"Wir versuchen zu verstehen, wie Vogelflügel funktionieren," sagt Ken Dial. Als Wissenschaftler an der Universität von Montana studiert Dial den Vogelflug, und er weiß mehr als die meisten über den natürlichen Flug. Mit seiner eigenen Cessna 210 und Berufspilotenlizenz mit Instrumenten- und Multiengine-Berechtigung weiß er auch einiges über den unnatürlichen Flug. Als Pilot und Wissenschaftler kann er würdigen, wozu Mutter Natur fähig ist.

Mit kindlicher Begeisterung, einer Eigenschaft, die er mit großem Stolz besitzt, deckt Dial die Geheimnisse hinter der leistungsfähigsten Form der Fortbewegung in der Natur auf: dem Flug. Mit einem speziellen Windtunnel und neuesten Hochtechnologiewerkzeugen führt Dial's Arbeit zu neuem Verständnis des Vogelflugs. Seine Kenntnisse erwärmen nicht nur die Herzen der Leute von Audubon, sondern erreichen auch die Augen und Ohren der Wissenschaftler bei der NASA und der Mitglieder der Gesellschaft der experimentellen Testpiloten.

"Sie sind komplex," sagt Dial über die gefiederten Flieger. "Nicht so einfach wie ein Flugzeug, wo man den Schub und die Auftriebsbestandteile in zwei unterschiedliche Strukturen aufteilen kann. Wo man einen Propeller hat, der Schub erzeugt und dem Widerstand entgegenwirkt, und den Flügel, der das Flugzeug anhebt und der Schwerkraft entgegenwirkt, erreicht der Vogel mit seinen Flügeln beides gleichzeitig. In gewisser Weise sind Vögel einem Hubschrauber ähnlicher, ausgenommen ihre Manövrierbarkeit, die atemberaubend ist."

Vermutlich seit Anfang der Zeit -- wobei Zeit durch das menschliche Bewusstsein von ihr definiert wird -- hat der Mensch den Vögeln nachgestarrt und Inspiration gefunden. Einige der ersten Testpiloten der Welt, Otto Lilienthal und die Brüder Wright, zweifellos. In ihren Schriften notierten die Brüder Wright scharfe Beobachtungen des Vogelfluges in der Hoffnung, dadurch Erkenntnisse bei ihrer Suche zu gewinnen. Andere versuchten, ihr Flugzeug den Experten der Natur nachzubilden, aber zu versuchen, den Vogelflug zu kopieren, war jenseits der technischen Möglichkeiten jener Zeit, und solche Versuche verzögerten eigentlich die Entwicklung der Luftfahrt. Die Brüder Wright gehörten zu den ersten, die feststellten, wie sinnlos solche Bemühungen waren, und nach 1903 fingen die Flugzeugbauer an zu ignorieren, was man von den Vögeln lernen könnte. Einige Leute, wie Dial, denken, dass es an der Zeit ist, diese Haltung zu ändern.

Es ist interessant anzumerken, dass das erste motorgetriebene Flugzeug so aerodynamisch instabil war, dass es fast unmöglich war, damit zu fliegen. Heute, auf der Basis von 100 Jahren Erfahrung und Wissen, haben wir Flugzeuge, die sogar noch weniger stabil sind. Flugzeuge wie die F-117 Nighthawk sind so verzwickt, dass sie ohne Computer zur Steuerung in Sekunden zerbrechen würden. Beobachtet man Falken beim Gleitflug in Thermik, ist es naheliegend, an Vögel als Musterbeispiel für stabilen Flug zu denken. Aber selbst der eleganteste Vogel ist "von Grund auf instabil," sagt Dial. "Wenn Sie einen Vogel schießen, gleitet er nicht zu Boden. Es taumelt, weil Sie sein Computer-System, die Kontrolle des Nervensystems, ausgeschaltet haben."

Ein Grund dafür, dass Flugzeuge mit zunehmendem Grad von Instabilität entworfen worden sind, ist der Wunsch nach besserer Flugleistung. Wenn Vögel irgendeinen Hinweis darauf bieten, sind die Designer auf dem richtigen Weg. "Die reine Kunstflug-Fähigkeit der Vögel übersteigt weit die der fortschrittlichsten Flugzeuge," sagt Dial. Stallschwalben haben Rollraten von über 5.000 Grad pro Sekunde gezeigt. Während die meisten Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt auf 4 oder 5 Gs begrenzt sind, erreichen Insekt fressende Vögel 10 bis 14 Gs, und sie tun es täglich hundertfach! Hinsichtlich Geschwindigkeit betrachten wir zuerst uns selbst. Die besten menschlichen Athleten laufen mit einer Rate, die dem bis zu Drei- bis Vierfachen ihrer Körperlänge pro Sekunde entspricht. In der gleichen Zeit kann ein Leopard 18 Körperlängen erreichen. Das schnellste bekannte Flugzeug, die Lockheed SR-71, schafft ungefähr 32. Im Gegensatz dazu übertrifft ein europäischer Star alle mit 120. Hinsichtlich Reichweite sind Vögel bekannt, die nonstop von Alaska zur Fuji-Insel fliegen, eine Reise von 4,000 Meilen über das offene Meer. Was Höhe anbetrifft, bei 30.000 Fuß, wo die Luft so dünn ist, dass ein Pilot ohne zusätzlichen Sauerstoff nicht überlebt, flattert die Stab-Gans weiter über den Mount Everest hinweg.

