Ph 11 Umwelt

Schwerelosigkeit

Astronauten berichten, dass man im Zustand der Schwerelosigkeit ein erhebendes Gefühl hat. Es soll im Folgenden geklärt werden, unter welchen Bedingungen sich ein Mensch schwerelos fühlt.

1. Fall (leicht verständlich, jedoch nicht realisierbar)

Der Mensch befindet sich fern von allen Himmelskörpern, so dass die Wirkung jeglicher Gravitationsfelder vernachlässigt werden kann. Diesen Zustand hat noch kein Mensch erreicht, die Gravitationskraft von Himmelskörpern nimmt mit 1/r² ab, wird also nie ganz null.

2. Fall (verständlich, annähernd realisierbar)

Zwischen zwei Himmelskörpern (z. B. Erde und Mond) gibt es einen Punkt, wo sich die Anziehungskraft von Erde und Mond gerade aufheben. In diesem Punkt wäre ein Mensch schwerelos, wenn man die Anziehungskräfte der Sonne und anderer Himmelskörper vernachlässigen könnte.

3. Fall (nicht so leicht verständlich, aber realisierbar)

Sicher haben Sie schon Aufnahmen von Astronauten aus der internationalen Raumstation ISS gesehen, die sich schwerelos durch die Kabine bewegen. Dabei befindet sich die Station nur 400 km über der Erdoberfläche. Die Gravitationskraft in dieser Entfernung ist auf keinen Fall vernachlässigbar.

Zum Verständnis dieses Typs von Schwerelosigkeit muss man offensichtlich dynamische Aspekte der Bewegung mit betrachten.

Schon mit dem Sprung vom Sprungbrett im Schwimmbad kann man Schwerelosigkeit erreichen (Schwerelosigkeit des kleinen Mannes, bei Vernachlässigung der Luftreibung). Würde der Springer auf einer Personenwaage stehen und mit ihr Abspringen, so würde die Waage während des freien Falls nichts anzeigen – der Springer ist schwerelos. Er braucht seine Gravitationskraft ganz dazu, um sich mit g (Erdbeschleunigung) zu beschleunigen, er "beschwert" die Waage nicht mehr.

Nun ist es völlig unerheblich, ob der Mensch einen freien Fall, einen horizontalen Wurf oder gar einen schiefen Wurf ausführt, wenn Reibungsfreiheit herrscht, fühlt sich der Mensch bei allen diesen Bewegungen schwerelos. Denken Sie sich eine Kabine um den Menschen, sie würde die gleiche Fall- oder Wurfbewegung ausführen. Der Mensch würde in dieser Kabine schweben, er fühlt sich schwerelos – selbst beim ansteigenden Ast der Parabel beim schiefen Wurf.

Auch auf den Kepler-Ellipsen, welche die Satelliten beim Umkreisen der Erde durchlaufen, findet eine solche Fallbewegung statt, die Astronauten fühlen sich schwerelos. Allerdings treten in der Praxis stets Störbeschleunigungen auf, die von den Umgebungsbedingungen, der Raumstation oder der Besatzung verursacht werden. Es herrscht deshalb noch geringe Schwerkraft, genannt Mikrogravitation. Der Zustand der Schwerelosigkeit ist für eine Vielzahl von Experimenten sehr wünschenswert. Allerdings kosten Experimente in einer Raumstation sehr viel Geld. Man ist in jüngster Zeit bemüht, den Zustand der Schwerelosigkeit – wenigstens für kurze Zeit – in Erdnähe zu realisieren.

