Warum schweben Astronauten in der Erdumlaufbahn?

BLOG: Zündspannung

Blick über den Plasmarand
Zündspannung

In meinem ersten Blogpost zur Serie Physik in Schwerelosigkeit ging es darum, was Schwerelosigkeit ist und falsche Vorstellungen dazu, warum Dinge im Erdorbit schwerelos sind (sie sind es nicht, weil sie so weit weg von der Erde sind, und auch nicht, weil es im Weltraum keine Luft gibt). Warum also schweben die Astronauten in der Raumstation?

Wenn eine Astronautin weit weg von allen Planten, Sternen usw. ist, dann ist deren Anziehungskraft so gering, dass sie vernachlässigbar ist – die Astronautin ist schwerelos.

AstronautinWenn sie sich nun aber in einer Rakete befindet, die beschleunigt, wird die Astronautin in der Rakete nach unten gedrückt. Sie ist nicht mehr schwerelos, sondern fühlt sich genau so wie in einem Gravitationsfeld.

Mensch in RaketeGenauer gesagt, es gibt keine Experimente, die den Unterschied messen können, ein Gravitationsfeld hat genau die selben Auswirkungen wie die Beschleunigung – das ist das Äquivalentsprinzip.

Genau das haben die Astronauten auf der Internationalen Raumstation vor einiger Zeit auch gemerkt. Auf der Höhe der Raumstation befinden sich noch einige Luftmoleküle, die die Station verlangsamen. Das führt dazu, dass die ISS an Höhe verliert. Daher muss sie von Zeit zu Zeit ihre Booster zünden, um auf eine höhere Umlaufbahn zu gelangen. Was dann mit den Astronauten an Bord passiert, sieht man in diesem Film.


Die Astronauten werden nur dann von der Station mit auf ihren höheren Orbit genommen, wenn sie sich festhalten. Tun sie das nicht, fallen die Astronauten aus Sichtweise der ISS “nach unten” – also in die Richtung entgegengesetzt zur Beschleunigung. (Natürlich fallen sie nicht so schnell wie sie es auf der Erde tun würden – die effektive Gravitation ist viel geringer als auf der Erde, vielleicht 1/10 g oder etwas in der Größenordnung, würde ich raten.)

Die andere Sichtweise auf diese Vorgänge ist es, dass die Astronauten weiterhin schwerelos sind, und sich die ISS von ihnen wegbewegt. Und das ist genauso richtig, die Astronauten sind noch schwerelos – denn sie werden nicht vom Fußboden der ISS beschleunigt. Würden sie sich auf eine Waage stellen, würde diese Null anzeigen. Würden sie die Waage nun aber auf die Wand stellen, auf die sie zufallen, würde diese ein Gewicht anzeigen.

Genauso wie die Astronauten noch schwerelos sind, wenn sie innerhalb der ISS fallen, sind alle fallenden Personen schwerelos. So beispielsweise in dem berühmten Fahrstuhl, der bei diesem Thema so häufig zitiert wird: Eine Person in einem fallenden Fahrstuhl hat das Gewicht Null und ist somit schwerelos.

Auf dieses Erlebnis kann man natürlich gerne verzichten, aber dass das Gewicht in einem nach unten fahrenden Fahrstuhl geringer wird, kann jeder leicht ausprobieren: Einfach eine handelsübliche Personenwaage in einen Aufzug mitnehmen, sich darauf stellen, ein paar Stockwerke runterfahren und auf die Anzeige gucken! Das angezeigte Gewicht sinkt bei der Fahrt nach unten. Wenn der Aufzug dann frei fallen würde, würde die Waage Null anzeigen.

Der Grund dafür ist einfach: Die Gravitation beschleunigt alle Gegenstände gleich stark, also die Waage und die Person, die darauf steht bzw. dann darauf schwebt. Das hat der Astronaut David Scott während der Apollo 15 Mission auf dem Mond eindrucksvoll mit einer Feder und einem Hammer gezeigt. (Der Mond hat keine Atmosphäre, die den Fall einer Feder bremsen würde, eignet sich für solche Versuche also besser als die Erde.) Scott hat also eine Feder und einen Hammer fallen lassen:

Und tatsächlich, beide erreichen gleichzeitig die Mondoberfläche.
Genauso wie es keinen messbaren Unterschied zwischen Beschleunigung durch ein Gravitationsfeld und durch eine Rakete gibt, gibt es auch keinen messbaren Unterschied zwischen der freien Bewegung in einem Gravitationsfeld und der Schwerelosigkeit weit weg von allen Anziehungsfeldern.

Dabei ist es übrigens egal, ob man in dem Gravitationsfeld nach unten fällt oder sich beispielsweise auf einer Wurfbahn nach oben bewegt – die Waage würde Null anzeigen, man ist schwerelos. Deshalb ist der Begriff “freier Fall” etwas irreführend, man kann genauso nach oben fallen und schwerelos sein.

