Physik: Fliegen mit Muskelkraft

Nicht gerade wie Ikarus und Dädalus, aber zumindest völlig ohne Motorkraft versuchen US-Studenten die Schwerkraft zu überwinden. Mit einem riesigen Helikopter ist es ihnen tatsächlich gelungen.

Wieder tickt das Metronom. Streng, mit hartem Hall. Ansonsten ist kein Laut zu vernehmen in der riesigen Sporthalle. Alle schweigen, jeder hofft, dass Judy ihren Rhythmus findet. Die kleine, zähe Biologiestudentin mit den kräftigen Waden zerrt an den beiden Handkurbeln und presst all ihre Kraft auf zwei Pedale.

Video: University of Maryland

Die Fahrradkette ächzt, aber diesmal reißt sie nicht. Leise beginnen die vier Rotoren zu summen, die Judy Wexler über gelbe Angelschnüre antreibt. Ein zarter Wind streicht über das Parkett, immer lauter knirscht das ausladende Gestell, ein schrecklich zerbrechlicher, herrlich nutzloser Quadrocopter, dessen vier Krakenarme inzwischen wild tanzen - und sich, siehe da!, nun für ein, für zwei, für drei, ja für vier Sekunden in die Luft erheben. Es ist geschafft!

Schrilles Geschrei erfüllt die Sporthalle der Universität Maryland, als wäre das eigene Volleyballteam gerade amerikanischer Meister geworden. "We did it", brüllt Graham, ein rotbärtiger Student aus Simbabwe. Er rennt zur Saalmitte. Zu Judy der Pilotin, die nach Luft schnappt in ihrem so genannten Cockpit, einer aus Karbonstangen und Schaumstoff zusammengestückelten Sitzschale.

Erschöpft wehrt sie die Glückwünsche ab: "Es ist euer Werk, ihr habt es vollbracht!" Das ruft sie auch Will zu, dem untersetzen Krauskopf und Schlauberger, der immer wieder nervt mit seinem hektischen Gequassel, den sie aber alle mögen: weil er nie aufgibt, weil er immer noch eine Idee ausbrütet, wie man diesen Leichtgewicht-Helikopter wohl zum Fliegen bringen kann.

Zweieinhalb Jahre haben sie getüftelt an dem Projekt Gamera. Mit dem Namen - entliehen von einer Kult-Schildkröte, die einst in Horrorfilmen Japan verteidigte - wollten die 50 Studenten der Universität von Maryland ihre Kommilitonen ehren, die vor knapp 20 Jahren ähnliches versucht hatten: Studenten der japanischen Nihon Universität brachten 1994 Yuri I etwa 19 Sekunden lang in 20 Zentimeter Höhe.

Dieser Flug ist bis heute Maßstab aller Muskelkraft-Helikopter, wenn es darum geht, ein von Menschen angetriebenes Fluggerät senkrecht in die Luft zu erheben. Die Regeln sind hart, so darf beispielsweise keine Energie an Bord gespeichert werden, etwa durch eine gespannte Triebfeder.

Erhoffter Lohn für diese Mühe ist der Sikorski-Preis, benannt nach dem Flugpionier und Hubschrauber-Miterfinder Igor Sikorski. Ehre und 250.000 Dollar gibt es für den Erbauer eines Fluggeräts, das eine geschlagene Minute lang schwebt und dabei zwischendurch eine Flughöhe von mindestens drei Metern erreicht.

Den Studenten in Maryland wird zugetraut, was in Jahrzehnten der Fliegerei noch niemandem gelang. Ihre Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik hat weltweites Renommee, und ihr "Rotorcraft Center" produziert Absolventen, die Konzerne wie Boeing, Agusta oder Eurocopter gern rekrutieren. Inderjit Chopra heißt der stille, stets lächelnde Professor, der den Rekordversuch seiner Studenten von der Seitenlinie aus betrachtet.

Dort steht der 60-jährige Inder, meist mit den Händen auf dem Rücken, aber mit leisem Rat präsent. Neun von zehn seiner Kollegen hätten ihm geraten, die Finger von dem Flugversuch zu lassen. Wieder lächelt er: "Ich weiß, dass wir es schaffen. Wir werden abheben."

Chopra war auch noch davon überzeugt, als die Flugversuche in der Sporthalle schon den fünften Tag andauerten und noch niemand wusste, wie alles ausgehen würde. Gamera war mit Computern simuliert und mit Elektrowaagen austariert worden. Jetzt ging es für das Gestell, das eher aussieht wie eine x-förmige, fragile Spinne, ans Fliegen. "Was nun passiert, wissen wir nicht", warnte ein Professor die Zuschauer, "falls das Fluggerät auf sie zutreibt, fliehen sie bitte durch die Tür nach draußen."

Im Herzen Gameras, wo das Gerüst aus dünnen, verästelten Karbonrohren sich kreuzt, sitzt der Pilot, und an vier neun Meter langen Armen hängen knapp über dem Boden die Rotoren. In dieser Position nutzen sie das aerodynamische Prinzip des "Grundeffekts", der Flügeln aller Art in der Bodennähe mehr Auftriebskraft verleiht.