Der Fallturm von Bremen Um kurzzeitig Schwerelosigkeit zu erreichen baute in Bremen einen 144 m hohen Fallturm. Er enthält eine 110 m lange Fallröhre mit einem Durchmesser von 3,5 m, die innerhalb von ca. 1,5 Stunden auf einen Druck von 10-5 bar evakuiert werden kann. Damit ist es möglich, bis zu dreimal am Tag für einige Sekunden in freiem Fall den Zustand der Schwerelosigkeit herzustellen. 3. Aufgabe Berechnen Sie die Falldauer und die Geschwindigkeit (in km/h) am Ende der Fallstrecke. zur Lösung

Die mit hoher Geschwindigkeit unten ankommende Fallkapsel muss aufgefangen und sanft abgebremst werden. Dafür gibt es in der Abbremskammer einen raffiniert konstruierten Auffangbehälter aus Stahlblech - 8 m hoch und 3,5 m im Durchmesser. Um die Wucht, die aufgefangen werden muss, nachvollziehen zu können, stelle man sich vor, man müsse ein ca. 500 kg schweres und 167 km/h schnelles Auto innerhalb von acht Metern zum Stillstand bringen. Diese Mischung aus starkem und zugleich sanften Abbremsen wird erreicht durch eine Füllung des Abbremsbehälters mit Styroporgranulat. Der Abbremsvorgang geschieht so kontrolliert, dass man unbesorgt ein im Betrieb befindliches, handelsübliches Notebook "mitfliegen" lassen kann. Um die Zeitspanne der Schwerelosigkeit zu verdoppeln, arbeitet man an diesem Fallturm daran, die Nutzlast zunächst von unten nach oben zu katapultieren und dann den freien Fall wie bisher anzuschließen. Genauere Informationen zum Bremer Fallturm: http://www.zarm.uni-bremen.de/

Parabelflüge

Ein Parabelflug ermöglicht eine einzigartige Chance für kurze Zeitintervalle Schwerelosigkeit zu erleben. Um eine Umgebung zu schaffen, in der Mikrogravitation vorherrscht muss ein Flugzeug eine Bahn durchfliegen, wie sie in der Abbildung aufgezeichnet ist.

Von einem normalen, horizontalen Flug in ca. 7500 m Höhe steigt die Maschine für etwa 20 sec unter einem Winkel von 50^o an (entry pull up). Dann wird, in einer Höhe von ca. 8700 m, der Antriebsschub der Motoren stark reduziert und das Flugzeug geht in den freien parabolischen Fall über. Damit erzielt man in den nächsten 20s bis 25s stark reduzierte Schwerkraft. Nach diesen 25s erreicht die Beschleunigung des Flugzeuges für 20 sec einen Wert von 1,5 bis 1,8g ( exit pull up); hierbei "taucht" die Maschine wiederum unter einem 50^o Winkel ab, um in den Horizontalflug zurückzukehren. Parabelflug-Passagiere und Parabelflugzeug befinden sich somit während der Phase mit reduzierter Schwerkraft (µg-Phase) im freien Fall. Durch das speziell Flugmanöver wird eigentlich nichts anderes erreicht, als dass das Flugzeug exakt neben den Passagieren herfällt.

Wozu braucht man Parabelflüge?
Unter anderem nutzt man Parabelflüge, um Astronauten auf ihre späteren Arbeitsplatzbedingungen (Schwerelosigkeit) vorzubereiten; meist jedoch werden wissenschaftliche Versuche und Tests durchgeführt, die so ausgelegt sind, dass die beim Parabelflug erreichten Gravitationswerte den Experimentanforderungen genügen. Jedoch konnte man spätestens bei der Verfilmung der Apollo 13 Geschichte feststellen, dass es auch noch ganz andere Nutzergruppen gibt. Reisebüros bieten inzwischen schon Parabelflüge mit russischen Maschinen an.

Der A300 Zero-G kann wohl als das zur Zeit größte Parabelflugzeug der Welt angesehen werden. Er besitzt für die Experimente eine Fläche von zirka (5,00 × 20,00) m² und die Deckenhöhe beträgt an ihrer höchsten Stelle 2,30 m.

Eine Video zum Prabelflug finden Sie unter folgender Adresse:
http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-112/178_read-420/ (erfordert Quick-Time-Player)

Wenn Sie sich schon einmal dafür interessiert haben, wie ein Klo in der Schwerelosigkeit funkioniert, so können Sie sich die Sachgeschichte von der Sendung mit der Maus unter der Adresse: http://www.wdrmaus.de/sachgeschichten durchlesen.

Lösung 1

Lösung 2

Lösung 3