"Meteore" und "Raumschiffe", die Mutigen, die durch die Luft fliegen

Meteorschauer waren schon immer eine romantische und geheimnisvolle Erscheinung im Universum und viele Menschen freuen sich darauf, den wunderschönen Anblick der über den Himmel ziehenden Meteore zu erleben. Generell können zum Jahresende noch viele Meteorschauer beobachtet werden, beispielsweise der Orioniden-Meteorschauer im November und der Geminiden-Meteorschauer im Dezember.

Haben Sie beim Beobachten dieser Meteorschauer schon einmal über eine Frage nachgedacht: Warum werden Meteore heiß und glühen?

Wunderschöner und bezaubernder Meteorschauer (Fotoquelle: Veer Gallery)

Viele Menschen glauben vielleicht, dass das Licht der Meteore durch die Reibung und Hitze entsteht, die beim Eindringen der Meteoriten in die Atmosphäre und durch die Luft in der Atmosphäre entsteht. Tatsächlich ist dies größtenteils falsch. Tatsächlich ist der größte Teil der von Meteoriten nach dem Eintritt in die Atmosphäre erzeugten Wärme auf die Kompression der Luft zurückzuführen, und die durch Reibung mit der Luft erzeugte Wärme macht nur einen kleinen Teil aus. Die durch die komprimierte Luft des Meteoriten erzeugte Hitze führt schließlich dazu, dass der Meteorit verbrennt und glüht, wodurch ein kurzlebiger Meteor entsteht. Die meisten Meteoriten verbrennen schließlich aufgrund der hohen Temperaturen. Lassen Sie uns diesen Vorgang im Folgenden erklären.

Nach dem Eintritt in die Atmosphäre komprimiert der Meteorit die Luft vor ihm, wodurch die Temperatur der Luft vor dem Meteoriten schnell auf mehrere tausend Grad ansteigt. Anschließend entzündet er den Meteoriten, wodurch er zu glühen beginnt und zu dem Meteor wird, den wir sehen können. Mit anderen Worten: Es ist die komprimierte Luft und nicht die Reibungsluft, die das ergreifende „letzte Lied“ des Meteors erzeugt.

Wenn ein Meteorit in die Atmosphäre eintritt, verbrennt zuerst der Teil, in dem die Luft vor dem Meteoriten am stärksten komprimiert ist (Bildquelle: https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/)

Warum erzeugt Druckluft viel Wärme? Dies hängt tatsächlich mit dem Energieerhaltungssatz zusammen. Wenn ein Meteorit in die Atmosphäre eintritt, ist seine Geschwindigkeit sehr hoch (normalerweise mehrere zehn Kilometer pro Sekunde). Zu diesem Zeitpunkt kann die Luft vor dem Meteoriten nicht schnell um den Meteoriten herum „zusammengedrückt“ werden, sodass sie schnell komprimiert wird. Gemäß dem Energieerhaltungssatz wird die beim Komprimieren des Gases geleistete Arbeit in innere Energie des Gases umgewandelt, die sich dann in einer Erhöhung der Gastemperatur bemerkbar macht.

Dieses Phänomen kommt im Alltag sehr häufig vor. Wenn wir beispielsweise einen Reifen mit einer Luftpumpe aufpumpen, steigt die Lufttemperatur in der Pumpe, weil wir durch die Komprimierung des Gases Arbeit verrichten, und die Pumpe erwärmt sich daher. Da die Luft vor dem Meteoriten sehr stark komprimiert ist, steigt auch die Temperatur sehr stark an, normalerweise auf etwa 2.000 Grad Celsius. Bei einer so hohen Temperatur würden die meisten Meteoriten verbrennen und das Leben auf der Erde wäre somit wirksam geschützt.

Natürlich gibt es immer noch eine sehr kleine Anzahl relativ feuerbeständiger Meteoriten, die auf die Erde fallen, bevor sie vollständig verglühen. Dies sind die Meteoriten, die wir in verschiedenen Weltraummuseen sehen. Diese Art von Meteoriten ist im Allgemeinen sehr selten und ein sehr wertvolles Material für die wissenschaftliche Forschung.

