Warum herrscht in der Raumstation Schwerelosigkeit? Bedeutet Schwerelosigkeit „Abnehmen“?

Im Weltraumunterricht der Astronauten konnten wir viele magische Phänomene beobachten, die durch die Mikrogravitation in der Raumstation verursacht werden. Unter einer Mikrogravitationsumgebung versteht man eine Umgebung, in der das Gewicht eines Objekts nahe Null liegt. Wir sprechen daher oft von einer schwerelosen Umgebung. Doch warum herrscht in der Raumstation Schwerelosigkeit? Lassen Sie uns diese Frage etwas erweitern. Warum verlieren Raumfahrzeuge, die die Erde umkreisen, und die Objekte in ihnen an Gewicht?

Astronauten in der chinesischen Raumstation (Fotoquelle: Offizielle Website der bemannten Raumfahrt Chinas)

Schauen wir uns zunächst einige der häufigsten Missverständnisse an:

Missverständnis 1: Auf ein Raumfahrzeug, das die Erde umkreist, wirken sowohl die Schwerkraft der Erde als auch die durch die Kreisbewegung verursachte Zentrifugalkraft. Die resultierende Kraft der beiden Kräfte ist Null, das Raumschiff ist also schwerelos.

Fehlerursache: Newtons erstes Gesetz besagt, dass ein Objekt ohne äußere Kräfte (auch wenn die Nettokraft Null ist) eine gleichmäßige lineare Bewegung beibehält oder stationär bleibt. Da das Raumschiff jedoch die Erde umkreist, ist die obige Aussage nicht wahr. Tatsächlich ist die Zentrifugalkraft eine virtuelle Kraft, keine reale Kraft. Wenn man sehr kleine Kräfte wie den Sonnendruck, den Luftwiderstand der Erde und die Schwerkraft des Mondes außer Acht lässt, wird ein Raumfahrzeug während seiner Umlaufbahn nur von einer einzigen großen Kraft beeinflusst, und das ist die Schwerkraft der Erde.

Missverständnis 2: Das Raumschiff ist relativ weit von der Erde entfernt und unterliegt nur einer sehr geringen Erdanziehungskraft, ist also schwerelos.

Fehlerursache: Am Beispiel der Raumstation: Die Raumstation ist etwa 400 Kilometer vom Boden entfernt und die Erdbeschleunigung beträgt etwa 89 % der Erdbeschleunigung. Das heißt, die Schwerkraft, die auf die Raumstation und die Gegenstände in ihr ausgeübt wird, beträgt in dieser Umlaufbahnhöhe 89 % der Schwerkraft am Boden. Genau aufgrund der Existenz dieser 89 % der Erdanziehungskraft wird die Raumstation um die Erde fliegen, anstatt die Erde zu verlassen und in den Weltraum zu fliegen.

Warum also herrscht in der Raumstation Schwerelosigkeit? Schwerelosigkeit bedeutet, dass die Stützkraft oder Zugkraft eines Objekts geringer ist als die Schwerkraft des Objekts. Gewicht und Schwerkraft sind zwei Konzepte. Die Schwerkraft hängt nur mit der Erdbeschleunigung zusammen. Theoretisch bleibt die Schwerkraft auf der Erde in gleicher Höhe unverändert. Unter Gewicht versteht man vereinfacht die von einem Messinstrument (z. B. einer Waage) gemessene Kraft, also die Stützkraft, die die Waage auf das zu messende Objekt ausübt. Wenn ein Objekt seine Stütze verliert, wird sein Gewicht Null, was zur Schwerelosigkeit führt. Um ein Beispiel aus dem wirklichen Leben zu geben: Wenn ein Aufzug schnell nach unten fährt, spüren wir im Aufzug für kurze Zeit die Schwerelosigkeit. Dies liegt daran, dass bei einem stillstehenden Aufzug die Stützkraft und die Schwerkraft auf den Aufzug und die Personen im Aufzug gleich sind. Wenn der Aufzug nach unten beschleunigt, ist die Stützkraft auf den Aufzug und die Personen im Aufzug geringer als die Schwerkraft. Wenn wir uns auf eine Waage stellen und einen Aufzug benutzen, können wir die Gewichtsveränderung beobachten, während der Aufzug auf und ab fährt.