Für zehn Tausende Jahre hatte der Mensch nur seine Augen, um zu verstehen, wie Vögel fliegen. Aber ihre Flügel bewegen sich zu schnell für das nackte Auge, um erkennen zu können, was geschieht. Erst mit der Entwicklung der Bewegungsfotografie wurde es möglich, die komplizierte Natur eines schlagenden Flügels zu erkennen.

Für lange Zeit meinte man, wenn ein Vogel seine Flugrichtung ändern möchte, würde er einen Flügel in den relativen Wind drehen und im Wesentlichen seinen Weg durch eine Drehung fortsetzen. Wenn das zuträfe, würde es bedeuten, dass eine Menge Vorwärtsenergie mit jeder Änderung der Richtung verloren geht. Aber Mutter Natur ist eine geizige alte Dame. Sie hasst alle Verschwendung, besonders wenn es um hohen Energieaufwand geht.

Um die Dreh-Theorie zu prüfen, entwickelte Dial einen Lufthinderniskurs innerhalb seines Labors mit von der Decke herabhängenden Azetat-Vorhängen. Tauben wurden mit Hochgeschwindigkeitsfilm und Videokameras fotografiert, während sie durch den Kurs manövrierten. "Anstelle von Quersteuer, die sie nicht besitzen und die unterschiedliche aerodynamische Kräfte für die Drehung verursachen würden, verdrehen diese Tiere tatsächlich den gesamten Flügel asymmetrisch," sagt Dial.

Die Filme zeigten, dass Vögel den Anstellwinkel des inneren Flügels verringern, indem sie ihn abwärts verdrehen und ihn auf dem außenliegenden Flügel mit einer Aufwärtsdrehung erhöhen. "Junge, würden wir außerordentliche Rollraten erreichen, wenn wir in einer Cessna säßen und das versuchten!" Es ist eine Tatsache, die von der NASA bestätigt wird.

Neue NASA-Tests haben gezeigt, dass die Biegung einer Flügelvorderkante um gerade einmal 1 Grad Rollkräfte hervorruft, die eine Größenordnung wirkungsvoller sind, als eine gleichgroße Ablenkung durch traditionelle Querruder. Wenn die Idee umgesetzt werden kann, denken einige NASA-Ingenieure, dass Querruder eine Sache der Vergangenheit werden könnten und die Flugzeugflügel der Zukunft in gleicher Weise verdreht werden wie bei Vögeln und wie beim Glider (1902) und Flyer (1903) der Brüder Wright.

Im Kurvenflug behält ein Vogel seine Schräglage durch das symmetrische Schlagen bei. Wie beim Flugzeug wird der Horizontalflug mit entgegengesetzten Flügelbewegungen eingeleitet. Aber die Angelegenheit wird komplizierter während einer verlangsamten Kurve, wie bei der Landung oder beim Insektenfang im Flug.

"Da der Flügel eines Vogels gleichzeitig Propeller und Auftriebsfläche ist, erzeugen diese Tiere sehr komplizierte Auslenkungen mit einem komplizierten Flügelprofil," sagt Dial. Während des Fluges verändern Vögel ständig Flügellänge, -spannweite und -anstellwinkel. "Sie ändern ihn [den Flügel] auch so gut wie gar nicht, wenn er nach oben gegen ihren Körper gesaugt wird, wo er zu einer enormen Oberfläche, einem tadellosen, prächtigen, gewölbten Flügel wird."