Verschiedene künstliche Raumfahrzeuge (darunter künstliche Satelliten, bemannte Raumfahrzeuge und sogar Raumstationen) geben bei ihrer Rückkehr in die Atmosphäre Licht und Wärme ab. Das Prinzip ähnelt tatsächlich dem von Meteoriten. Ihre Effizienz bei der Luftkompression ist sogar höher als die von Meteoriten. Als Beispiel verwenden wir hier die Rückkehrkapsel eines bemannten Raumfahrzeugs. Die Form einer bemannten Raumfahrzeug-Rückkehrkapsel ist im Allgemeinen wie folgt:

Die Rückkehrkapsel der Apollo-Mondsonde (Bildquelle: http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/)

Oder so etwas wie das hier:

Die Rückkehrkapsel des bemannten Raumschiffs Shenzhou 10 (Fotoquelle: People's Photo Network, Foto von Fang Yang)

Obwohl sie sich in Details unterscheiden können, sehen sie alle ähnlich aus – oben klein und unten groß, mit einer sehr stumpfen Oberfläche darunter. Eine solche stumpfe Ebene kann sicherstellen, dass die durch die Druckluft erzeugte Wärme hauptsächlich auf der stumpfen Seite des Raumfahrzeugs konzentriert ist und nicht an der Rückseite des Raumfahrzeugs verloren geht. Dadurch werden die Astronauten oder andere wissenschaftliche Geräte dahinter wirksam geschützt. Aus diesem Grund ist die Rückkehrkapsel jedes bemannten Raumfahrzeugs heute stumpf konstruiert. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre wird die Kapsel wie folgt erhitzt:

Schematische Darstellung der Druckluft in der Rückkehrkapsel (Bildquelle: https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry)

Man erkennt, dass sich die Wärme hauptsächlich im vorderen Bereich konzentriert, sodass die Astronauten im hinteren Bereich wirksam geschützt sind. Natürlich entsteht beim Eintritt der Rückkehrkapsel in die Atmosphäre Reibung mit der Atmosphäre und es entsteht auf jeden Fall etwas Wärme, aber diese Wärme ist im Vergleich zu der durch die Druckluft erzeugten Wärme unbedeutend. Darüber hinaus besteht die Außenhülle der Rückkehrkapsel des bemannten Raumfahrzeugs aus feuerfesten und hochtemperaturbeständigen Materialien, sodass sie zwar nicht wie ein Meteorit verbrennt, die hohe Temperatur jedoch dennoch die Außenhülle der Rückkehrkapsel versengt.

Wie auf dem Bild unten zu sehen ist, befindet sich dort die Rückkehrkapsel des bemannten Raumschiffs Shenzhou meines Landes. Sie können es mit der Rückkehrkapsel vor dem Eintritt in den Weltraum im Bild oben vergleichen und Sie werden feststellen, dass es sich um eine „verbrannte“ Rückkehrkapsel handelt.

Die Shenzhou-Rückkehrkapsel nach der Rückkehr zur Erde (Bildquelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou)

Bei einigen anderen nicht brennbaren Raumfahrzeugen sind die Prinzipien nahezu dieselben, auch wenn sich die Formen und Rückkehrkapseln unterscheiden. Nach dem Eintritt in die Atmosphäre verbrennt das gesamte Raumfahrzeug aufgrund der hohen Temperaturen, die durch die komprimierte Luft entstehen, nach einer gewissen Zeit. Als beispielsweise die Raumstationen Mir der ehemaligen Sowjetunion und Tiangong-1 der chinesischen Raumstation abstürzten, verbrannten die meisten ihrer Komponenten in der Atmosphäre zu Asche, und nur ein kleiner Teil wurde im Pazifischen Ozean verstreut.

Manche Schüler fragen sich vielleicht, warum sich das Raumschiff beim Verlassen der Erde nicht erwärmt? Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach, denn verschiedene Raumfahrzeuge (darunter auch bemannte Raumfahrzeuge, Raumstationen, Satelliten usw.) werden beim Verlassen der Erde von Raketen getragen. Die Form der Rakete ist stromlinienförmig, sodass die Luft in Fahrtrichtung leicht „weggedrückt“ werden kann und die durch Reibung erzeugte Wärme relativ gering ist. Daher wird die Rakete beim Verlassen der Erde keinen sehr hohen Temperaturtests unterzogen.

Raketen der Serie „Langer Marsch“. Man erkennt, dass die Raketen alle spitze Köpfe haben. Einer der Zwecke besteht darin, die Luft besser in Bewegungsrichtung auszustoßen und den Widerstand zu verringern (Bildquelle: http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html)

Natürlich können wir auch Raketen einsetzen, um die Rückkehrkapsel auf ihrem Weg zurück zur Erde abzubremsen. Dies würde jedoch eine Verdoppelung des Treibstoffs bedeuten, was nicht nur die Kosten des Starts erhöhen, sondern auch die Nutzlast der Rakete erheblich reduzieren würde, was diese Maßnahme undankbar macht. Außerdem hat uns die Natur bereits eine so gute kostenlose „Bremse“ zur Verfügung gestellt – die Atmosphäre. Warum also diese nicht nutzen?