Zurzeit werden am häufigsten vier Methoden verwendet, um eine Mikrogravitationsumgebung zu schaffen: Falltürme, Flugzeuge, Raketen und Raumfahrzeuge. Am einfachsten zu verstehen ist die Methode des Freifallturms. Dabei wird ein Gegenstand von einer hohen Stelle losgelassen und senkrecht fallen gelassen. Wenn sich ein Gegenstand im freien Fall befindet, ist er nur der Schwerkraft ausgesetzt, ohne dass andere Stütz- oder Zugkräfte auf ihn wirken, und befindet sich daher in einem Zustand der Schwerelosigkeit. Der Fallturm der Universität Bremen in Deutschland ist 146 m hoch. Im „Fallmodus“ wird das Versuchssystem aus einer Höhe von 120 m losgelassen und die Objekte im System können eine Mikrogravitationszeit von 4,74 s erreichen. Im „Auswurfmodus“ wird das Versuchssystem senkrecht auf die Turmspitze geschleudert und fällt anschließend frei zurück. Die Objekte im System können bis zu 9,3 Sekunden Mikrogravitation erreichen.

Der fallende Turm der Universität Bremen, Deutschland (Fotoquelle: Offizielle ESA-Website)

Das Prinzip des Schwerelosigkeitsflugzeugs ähnelt dem „Ejection Mode“-Prinzip des Freifallturms. Mikrogravitation wird durch Parabelflüge erreicht. Die Flugbahn ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Im Mittelteil wird das Flugzeugtriebwerk abgeschaltet. In der ersten Hälfte verlässt sich das Flugzeug auf die Trägheit, um seinen Steigflug aufrechtzuerhalten, die Geschwindigkeit nimmt jedoch allmählich ab. Nach Erreichen des Gipfels wird der Sinkflug beschleunigt. Das heißt, das Flugzeug befindet sich während des langsamen Aufstiegs und des beschleunigenden Sinkflugs in einem Zustand der Schwerelosigkeit. Zu diesem Zeitpunkt ist die Beschleunigungsrichtung des Flugzeugs nach unten gerichtet, d. h. die Richtung der resultierenden Kraft, die es empfängt, ist nach unten gerichtet, d. h. die Schwerkraft ist größer als der Auftrieb (die Stützkraft der Luft auf das Flugzeug), wodurch eine schwerelose Umgebung erreicht wird.

Flugbahn eines Flugzeugs in der Schwerelosigkeit (Bildquelle: Wikipedia)

Der Grund für die Schwerelosigkeit der Raumstation liegt darin, dass sie nur der Schwerkraft unterliegt und über keine anderen Stützkräfte verfügt. Es befindet sich tatsächlich in einem Zustand, in dem es auf den Boden fällt. Das scheint schwer zu verstehen – die Raumstation umkreist eindeutig die Erde?

Die Raumstation fällt tatsächlich auf den Boden, aber die Erde ist kugelförmig, und während die Raumstation zurück auf den Boden fällt, sinkt auch der Horizont der Erde. Nachdem die Raumstation die erste kosmische Geschwindigkeit erreicht hat, entspricht ihre Sinkgeschwindigkeit der Sinkgeschwindigkeit des Horizonts, was bedeutet, dass sie nie wieder auf die Erde zurückfallen wird.

Natürlich ist dies ein theoretischer Zustand. Während die Raumstation in der Umlaufbahn fliegt, wird sie durch die Schwerkraft von Sonne und Mond, den Sonnenwind und den atmosphärischen Widerstand beeinflusst, was dazu führt, dass ihre Geschwindigkeit kontinuierlich abnimmt und ihre Umlaufbahnhöhe kontinuierlich abnimmt. Daher werden die Fluglotsen am Boden die Umlaufbahn regelmäßig durch Triebwerksboosts aufrechterhalten, damit die Station nicht auf die Erde zurückfällt.