Alles wirkt improvisiert, und ist doch genau auf Gramm und Zentimeter berechnet. Die Vorderseiten der Rotoren sind aus Schaumstoff gefertigt, in dem auch Fernseher verpackt werden. Und die breite, 6,5 Meter lange Bespannung ist aus Zellophan-Folie, wie es sie in fast jeder Küche gibt. Es regiert ein Prinzip: Maximale Leistung bei minimalem Gewicht.

Diese Bedingung erfüllt auch die Pilotin Judy Wexler. Unter 75 Kandidaten wurde sie ausgewählt. Gerade mal 50 Kilo wiegt die 24-Jährige, die sich neben dem Studium als Radprofi versucht. Sie ist der Typ Bergfloh - und seit Monaten trainiert sie für den hoffentlich erhebenden Sprint im Cockpit. Die meiste Kraft kommt aus ihren Beinen, aber ein Zehntel auch aus ihren Armen. Angst vorm Absturz hat sie nicht: "Jedes Radrennen ist doch gefährlicher."

50 Kilo Mensch plus 45 Kilo Gerät - das macht 95 Kilogramm Gesamtlast, die von den vier Rotoren angehoben werden müssen. 24 Kilo Schubkraft pro Rotor würden reichen. Daran hat die Studentengruppe gearbeitet, zum Beispiel Graham Bowen-Davies. Den 26-jährigen Doktoranden umfängt ein Hauch von Tramp. Er wirkt cool, spricht verbindlich. Studenten wie Bowen-Davies sind privilegiert, ein Stipendium deckt Studiengebühren, Verpflegung und Unterkunft plus 30000 Dollar Jahreslohn. Forschung zahlt sich aus, die Luftfahrt-Industrie subventioniert gern.

Bei Gamera, so erzählt der Lockenkopf aus Zimbabwe, sei er leidenschaftlich dabei, weil sein Studium sonst meist am Computer stattfinde - mit virtuellen Tests und Simulationen am Bildschirm. Dies hingegen ist Handwerk, mit schwarzem Karbonstaub unter den Nägeln und Super-Klebstoff an den Fingerkuppen. "Und doch ist es Wissenschaft", sagt er und lacht, "wir probieren etwas - und entdecken." Ein Abenteuer. Über 300.000 Dollar hat Gamera bisher verschlungen, mehr als der so ferne Sikorski-Preis je einbringen könnte.

Graham ist der Stratege. Einer, der in der Nacht vor dem entscheidenden Flugversuch ein neues, besseres Tretlager für Judy Wexler baut, weil er irgendwie ahnt, dass die alte Konstruktion nicht halten wird. Und tatsächlich, drei Stunden vor dem entscheidenden Flugversuch reißt ein Flansch am alten Gamera-Antrieb. Die Zeit drängt, draußen vor der Tür steht schon der gelbe Lastwagen, in dem die Aerospace-Studenten bis Mitternacht alle Gamera-Teile verstauen müssen, weil die Univerwaltung die Sporthalle zurückverlangt.

Aber Graham hat sich vermessen, um ein paar Millimeter. Sein Tretlager passt nicht. Also ist Will Staruk an der Reihe, der Tüftler, die Nervensäge. Sechs der letzten sieben Nächte hat der 22-Jährige wenig, die letze Nacht gar nicht geschlafen. Weshalb er sich am Morgen danach zum ersten Mal im Jahr 2011 in der Uni-Mensa einen Kaffee bestellt hat, "sehr groß und sehr schwarz, bitte".

Ein über Nacht gefertigter Spannmechanismus verhindert, dass die Kette wieder und wieder vom Zahnkranz springt. Wills Werk, vollbracht mit zwei Freunden aus dem Fachbereich Maschinenbau. Die Zeit drängt, die letzten Flugversuche folgen schnell aufeinander.

Ein erster Anlauf scheitert, weil Judys Eltern zu früh klatschen - und sie glaubte, sie sei schon abgehoben. Der nächste Test scheint gelungen zu sein, für drei Sekunden sahen alle Beobachter Judy in der Luft. Aber der Videobeweis scheitert, eine der vier Kameras filmte unscharf. "Nicht schlüssig" nennt der Gutachter vom Nationalen Flugverband die Beweislage nach 90 Minuten Analyse.

Will und Graham haben die Pause genutzt, um das neue Tretlager einzubauen. Und um den Ständer unter Judys Cockpit abzusägen, das erleichtert Gamera um 300 Gramm. Beide wissen, dies ist die letzte Chance. Graham hat vorher schon Bilanz gezogen: "Die Struktur hält, die Rotoren funktionieren, zu 90 Prozent ist es perfekt." Selbst wenn die verdammte Kröte nicht abhebe, sie würden weitermachen. In den Sommerferien und sowieso im nächsten Semester. Sikorski lockt.

Dann ist alles gut gegangen. Offiziell sind sie sogar Weltmeister im menschen-getriebenen Helikopterflug, weil die Japaner 1994 ihren Sieg über die Schwerkraft nicht registrieren ließen. Aber das ist Kleinkram für Juristen. Drei Meter Höhe sind zu erreichen. Will und Graham basteln weiter. Und Judy trainiert.

Das vollständige Video finden Sie hier.