die bei der Wärmeregulierung behilflich sind. Mit einer Wärmebildkamera wie der FLIR T865 sieht man im Wesentlichen das Skelett des Schmetterlings. Es sei fast wie ein Röntgenbild – man sieht das Gerüst, die Flügeladern, die Membran et cetera – ja, den gesamten Querschnitt des Flügelmaterials. In der Thermografie verschwinden zwar die leuchtenden Farben und Muster eines Schmetterlingsflügels, doch was man stattdessen erhält, ist die grundlegende Struktur des Flügels selbst.

Frühere Studien von Schmetterlingsflügeln wurden durch die Verwendung von Geräten wie Thermoelementen zur Temperaturmessung eingeschränkt. Selbst die kleinsten Sonden sind im Vergleich zur Dicke eines Schmetterlingsflügels sehr groß, und der Messvorgang kann die lokale Temperatur beeinflussen, erklären die Forscher rückblickend. Weitere Ungenauigkeiten könnten auftreten, weil die Messungen nur punktuell erfolgten.

Mit der Wärmebildtechnik kann man die gesamte Temperaturverteilung messen und kartieren, führt Yu weiter aus. Sein Team hat es dabei geschafft, die Temperaturunterschiede zwischen den Flügeladern, der Membran und anderen Strukturen wie den Duftpolstern (scent pads, siehe Bild 2) zu beobachten und zu messen. Sie fanden heraus, dass die Bereiche der Schmetterlingsflügel, die lebende Zellen enthalten (Flügeladern), eine höhere Wärmeabstrahlung haben als die quasi leblosen Bereiche des Flügels (die Membran).

Diese bildgebende Technik ermöglicht es also, physikalische Anpassungen zu untersuchen, die das sichtbare Erscheinungsbild des Flügels von seinen thermodynamischen Eigenschaften entkoppeln. Die Forscher haben dabei entdeckt, dass unterschiedlich große Nanostrukturen und ungleichmäßige Kutikeldicken eine die Strahlungskühlung (Wärmeableitung durch Wärmestrahlung) heterogen verteilen, die die Temperatur von lebenden Strukturen wie Flügeladern und Duftpolstern selektiv reduziert.

Trotz Wärmebildkamera gilt es aufzupassen!

Die Messung der Temperatur von Schmetterlingsflügeln mit Wärmebildkameras sei nicht unproblematisch, denn im Falle des Schmetterlingsflügels erhalte man zwar einen Temperaturwert, dürfe sich auf diesen aber nicht verlassen. Der Schmetterlingsflügel ist im infraroten Spektrum nämlich halbtransparent. „Wenn man also einen Schmetterlingsflügel mit einer Wärmebildkamera betrachtet, empfängt man nicht nur die Wärmestrahlung des Flügels selbst, sondern auch die Wärmestrahlung, die vom Hintergrund hinter dem Flügel ausgeht“, betont Yu.

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