Bei der Arbeit mit einem speziell angefertigten, batteriebetriebenen Windtunnel hat Dial Hunderte Stunden damit verbracht, besonders ausgebildete Vögel während ihres Fluges im Tunnel zu beobachten. Mit Hochgeschwindigkeits-Video, synchronisiert mit Cineradiographie (Röntgenstrahlfilm), werden Vögel beim Flug unter kontrollierten Bedingungen fotografiert. Video- und Filmkameras benutzen normales Licht, um die sichtbaren Aspekte des Fluges aufzudecken, während Röntgenstrahlfilme gleichzeitig die versteckten Bewegungen der Knochenstruktur aufdecken. Indem man chirurgisch eingepflanzte Markierungen an den verschiedenen Punkten innerhalb des Vogels in Verbindung mit externen Markierungen auf den Gefieder verwendet, werden 3-D Computermodelle entwickelt, um die Fluganalyse zu unterstützen. In Ausleihe von anderen Feldern des Studiums, setzen Dial und seiner Mitarbeiter kleine chirurgisch eingepflanzte Beschleunigungsmesser und Dehnungsmessgeräte ein, um verschiedene Kräfte während des Fluges zu messen. Diese Maßnahmen helfen, die Menge von "Arbeit" oder Pferdestärken festzustellen, die während der unterschiedlichen Phasen des Fluges erforderlich sind.

Matt Bundel, ein Doktorand, der mit Dial zusammenarbeitet, hat sogar Vögel ausgebildet, die im Windtunnel beim Flug kleine helmartige Masken tragen. Die Masken erlauben es Bundel, die Sauerstoffverbrauchsrate und die Menge des produzierten Kohlendioxyds für unterschiedliche Flugprofile zu messen. Mit diesem Wissen kann Bundel für jede Flugphase die Menge des metabolischen Energiebedarfs feststellen. Das ist die Vogelversion des Kraftstoffverbrauchs.

Beobachtungen haben gezeigt, dass viele Vögel nicht ununterbrochen ihre Flügel beim Fliegen schlagen. Um Energie zu sparen, verwenden sie unterschiedliche Arten des Flügelschlags: Gleiten und Springen. Das Gleiten, wie bei Falke und Geier, wird im langsamen Flug verwendet, und der Vogel gleitet kurzzeitig vor Beginn eines anderen Flügelschlagzyklus. Springen tritt mit höheren Fluggeschwindigkeiten auf, meist bei kleineren Vögeln wie denen, die bei einer Fütterstelle vorgefunden werden. Anstatt die Flügel ausgebreitet wie beim Gleiten zu lassen, werden die Flügel kurz gegen den Körper gefaltet, um den Luftwiderstand zu verringern und die Fortbewegung beizubehalten. Eine Studie des springenden Fluges bei Zebrafinken hat gezeigt, dass der Vogelkörper während der kurzen Periode der gefalteten Flügel tatsächlich einen kleinen Auftrieb erzeugt. Während beide Formen des Flügelschlags Energie sparen, ist nur eine begrenzte Anzahl von Vögeln bekannt, die beide Arten verwenden.

Wer würde gedacht haben, dass Vögel unter gegenläufigem Giermoment leiden? Aber Physik kennt keine Grenzen und Vogelschwänze haben sich dementsprechend entwickelt. Bei Mauerseglern, Schwalben und Nachtfalken ist gezeigt worden, dass sie ihre Schwänze dazu benutzen, der Gierung entgegenzuwirken und die Rollkräfte zu erhöhen. Schwänze dienen auch als Luftbremsen und Klappen und können als eine Verlängerung beider Flügel angesehen werden. Und wie Flügel ändern sie radikal Fläche, Wölbung und Winkel, um die Flugkontrolle zu behalten. Sogar während des gleichmäßigen Segelfluges reagieren Vogelschwänze ständig auf Änderungen im Luftstrom und werden verwendet, den Effekten von Turbulenz entgegenzuwirken.

Windtunnel-Studien betrachteten auch den Anstellwinkel des Vogelkörpers bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten. "Er ändert sich tatsächlich," sagt Dial. "Sie ändern ihren Winkel zur einfallenden Luft. ... mit dem Schwanz, dem Körper und dem Flügel, die als ein Gesamtflügelsystem wirken." Während die Geschwindigkeit sich verringert, erhöht sich der Körperwinkel, genau wie ein Flugzeug den Anstellwinkel erhöht, während es verlangsamt. Andererseits verringern Flugzeuge und Vögel den Winkel, während sie sich Höchstgeschwindigkeit nähern.

Frühe Flugzeuge verwendeten eine breite Vielfalt von Materialien für ihre Flügeloberfläche. Es dauerte nicht lange bis zur Entdeckung, dass unbehandeltes Gewebe porös war und zu viel Widerstand erzeugte. Erforderlich war eine glatte Oberfläche, die stark und haltbar ist, was eine gute Definition für Federn ist.

"Diese außerordentlichen Eigenschaften einer Oberfläche, die wir Federn nennen, werden nicht völlig in ihrer Komplexität, ihrer Stärke und ihrer Haltbarkeit anerkannt," sagt Dial. "Und dazu kann man sie zusammenfalten und wegpacken ... mit jedem einzelnen Flügelschlag!" Aber die Erleichterung des Luftstroms ist nicht die einzigen Flugfunktion, die Federn ausführen.

