FAU Erlangen-Nürnberg

Forschung in Schwerelosigkeit

Dieses Projekt wird gefördert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, 50WB0832)

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Allgemeine Informationen zum Thema Parabelflüge


Was ist eigentlich Schwerelosigkeit?

Ein kleiner physikalischer Exkurs von F. Bodem und M. Lochmann

Jeder von uns befand sich schon einmal, und sei es nur für Bruchteile einer Sekunde, im Zustand der Schwerelosigkeit. Wann immer unser Körper beim Laufen oder Springen mit beiden Füßen vollständig vom Boden abhebt, wirken (von in diesem Fall vernachlässigbaren Effekten der umgebenden Luft abgesehen) außer der Schwerkraft keine anderen äußeren Kräfte auf ihn ein. Verbinden wir mit dem Begriff Schwerelosigkeit die übliche Vorstellung des im Weltall schwebenden Astronauten so kann hier zunächst ein Missverständnis aufkommen. Die Schwerkraft, das heißt die Kraft, die jeden Körper in Richtung Erdmittelpunkt zieht, ist beim freien Fall ja immer noch vorhanden, sie wirkt auf jedes Masseteilchen unseres Körpers. Es fehlen lediglich Kräfte, die dieser Kraft entgegenwirken. Und genau diese Kräfte sind es, die wir normalerweise beim Leben auf der Erdoberfläche als Effekt der Schwerkraft empfinden, sei es der Druck auf die Fußsohlen beim Stehen, der Druck auf die Körperoberfläche beim Sitzen oder Liegen, oder die Haltekraft der Hände beim Hängen an der Reckstange. Diese schwerkraftbedingten äußeren Reaktionskräfte bewirken wiederum schwerkraftbedingte Kraftwirkungen zwischen den Strukturen im Körperinneren. Fehlen solche äußeren Kräfte gegen die Schwerkraft, so werden wir mit der Erdbeschleunigung g (9,81 m/s2) in Richtung Erdmittelpunkt bewegt. Jedes Körpersegment erfährt dabei, unabhängig von seiner Masse, die gleiche Beschleunigung (schwere Masse = träge Masse, Äquivalenzprinzip, s. weiter unten), es entstehen also auch keine körperinneren Kräfte. Nach diesem Bild müssten wir also eigentlich sagen, wir sind im freien Fall "frei von schwerkraftbedingten Reaktionskräften", nicht aber "schwerelos", die Schwerkraft ist ja wirksam und beschleunigt unsere Fallbewegung. So ist es bei jedem freien Fall senkrecht nach unten, zum Beispiel wenn wir uns vom 10 Meter - Sprungturm in das Wasserbecken fallen lassen. Nach ca. 1,4 Sekunden erreichen wir die Wasseroberfläche, in dieser Zeit war unser Körper frei von schwerkraftbedingten Reaktionskräften (nur die Luft hat unseren freien Fall ein klein wenig gebremst). Eine solche Fallbewegung kann auch von einer gleichförmigen Bewegung (geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit) überlagert sein. Dies ist gegeben, wenn wir uns vom Sprungturm nicht einfach fallen lassen, sondern uns mit Anlauf horizontal oder schräg nach oben abstoßen. Ohne Schwerkraft würden wir dann in diese Richtung mit der anfänglichen Abstoßgeschwindigkeit ungebremst geradlinig weiterfliegen. Die Schwerkraft lenkt uns jedoch von dieser geraden Flugbahn nach unten ab, es entsteht die bekannte parabelförmige Flugbahn, wie wir sie auch bei einem geworfenen Stein beobachten (Wurfparabel). Streng genommen ist es eigentlich keine Parabel, sondern ein Ausschnitt aus einer Ellipse. Warum ? Im Physikunterricht der Schule hatten wir doch für den geworfenen Stein eine Parabel ausgerechnet. Das ist richtig. Allerdings steckte darin die vermutlich nicht weiter angesprochene Näherung, dass die Schwerkraft senkrecht zu der als eben angenommenen Erdoberfläche gerichtet ist, ihre Richtung sich also während der Flugbahn nicht verändert. Tatsächlich ist der Schwerkraftvektor jedoch immer in Richtung Erdmittelpunkt gerichtet, erfährt also während der Flugbahn eine stetige kleine Richtungsänderung. Berücksichtigt man das bei der (mathematisch nunmehr allerdings erheblich schwierigeren) Berechnung der Flugbahn, so erhält man die Ellipse, wie sie uns ja als Bahn der Planeten um die Sonne bekannt ist. Die Form der Ellipse hängt dabei von der Größe und Richtung der Anfangsgeschwindigkeit ab. Als Sonderfall entsteht dabei der Kreis, dem der Mond, unsere Nachrichtensatelliten oder die internationale Raumstation ISS bei der Bewegung um die Erde folgen. Auch ein geworfener Stein oder unser Turmspringer würden einer elliptischen Umlaufbahn um den Erdmittelpunkt folgen, wenn sie durch den Aufprall auf die Erd- bzw. Wasseroberfläche nicht daran gehindert würden (d.h. wenn die gesamte Erdmasse zu einem Kügelchen am Erdmittelpunkt komprimiert würde) . Bei ihrem sehr kurzen Flug ist der winzige Unterschied zwischen der Parabel und dem entsprechenden Ellipsenausschnitt aber praktisch nicht nachweisbar.

Freier Fall, Wurfparabel, elliptische bzw. kreisförmige Bewegung um die Erde: in all diesen Fällen wird der Erdanziehung nicht durch äußere Reaktionskräfte entgegengewirkt, es herrscht der Zustand der Schwerelosigkeit. Aber noch einmal: warum das Wort "Schwerelosigkeit" trotz Vorhandensein einer Schwerewirkung?

Stellen wir uns vor, wir folgen einer solchen Flugbahn in einem umschlossenen Raum, der vollkommen gleichartig mit uns auf der gleichen Bahn mitfliegt. Ein Astronaut erlebt dies tage- oder monatelang in seiner Raumstation, ein Parabelflieger für 22 Sekunden in der Kabine des Airbus A - 300 Zero - G, auch Besucher von Freizeitparks können seit einiger Zeit diesen Zustand für Sekundenzeiträume in einer Kapsel in hohen Falltürmen erleben. In einem solchen mitfliegenden Raum erfahren wir keinerlei Reaktionskräfte, die auf die Schwerkraft zurückzuführen sind, wir werden nicht zu einem Fußboden gezogen oder auf die Sitzfläche eines Stuhls gepresst. Wenn wir keine Kräfte mit ihr austauschen, befinden wir uns bezüglich unserer Umgebung im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung. Gibt es keine Fenster, durch die wir die Außenwelt beobachten können, so kann uns kein physikalisches Experiment Auskunft darüber geben, ob wir diese Abwesenheit von schwerkraftbedingten Reaktionskräften einer ungebremsten Flugbahn im Schwerefeld der Erde verdanken oder ob wir uns mit unserem Raumgefährt ruhend oder in nichtbeschleunigter gleichförmiger Bewegung weit draußen im Weltraum fern von allen Himmelskörpern mit ihren Schwerefeldern befinden. Den letztgenannten Zustand würden wir ohne begriffliche Schwierigkeit als "schwerelos" bezeichnen, da ja offensichtlich keine bedeutsamen Schwerkräfte von irgendwelchen Gestirnen vorhanden sind. Für uns und unsere physikalischen Experimente besteht jedoch kein nachweisbarer Unterschied zu den anderen Situationen, wir können diese deshalb mit gutem Recht ebenfalls als schwerelos bezeichnen. Dies ist im übrigen nicht nur eine scheinbare Gleichheit der verschiedenen Situationen sondern eine physikalische Wesensgleichheit. Der theoretische Hintergrund ist hierbei das von Einstein formulierte Äquivalenzprinzip, dem Ausgangspunkt der von ihm entwickelten allgemeinen Relativitätstheorie, in der zum Ausdruck kommt, dass die Physik in einem ruhenden (oder gleichförmig bewegten) Bezugsystem im Schwerefeld von Himmelskörpern die gleiche ist wie in einem geeignet beschleunigten Bezugsystem ohne ein solches Schwerefeld. Daraus kann man ableiten, dass die Physik in einem Bezugsystem, das sich in einem Schwerefeld von Himmelskörpern mit der richtigen Beschleunigung bewegt (eben frei fällt) die gleiche ist, wie in einem ruhenden (oder gleichförmig bewegten) Bezugsystem in Abwesenheit eines solchen Schwerefeldes.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt bietet Wissenschaftlern verschiedene Möglichkeiten, Experimente in Schwerelosigkeit durchzuführen. Für Experimente kleinerer räumlicher Dimension, die ohne das Beisein eines Experimentators betrieben werden können, gibt es den Fallturm in Bremen, in dem eine Experimentierkapsel im freien Fall für wenige Sekunden eine Versuchsumgebung mit Schwerelosigkeit herstellt. Weiterhin werden regelmäßig Raketenflüge mit integrierter Experimentierkapsel angeboten. Die Rakete steigt in große Höhe auf und wird auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Nach Abschaltung des Antriebs führt sie unter freien Fallbedingungen zunächst eine Aufwärtsbewegung bis zu ca 750 km Höhe durch und fällt dann nach unten, bis sie mit einem Fallschirm abgefangen wird und sanft landet. Schwerelosigkeit herrscht dabei in der Experimentierkapsel für insgesamt ca. 15 Minuten.
Für Experimente mit Beteiligung von Menschen als Experimentator oder Versuchsperson sind ideale Versuchsbedingungen bei bemannten Raumflügen gegeben, die aber naturgemäß nur relativ selten angeboten werden können. Eine weitere Möglichkeit sind Parabelflüge in einem speziell konfigurierten Airbus. Bei einem Parabelflug folgt der Airbus A – 300 Zero – G für ca. 22 Sekunden einer idealen Wurfparabel. Im Steigflug schräg nach oben drosselt der Flugkapitän die Triebwerke. Gäbe es keinen Luftwiderstand, müsste er den Antrieb beim Übergang in die Parabelflugbahn ganz abstellen, das Flugzeug verhielte sich dann wie ein im Vakuum geworfener Stein. Zur Überwindung des Luftwiderstandes muss er das Flugzeug jedoch mit laufenden Triebwerken aktiv nachsteuern, um auf der idealen Parabelflugbahn zu bleiben. Beschleunigungsmessgeräte helfen ihm dabei, während dieser Phase den Zustand Zero – G, d.h. Beschleunigung Null aller mitfliegenden Personen und Geräte bezüglich des Bezugsystems Flugzeugkabine, aufrechtzuerhalten. In der Kabine herrscht nach dem Äquivalenzprinzip in dieser Zeit Schwerelosigkeit. Unsere Experimente liefern das gleiche Ergebnis, als würden wir sie in einem schwerefeldlosen Labor weit draußen im Weltraum durchführen. Bei einem typischen Parabelflug von ca. 3 Stunden Dauer werden in kurzen zeitlichen Abständen nacheinander 30 solche Flugparabeln durchgeführt.

