Ariane Gayout | natuurkundige Hoe werkt de aerodynamica van vlindervleugels? Paraboolvluchten met een vliegtuig leveren verrassende inzichten op.
Ariane Gayout bestudeert de aerodynamica van vlindervleugels. „Om insectenvleugels beter te begrijpen is het óók belangrijk om de grenzen op te zoeken.”
Op het bureau van natuurkundige Ariane Gayout (28) ligt, naast een kom zelfgeplukte bramen, een embleem dat zo afkomstig lijkt van een astronautenpak. Flight Observation of Butterflies Under Space-like Gravity staat erop. „Ik wilde graag een logo met een knipoog naar de ruimtevaart. Want al waren de vlinders en ik niet écht in de ruimte, zo voelde het wel.”
93 paraboolmanoeuvres maakte haar onderzoeksteam tijdens drie vluchten aan boord van de Airbus A310 Zero-G. Steeds werden de onderzoekers vergezeld door twaalf vlinders, die samen met hen tijdelijk gewichtloos waren én versnellingen tot 2G ondergingen, tweemaal de zwaartekracht op aarde. „Zij konden er beter tegen dan ik…”
Een natuurkundige die vlinders onderzoekt: het klinkt verrassend. Maar Gayout is al haar hele leven gefascineerd door dieren én formules. „Als kind in Frankrijk verzamelde ik vogelveren. Tegelijkertijd was ik geobsedeerd door getallen. Ingewikkelde problemen kunnen oplossen met alleen maar cijfers, dat vond ik magisch.” Na haar middelbare school volgde ze een verdiepingstraject wis- en natuurkunde en deed toen onderzoek naar de aerodynamica van vogelveren. „Die praktische kant trok me – ik had het idee dat ik zo meer zou kunnen bijdragen aan de wetenschap dan als wiskundige achter mijn bureau.”
Ze promoveerde in Lyon en kwam in 2024 met een Veni-beurs van onderzoeksfinancier NWO bij de Rijksuniversiteit Groningen terecht, waar ze onderzoekt hoe vliegende insecten zich aanpassen aan turbulentie. „Vanuit de biomimetica, het vakgebied op de grens van biologie en technologie, is er veel interesse in de aerodynamica van vlindervleugels.”
Veel drones bijvoorbeeld bootsen in meer of mindere mate insecten na – de term is afkomstig van het Engelse woord voor mannetjesbij. „Wie weet kunnen er op basis van onze resultaten uiteindelijk betere drones worden ontwikkeld.”
„Bij het Europese ruimtevaartprogramma ESA hadden ze een wedstrijd, Fly your thesis, waarbij studenten hun experimenten konden uitvoeren onder gewichtloosheid. Ik was toen net met insecten en turbulentie bezig en ook al werd ik niet geselecteerd, het idee liet me niet los. Om insectenvleugels beter te begrijpen is het óók belangrijk om de grenzen op te zoeken. Zijn er bepaalde vliegpatronen die ze in theorie wel kúnnen maken ook al hebben we ze nog nooit gezien?
„ Uiteindelijk konden mijn collega’s en ik terecht bij het Franse ruimtevaartprogramma, die twee keer per jaar vluchten uitvoeren in de ZeroG. Dit voorjaar mochten we mee.”
„Eerst klimt het vliegtuig steil omhoog om daarna met een duikvlucht weer naar beneden te gaan. In dat beginstukje en aan het eind wordt je lichaam dus als het ware extra zwaar, je ondergaat tweemaal de gewone zwaartekracht, terwijl je op het keerpunt in een vrije val terechtkomt en gewichtloosheid ervaart. Vergelijk het met een achtbaanrit maar dan langer en intenser. Voor het eerst in mijn leven kon ik ervaren dat zwaartekracht echt een veldkracht is, een kracht die op je hele lichaam werkt. Normaal, als we struikelen bijvoorbeeld, dan voelt het meer als een puntkracht: je raakt uit balans en valt. Maar dit was zo overweldigend, alsof ik bedekt werd door een heel zware deken. In totaal hadden we drie sessies van 31 vluchten en tussen elke vlucht moesten we vlinders wisselen – we hadden er twaalf aan boord maar er vloog er steeds maar eentje. Gelukkig kon mijn collega dat doen, want ik voelde me te misselijk om echt veel te doen.”
„Nee, we hadden een ruime kooi die we filmden met een hogesnelheidscamera. Na vijf paraboolvluchten wisselden we van vlinder, anders werden ze te moe.”
Ze laat opgezette exemplaren zien van soorten die meevlogen: de zwart-witte zebravlinder Heliconius charitonia en de glasvleugelvlinder Greta oto. „We kozen voor tropische soorten die het gewend zijn om korte afstanden te vliegen, in het dichtbegroeide regenwoud. Je hebt niet veel plek, dus dan heb je weinig aan sterke soorten die met enkele vleugelbewegingen al een halve meter verder zijn.”
„Veel beter zelfs. We zagen sommige vlinders bewegingen maken die ze op aarde nooit maken. Loopings bijvoorbeeld, en lange zweefvluchten. Vanuit natuurkundig opzicht is het geweldig om te zien dat ze daartoe in staat zijn. Ook bleek dat de frequentie van hun vleugelslag verandert. We wisten al wel dat insecten ‘suboptimaal’ vlieggedrag vertonen, dat ze altijd nog een beetje extra energie en snelheid achterhouden voor als ze bijvoorbeeld plotseling moeten vluchten. En we wisten ook dat de vleugelfrequentie kon veranderen tijdens paringsvluchten. Maar nu deden ze dingen die we nooit eerder zagen. De volgende keer willen we de situatie natuurgetrouwer maken met een kunstmatige horizon. Het zou kunnen dat ze hun gedrag daarop aanpassen. Ook willen we de luchtwervelingen, de vortices, in beeld brengen zodat we de interactie met de vleugels beter kunnen analyseren.”
„Ja, in september al. Dit keer wil ik blijven staan tijdens het opstijgen en naar buiten kijken, hopelijk word ik dan minder misselijk. Het is te hopen dat de vlinders op tijd binnen zijn. We laten ze hier op de universiteit dan acclimatiseren in een speciale klimaatkamer, met de juiste temperatuur en luchtvochtigheid, en geven ze bietensap. Daarop kunnen ze maanden overleven.”
„Vergeleken met andere insecten vliegen ze trager, hun vleugelslag is vergelijkbaar met die van vogels. Daardoor zijn ze makkelijker te filmen. Maar het lijkt me ook geweldig om met libellen te werken, die vliegen weer op een heel andere manier: ze kunnen elke vleugel afzonderlijk bewegen en midden in de lucht stilhangen. Van vlinders weten we dat ze zwaartekracht en versnelling kunnen waarnemen, met hun antennes, maar van libellen weten we dat niet. Ze zijn wel lastiger in het onderhoud, omdat ze muggen eten – die moet je dan ook kweken.”
„Ik heb hier nog rubbereendjes waarmee ik watergerelateerd onderzoek wil doen. Met echte vogels heb ik ook gewerkt maar dat is zoveel duurder en gecompliceerder… Mijn verencollectie heb ik nog wel, al moet ik ’m eens op orde brengen. Ik heb veel te veel ganzen- en duivenveren.”
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC