Schwerelosigkeit Erleben und Verstehen

Das Gefühl der Schwerelosigkeit fasziniert die Menschheit seit jeher. Wir kennen es aus Bildern von Astronauten, die scheinbar mühelos durch ihre Raumstation schweben. Doch wie genau entsteht dieser Zustand, und ist er wirklich dasselbe wie die Abwesenheit von Schwerkraft? Tatsächlich wirkt die Schwerkraft auch im Orbit noch sehr stark. Was wir als Schwere empfinden, ist oft die Gegenkraft, die uns daran hindert, der Schwerkraft zu folgen – sei es der Boden, der Stuhl oder ein Bett. Wenn diese Gegenkraft fehlt, erleben wir Schwerelosigkeit.

Die Schwerkraft der Erde wirkt auf jeden Teil unseres Körpers gleichmäßig. Wenn wir auf dem Boden stehen, übt der Boden eine Kraft nach oben aus, die unser Gewicht trägt. Diese Kraft spüren wir hauptsächlich an unseren Füßen, was dazu führt, dass unser Körper leicht zusammengestaucht wird. Wenn diese Gegenkraft plötzlich wegfällt, wie im freien Fall, fühlen wir uns schwerelos, da alle Teile unseres Körpers mit derselben Beschleunigung nach unten fallen.

Wie man Schwerelosigkeit erreichen kann

Es gibt verschiedene Wege, den Zustand der Schwerelosigkeit oder zumindest der Mikrogravitation zu erleben oder zu simulieren. Einige sind kurzlebig und im Alltag zu finden, andere erfordern spezielle Technologien und sind der Forschung oder Raumfahrt vorbehalten.

Der freie Fall

Der einfachste Weg, Schwerelosigkeit zu erfahren, ist der freie Fall. Dabei fallen Körper ohne den störenden Einfluss von Luftreibung. In einem evakuierten Fallturm gelingt dies besonders gut. Jeder Körper, der geworfen wird – ob senkrecht, schräg oder waagrecht – befindet sich während seiner Flugbahn (Wurfparabel) im Zustand der Schwerelosigkeit, solange keine Luftreibung wirkt. Dieses Prinzip nutzen verschiedene Methoden.

Parabelflüge

Eine bekannte Methode zur Erzeugung von temporärer Schwerelosigkeit sind Parabelflüge. Dabei fliegt ein speziell umgebautes Flugzeug, wie ein Airbus A310, eine bogenförmige Flugbahn. Zuerst steigt das Flugzeug steil an, dann wird der Schub reduziert, sodass es sich für eine kurze Zeit im freien Fall befindet. Während dieser Phase, die bis zu 22 Sekunden dauern kann, herrscht im Inneren des Flugzeugs annähernde Schwerelosigkeit. Die Luftreibung am Flugzeug wird dabei durch die Triebwerke oder Flugmanöver kompensiert. Parabelflüge wurden ursprünglich zum Training von Astronauten genutzt, dienen heute aber vor allem wissenschaftlichen Experimenten in Mikrogravitation, beispielsweise in der Werkstoffkunde oder Zellbiologie. Auch kommerzielle Parabelflüge werden angeboten.

Schwerelosigkeit in der Erdumlaufbahn

Astronauten in der Erdumlaufbahn, wie an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), erleben über lange Zeiträume hinweg Schwerelosigkeit. Obwohl in der Höhe der ISS (ca. 500 km) die Erdschwerkraft immer noch etwa 90 % ihrer Stärke auf Meereshöhe hat, fühlen sich die Astronauten schwerelos. Das liegt daran, dass sich die Raumstation und alles in ihr, einschließlich der Astronauten, im ständigen freien Fall um die Erde befinden. Sie fallen zwar zur Erde hin, aber aufgrund ihrer hohen horizontalen Geschwindigkeit verfehlen sie die Erde kontinuierlich und bewegen sich stattdessen auf einer Kreisbahn. Da alle Massen gleichmäßig von der Schwerkraft beschleunigt werden und keine nennenswerte Gegenkraft wirkt (abgesehen von geringer Luftreibung und Gezeitenkräften), entsteht das Gefühl der Schwerelosigkeit.

Diese Schwerelosigkeit im Orbit ist jedoch nicht perfekt. Geringfügige Effekte sind spürbar, hauptsächlich aufgrund von:

• Inhomogenität des Gravitationsfeldes: Die Gravitation nimmt mit der Entfernung von der Erde ab. Innerhalb der Raumstation ist die Gravitationskraft am erdfernsten Punkt geringfügig schwächer als am erdnächsten Punkt.
• Zentrifugalkraft: Der erdfernere Teil eines Objekts im Orbit bewegt sich auf einer leicht größeren Bahn und erfährt eine größere Zentrifugalkraft als der erdnähere Teil.
• Luftwiderstand: Die sehr dünne Atmosphäre in dieser Höhe führt zu einer geringen Abbremsung, die eine kleine, nach vorne gerichtete Kraft auf Insassen ausübt, da die Abbremsung nur schubweise ausgeglichen wird.
• Gezeitenkräfte: Die Kombination aus inhomogener Gravitation und Zentrifugalkraft führt zu Gezeitenkräften, die Objekte tendenziell von der Mitte der Raumstation weg und zu den äußeren Wänden (erdfern und erdnah) hin bewegen.

Aufgrund dieser Effekte ist die Schwerelosigkeit im Orbit präziser als Mikrogravitation zu bezeichnen.

Beispiele für Schwerelosigkeit im Alltag

Auch ohne ins All zu fliegen oder einen Parabelflug zu buchen, können wir annähernde Schwerelosigkeit für sehr kurze Momente erleben:

• Beim Sprung auf einem Trampolin: Am höchsten Punkt des Sprungs, kurz bevor es wieder nach unten geht, kann man für etwa eine Sekunde ein Gefühl der Schwerelosigkeit haben.
• Beim Werfen eines Gefäßes: Wenn man eine Flasche mit Nüssen oder eine Kugel mit Wasser und Luftblasen in die Luft wirft, bewegen sich die darin befindlichen Gegenstände oder Blasen untereinander quasi schwerelos, solange das Gefäß der Wurfparabel folgt.
• Turmspringen oder Bungeespringen: Während des Falls fühlt sich der Springer schwerelos, bis er ins Wasser eintaucht oder das Seil straff wird.
• Fallschirmspringen: Nach dem Absprung gibt es einige Sekunden der Schwerelosigkeit, bis der Luftwiderstand merklich wird.
• Vergnügungsparks: Bei Achterbahnen, besonders bei Abfahrten oder über Kuppen (Airtime), und bei Freifalltürmen kann man für kurze Augenblicke Schwerelosigkeit spüren.

Wichtig ist die Unterscheidung zur Simulation von Schwerelosigkeit unter Wasser. Beim Training von Astronauten im Wasser wird die Schwerkraft durch den statischen Auftrieb kompensiert. Dies erzeugt zwar ein Schweben, aber der Auftrieb ist eine von außen wirkende Oberflächenkraft, die nicht dasselbe Gefühl wie echter freier Fall oder Orbit erzeugt.

Auswirkungen von Mikrogravitation auf Leben und Technik

Die Abwesenheit der gewohnten Schwerkraft hat tiefgreifende Auswirkungen:

• Technische Geräte: Empfindliche Geräte mit beweglichen Teilen können Probleme bekommen.
• Physikalische Prozesse: Konvektion (Wärmetransport durch Strömung), wie sie z.B. beim Kochen von Wasser oder bei einer Kerzenflamme auftritt, funktioniert in Schwerelosigkeit anders oder gar nicht.
• Alltagsgegenstände: Duschen, Waschbecken und Toiletten funktionieren nicht nach dem Erd-Prinzip. In Raumstationen werden spezielle Systeme mit Sauganlagen verwendet. Auch Trinken aus offenen Gefäßen ist nicht möglich; es werden verschließbare Behälter genutzt, obwohl spezielle Kapillar-Kaffeetassen entwickelt wurden.
• Der menschliche Körper: Anfänglich leiden viele Raumfahrer unter Raumkrankheit, ähnlich der Reisekrankheit, verursacht durch eine Verwirrung des Gleichgewichtssinns. Diese Symptome (Schwindel, Übelkeit) verschwinden meist mit der Gewöhnung. Langfristige Mikrogravitation führt jedoch zu ernsthaften Anpassungen: Knochen- und Muskelmasse nehmen ab, das Blutvolumen schwindet. Um dem entgegenzuwirken, müssen Astronauten regelmäßig trainieren (Laufband, Ergometer), um künstlichen Widerstand zu erzeugen. Studien zeigten auch Veränderungen an Gehirn und Augen nach Langzeitaufenthalten im All.

Forschung in der Schwerelosigkeit

Der Zustand der Schwerelosigkeit bietet einzigartige Bedingungen für die Forschung, insbesondere zur Untersuchung von Phänomenen, die auf der Erde von der Schwerkraft überlagert werden.

Experimente in Falltürmen

Falltürme ermöglichen Experimente im freien Fall über einige Sekunden. Der 146 Meter hohe Fallturm in Bremen hat eine evakuierte Fallstrecke von 110 Metern. Eine Kapsel mit dem Experiment fällt hier in etwa 4,7 Sekunden. Mit einem Katapult kann die Kapsel nach oben geschossen werden, wodurch eine Schwerelosigkeitszeit von etwa 9,2 Sekunden während des Auf- und Abstiegs erreicht wird. Die Kapsel wird am Ende des Falls in einem Behälter mit Polystyrol-Granulat abgebremst. Kleinere Falltürme, wie der 40 Meter hohe Einstein-Elevator in Hannover mit 20 Metern Fallstrecke, ermöglichen kürzere Schwerelosigkeitszeiten (ca. 4 Sekunden), aber dafür eine höhere Anzahl von Versuchen pro Tag (bis zu 100).

Eine historische Anwendung von Falltürmen war die Herstellung von Schrotkugeln, bei der flüssiges Blei im freien Fall erstarrte und durch die Oberflächenspannung eine Kugelform annahm.

Forschung auf der ISS und mit Höhenforschungsraketen

Für längere Experimente wird die ISS genutzt. Forscher der Universität Hohenheim untersuchten dort beispielsweise die Auswirkungen von Schwerelosigkeit auf Zellmembranen und die Entwicklung von Nervenzellen. Sie schickten automatisierte Mini-Labore mit menschlichen Tumorzellen (als Modell für Nervenzellen) ins All. Diese Zellen wurden auf der ISS kultiviert, zur Entwicklung angeregt und chemisch fixiert, bevor sie zur Analyse auf die Erde zurückkehrten. Diese Forschung, gefördert vom DLR über das BMWi, soll grundlegende Fragen beantworten, z.B. wie Medikamente in Zellen gelangen und wie sich Nervenzellen ohne Schwerkraft entwickeln. Solche Erkenntnisse könnten sowohl Astronauten im All als auch Patienten auf der Erde helfen, indem sie zur Optimierung von Medikamenten beitragen.

Höhenforschungsraketen bieten ebenfalls eine Plattform für Forschung in Mikrogravitation. Sie fliegen bis zu 300 km hoch und fallen dann zurück zur Erde. Während des ballistischen Flugs gibt es eine Phase von bis zu 6 Minuten Schwerelosigkeit, länger als bei Parabelflügen, aber kürzer als auf der ISS. Experimente müssen hierfür miniaturisiert und voll automatisiert sein.

Häufig gestellte Fragen zur Schwerelosigkeit

Viele Menschen haben Fragen zu diesem besonderen Zustand:

Ist Schwerelosigkeit dasselbe wie keine Schwerkraft?
Nein. Die Schwerkraft der Erde wirkt auch in großer Höhe noch stark. Schwerelosigkeit wird empfunden, wenn die Gegenkraft zur Schwerkraft fehlt, wie im freien Fall oder im Orbit, wo alles mit der gleichen Beschleunigung fällt.

Wie lange kann man Schwerelosigkeit erleben?
Im Alltag nur für Sekundenbruchteile oder wenige Sekunden (Sprung, Achterbahn, Fallturm). Bei Parabelflügen für etwa 20-30 Sekunden pro Parabel. Mit Höhenforschungsraketen für einige Minuten. Auf der ISS oder anderen Raumfahrzeugen in der Erdumlaufbahn über Wochen und Monate.

Ist Schwerelosigkeit gefährlich für den menschlichen Körper?
Kurzfristig kann sie zur Raumkrankheit führen. Langfristig passt sich der Körper an die fehlende Belastung an, was zu Knochen- und Muskelschwund sowie Veränderungen im Blutkreislauf führen kann. Dem wird mit intensivem Training entgegengewirkt. Es gibt auch Hinweise auf Auswirkungen auf Augen und Gehirn.

Können Pflanzen in Schwerelosigkeit wachsen?
Ja, aber ihr Wachstum und ihre Orientierung können sich ändern, da sie sich auf der Erde nach der Schwerkraft ausrichten. Forschung dazu findet auf der ISS statt.

Warum schweben Astronauten in der Raumstation?
Weil die Raumstation und die Astronauten sich gemeinsam im freien Fall um die Erde bewegen. Es gibt keine Bodenkraft, die sie festhält, sodass sie im Verhältnis zur Station schweben.

Fazit

Schwerelosigkeit ist ein faszinierender physikalischer Zustand, der nicht durch die Abwesenheit von Schwerkraft, sondern durch die Abwesenheit von Gegenkräften entsteht. Ob für Sekunden im Fallturm, für Minuten bei Parabelflügen oder für lange Zeit im Orbit – die Möglichkeit, diesen Zustand zu erleben und wissenschaftlich zu nutzen, eröffnet einzigartige Einblicke in Physik, Biologie und Technik. Die Forschung unter Mikrogravitation liefert nicht nur Erkenntnisse für die Raumfahrt, sondern kann auch Anwendungen für das Leben auf der Erde finden, wie die Optimierung von Medikamenten.

Wenn du mehr spannende Artikel wie „Schwerelosigkeit Erleben und Verstehen“ entdecken möchtest, schau doch mal in der Kategorie Bürobedarf vorbei!