Um kontrollierten Flug beizubehalten, hängt die F-117 von einer Reihe externer Sensoren ab, die über ihre Oberfläche verteilt sind, um den Luftstrom um das Flugzeug zu überwachen. Ohne diese Datenpunkte weiß der Flugzeug-Computer nicht, was getan werden muss, um das Flugzeug in der Luft zu halten. Vögel, die grundsätzlich genauso instabil sind, haben das gleiche Problem und benötigen die gleichen Informationen. Aber die Zahl Datenpunkten in der F-117 verblasst im Vergleich zu der eines Vogels, weil jede Feder, und zwar 10.000, ein Luftstrom-Sensor ist.

"Wir verstehen nicht völlig den vollständigen Zusammenhang," sagt Dial. "Wir wissen gerade, dass die Basis der Federn als Signalumformer zum Zentralnervensystem dienen kann. Sie erhalten eine Art Rückmeldung mit dem Luftstrom über dem Flügel. Wir wissen nicht genau, wieviel davon von den Bedeckungfedern und wieviel von den eigentlichen Flugfedern stammt." Aber klar ist, dass "spezialisierte Zellen an der Basis der Flugfedern in der Frequenz der Übertragung senden, mit der sie verdreht werden."

Über hunderte Millionen Jahre haben Vögel eine komplexe und leistungsfähige Form des instabilen Fluges mit fantastischer Manövrierbarkeit entwickelt. Aber über Flugleistung hinaus besitzen Vögel zusätzliche Fähigkeiten, die Flugzeug-Designer zum Nachdenken bringen.

Ein Ornithologe verbindet für ein Vogel-Projekt in der Chesapeake-Bucht einen "Köder" mit einem Seil. Außer Sicht hinter einem Verhang zieht er das Seil heraus und der Köder wird hochgezogen auf einen behelfsmäßigen Flaggenmast. Aus der Entfernung, kaum mehr als ein Fleck, nimmt ein Jäger Notiz. Der Köder ist ein "Kuhvogel" und seine Beine sind mit dem Seil des Flaggenmasts verbunden. Sein heftiges und vergebliches Flügelschlagen, um zu Entkommen, hat einen der schnellsten Flieger in der Natur angezogen: den Wanderfalken.

Durch Verringerung der Spannweite und der Länge seiner Flügel verwandelt der Falke Höhe in Fluggeschwindigkeit, wenn er auf Angriff übergeht. Durch ein Fernglas kann man sehen, wie er 90 Grad in der einen und dann in der anderen Richtung rollt, während er durch die Baumspitzen schießt. Aber während der Körper um seine Längsachse rollt, bleiben der Kopf tadellos waagerecht ausgerichtet und die Augen auf sein Opfer fixiert.

Der Kopf, oder das Cockpit, eines Vogels, sagt Dial, ist verbunden mit "einem unabhängigen Aufhängungssystem: seinem sehr flexiblen Nacken." Die Nackenflexibilität läßt "den Körper sich drehen und heben und sogar Oberseite nach unten wenden, dennoch hält der Kopf seine Position." Dem Wanderfalken erlaubt die unabhängige Aufhängung, sein Opfer mit bis 200 MPH zu jagen, selbst wenn das Opfer manövriert, um zu entkommen. Aber die Beute hat ebenfalls einen flexiblen Nacken, der ihr hilft zu entkommen. Mit dem Wissen, dass die größeren Flügel dem Habicht oder Falken nicht erlauben, ihnen zu folgen, fliegen angegriffene kleine Vögel mit Höchstgeschwindigkeit durch Bäume und Büsche. Diese Taktik erfordert wilde und schnelle Manöver in enger Umgebung.

"Keine Frage, dass Vögel einige außerordentliche Zusammenstöße vermeiden, weil sie die Welt sehr genau im Auge und im Kopf behalten können," sagt Dial. "Diese Cockpit-Geschichte vom perfekten Stillhalten des Kopfes ist ein aufregender Bereich" zur Untersuchung durch einige Forscher.

Diese Forschung könnte in das Flugzeug-Design einbezogen werden. Wir sehen bereits die stabilisierte Optik, die in militärischen Anwendungen und in zivilen Sport- und Nachrichtensendungen verwendet wird. Könnten stabilisierte Cockpits unsere Zukunft sein? Möglicherweise. Aber eine Sache ist sicher: Während wir ins zweite Jahrhundert der Luftfahrt gehen, kann Mutter Natur uns noch viel über das Fliegen verraten.