Mikrogravitation

Der Zustand, dass ein umschlossener Raum eine ideale lineare oder parabelförmige (bzw. elliptische, s.o.) Fallbewegung ausführt, lässt sich praktisch nur in (allerdings sehr guter) Näherung herstellen. Dies gilt für eine frei fallende Experimentierkapsel und den Airbus A - 300 Zero - G genau so wie für eine Raumstation auf ihrer Bahn um die Erde. Eine der Ursachen ist der Luftwiderstand, der auch in einigen hundert Kilometern Höhe über der Erdoberfläche die schnell fliegende Raumstation noch geringfügig abbremst und damit bewirkt, dass sie sich im Schwerefeld der Erde etwas anders bewegt als die in ihrem Inneren (in ruhender Luft) schwebenden Körper. Sie werden dadurch geringfügig in Richtung der Wand der Raumstation beschleunigt, gegen die die äußere Bremskraft wirkt. Auch im Airbus A - 300 Zero - G ergeben sich beim Parabelflug geringe Abweichungen von der idealen Flugbahn mit entsprechenden kleinen Beschleunigungen der im Flugzeug schwebenden Körper bzgl. der Kabinenwände. Um dieser Tatsache sprachlich gerecht zu werden, wurde der Begriff "Mikrogravitation" geprägt. Er bringt die kleinen Abweichungen der tatsächlichen experimentellen Situation von der idealen Schwerelosigkeit (Gravitation Null) zum Ausdruck. Auch während eines Kraftaustausches zwischen einer schwebenden Masse (z.B. einem Astronauten) und dem Raumschiff treten temporär kleine Abweichungen von der idealen Flugbahn auf. Für die anderen schwebenden Massen ergeben sich dadurch entsprechende kleine Relativbeschleunigungen bzw. Kräfte zu den Raumschiffwänden, die physikalisch als Wirkung einer Mikrogravitation beschrieben werden können.

"Schwerelosigkeit im Wasser"

"Schwerelosigkeit" eines Menschen im Wasser ist nach dem zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus von ganz anderer Natur. Hier wirkt durch den mit zunehmender Wassertiefe linear ansteigenden Wasserdruck von unten eine Auftriebskraft auf die Körperoberfäche, welche an jedem Ort die Gravitationskraft der Körpermasse kompensiert. Der menschliche Körper insgesamt bzw. seine einzelnen Gliedmaßen erfahren dadurch zwar im Gravitationsfeld der Erde keine Beschleunigung, sie schweben. Im Körperinneren ändern sich die Verhältnisse aber nicht. Die Schwerkraft wirkt unverändert auf alle Körpergewebe- und flüssigkeiten, der Gravitationsdruckgradient im Blutgefäßsystem von oben nach unten bleibt erhalten. Der Unterschied zum Stehen oder Liegen besteht nur darin, dass sich die der Körperschwerkraft entgegenwirkende Auftriebskraft gleichmäßig auf die untere Körperoberfläche verteilt und sich jeder langsamen Körperhaltungsänderung sofort anpasst. Die Hautoberfläche wird dadurch nur relativ gering auf Druck beansprucht. Anders als beim Liegen oder Stehen, wo sich das Körpergewicht auf wesentlich kleinere Unterstützungsflächen verteilt, wird beim Schweben in Wasser der gegen die Schwerkraft wirkende Druck auf die Haut praktisch nicht wahrgenommen. Weiterhin können die im Wasser schwebenden Gliedmaßen frei bewegt werden, ohne dass die sonst zur Überwindung der Schwerkraft zusätzlich nötigen Muskelkräfte eingesetzt werden müssen. Durch diesen Effekt eignet sich, mit gewissen Einschränkungen, das Wasserbad für Körperbeherrschungsübungen von Astronauten zur Simulation von speziellen Arbeitshaltungen -und bewegungen in Schwerelosigkeit als Vorbereitung für ihren Aufenthalt auf einer Raumstation. Mit Schwerelosigkeit in physikalischem Sinne hat dies aber nichts zu tun.