Und warum sind nun die Astronauten im Erborbit schwerelos? Sie werden noch immer von der Erde angezogen und werden von der Gravitation nach unten beschleunigt. Aber: Sie bewegen sich gleichzeitig so schnell nach vorne, dass die Erde sich unter ihnen in genau dem Maße krümmt, in dem sie nach unten fallen. Sie fallen also sozusagen um die Erde herum. Rakete im ErdorbitDas nächste Mal mehr dazu, welche anderen Methoden es gibt, Schwerelosigkeit zu erzeugen.

Mierk Schwabe

Veröffentlicht von

Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

13 Kommentare

  1. Mal en passant gefragt:

    Wie hoch sind zurzeit die Kosten pro Kilogramm für eine zu transportierende Installation in einer geostationären Bahn?

    MFG
    Dr. W

  2. Wie doof……

    Eine “transportierende Installation” kann man in jeder Demenzstation kostenlos abholen. Der Webbär hat tausende davon bereit.

  3. @Holzi

    Hintergründig geht es natürlich um die Industrialisierung des Orbits und um so etwas.

    Womit das Thema dieses Blogeintrags natürlich “ein wenig” überschrieben wäre. Aber wer die Mondlandung beobachtet hat und die in der Folge stattfindende Fast-Nichtleistung entwickelt eben noch ein wenig Fantasie.

    Das, was der Artikel so abliefert, hat seinerzeit Prof. Haber erläutert, in Schwarz-Weiß und bei geringer Auflösung.

    MFG
    Dr. W

  4. @Holzi

    v2.0, es fehlt hier irgendwie eine Vorschau, oder?:

    Hintergründig geht es natürlich um die Industrialisierung des Orbits und um so etwas.

    Womit das Thema dieses Blogeintrags natürlich “ein wenig” überschrieben wäre. Aber wer die Mondlandung beobachtet hat und die in der Folge stattfindende Fast-Nichtleistung entwickelt eben noch ein wenig Fantasie.

    Das, was der Artikel so abliefert, hat seinerzeit Prof. Haber erläutert, in Schwarz-Weiß und bei geringer Auflösung.

    MFG
    Dr. W

  5. @Dr.W: Antwort ist SpaceX

    Auf der von mir verlinkten Tabelle ist auch SpaceX mit der Dragon 9 und der Dragon Heavy eingetragen mit 6000 $ pro kg in den GEO. SpaceX will Raketenstufen vollkommen wiederverwenbar machen und rechnet dann mit Kosten unter 500$ pro kg. Und das schon in den nächsten 10 Jahren. Weltraumlifte – selbst solche die auf den Mond beschränkt sind -, sind in den nächsten 25 Jahren nicht zu erwarten.

  6. @Holzherr

    Aja, danke für die Information ($500, da kann Dr. W ja schon mal (s)eine Katze vorschicken). Die Kosten über den Transport in den Orbit werden eine wichtige Rolle spielen, wenn es darum geht die Erde abzuschatten.

  7. . (Natürlich fallen sie nicht so schnell wie sie es auf der Erde tun würden – die effektive Gravitation ist viel geringer als auf der Erde, vielleicht 1/10 g oder etwas in der Größenordnung, würde ich raten.)

    Das kann nicht stimmen.

  8. Ich bin kein Physiker aber wenn man das Gravitationsgesetz mal Überschlagsweise für die ISS mit 420 Tonnen Gewicht und einer nahezu Kreisförmigen Umlaufbahn vonn 400 km Höhe zur Meereshöhe annimt, dann komme ich auf:

    Gravitationskraft auf ISS in 400 km Höhe: 3.66 * 10^6 Newton
    Gravitationskraft auf ISS auf Meereshöhe : 4.13 * 10^6 Newton

    Das sind immer noch 88,6 % der Grafitationskraft im Vergleich zur Erde. Deswegen schwebt ein Astronaut noch nicht, den er würde ja bei 80kg auf der ISS wie etwa bei 71kg auf der Erde sein.

    Warum schweben die Astronauten dann also auf der ISS?

    Antwort:

    Die Zentrifugalkraft hebt die Gravitationskraft auf. Deswegen stürzt die ISS auch nicht zur Erde, da die Bahngeschwindigkeit so ausgelegt ist, dass Sie eine zur bleibenden Gravitationskraft entgegengestzte Zentrifugalkraft erzeugt.

    Bei der ISS ist diese Bahngeschwindigkeit 28.000 km/h.

  9. Anmerkung:

    Die Rechnung mit dem Gravitationsgesetz müsste genau genommen mit dem Astronautengewicht erfolgen. Dann komt raus:

    Gravitationskraft auf Astronaut 80kg in 400 km Höhe: 697,1 Newton
    Gravitationskraft auf Astronaut auf Meereshöhe: 787,28 Newton

    Das wären 88,55%. Also fast gleich. Die Höhe im Verhältnis zum Erdradius und die Massen des Astronauten oder der ISS zur Erdmasse sind vernachlässigbar klein.

Schreibe einen Kommentar