DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Einleitung

Auf der Internationalen Raumstation ISS herrscht Schwerelosigkeit: Alles schwebt. Aber warum ist das so? Hier erklären wir es dir. Bild: NASA

Hast du schon mal Aufnahmen von den Astronautinnen und Astronauten auf der ISS gesehen und dich gefragt, wieso die in der Internationalen Raumstation schweben können? Vielleicht hast du gehört, dass sie dort „schwerelos“ sind. Aber warum? Wie funktioniert das eigentlich? Diesen Fragen wollen wir auf den Grund gehen. Du wirst feststellen, dass Schwerelosigkeit dir sogar schon im Alltag begegnet ist. Und du wirst dich wundern, was für verrückte Dinge man in Schwerelosigkeit beobachten kann.

Fangen wir mit einem kleinen Test an: Nimm mal ein Blatt Papier und einen Stift und zeichne einen Wassertropfen – so wie du ihn dir ohne lange zu überlegen vorstellst. Danach sehen wir weiter …

Mach den Wassertropfen-Check!

Du hast den Wassertropfen gemalt? Gut. Und jetzt sieh dir mal diese Aufnahme an. Da tropft Wasser aus einem Wasserhahn. Achte darauf, wie der Tropfen zu Beginn aussieht, wenn er noch am Wasserhahn hängt, und welche Form er danach annimmt, wenn er herunterfällt.

Ein tropfender Wasserhahn. Quelle: Chris 73 / Wikipedia

Hast du etwas bemerkt? Wenn er am Wasserhahn hängt, sieht der Tropfen so aus, wie du ihn wahrscheinlich auch gezeichnet hast – eben mit der typischen Tropfenform, also etwa so:

Doch wenn der Tropfen nach unten fällt, was passiert dann? Tja, dann ist er plötzlich kugelrund. Genauso sehen Wassertropfen aus, die in der Raumstation in Schwerelosigkeit schweben. Hier ein Foto mit einer Astronautin, die einen Tropfen schweben lässt:

Die Astronautin Karen Nyberg lässt einen Wassertropfen in Schwerelosigkeit schweben. Bild: NASA

Seltsam: Wenn ein Tropfen bei uns im Waschbecken nach unten fällt, sieht er wie ein schwereloser Tropfen in der ISS aus. Bedeutet das, dass er beim Fallen schwerelos ist? Die Antwort überrascht dich jetzt vielleicht, aber genauso ist es: Der Tropfen, der vom Wasserhahn nach unten fällt, ist in diesem Moment tatsächlich schwerelos! Schwer zu verstehen – aber wir erläutern dir gleich, warum Dinge im Fallen schwerelos sind. Schau dir dazu mal das kurze Video von Sina an. Als Physikerin kann sie dir schon eine Menge zu dem Thema erklären. Wir werden das Ganze in diesem Text danach vertiefen. Viel Spaß!

Der fallende Aufzug

 

Die Internationale Raumstation ISS. Bild: NASA

Um zu verstehen, wie die Astronautinnen und Astronauten schwerelos durch die ISS schweben können, überlegen wir uns erst mal ein einfaches Beispiel auf der Erde. Wir stellen uns vor: Eine Person würde sich in einem Aufzug an die Decke hängen und loslassen. Zugegeben: Das macht man eigentlich nicht, aber es ist ja nur ein Gedankenexperiment. Natürlich fällt die Person dann einfach auf den Boden des Aufzugs. Wenn aber das Kabel des Aufzugs reißt und er abstürzt … Keine Angst, das kann in Wirklichkeit nicht passieren! Also: Wenn der Aufzug nach unten saust und die Person sich gleichzeitig von der Decke fallen lässt, passiert etwas Spannendes: Die Person fällt jetzt nicht mehr auf den Boden, sondern sie schwebt frei in der Kabine herum. Sie ist im Aufzug schwerelos.

Du fragst dich jetzt vielleicht: Aber ist der Aufzug nicht schneller, weil er schwerer ist? Die Antwort lautet: nein. Nimm mal ein Blatt Papier und lass es zu Boden fallen. Du wirst sehen, dass es ziemlich lange dafür braucht. Jetzt knüllst du das gleiche Blatt Papier zusammen und lässt es nochmal fallen. Auf einmal fällt es viel schneller. Was schließen wir daraus? Dass ein Blatt Papier schwerer wird, wenn man es zusammenknüllt? Natürlich nicht! Das Blatt ist durch das Zusammenknüllen nicht schwerer geworden. Die Lösung liegt in der Luft. Und zwar im wahrsten Sinne: Die Luft besteht nämlich aus winzig kleinen Teilchen. Und sie bremsen fallende Objekte ab. Das nennt man den Luftwiderstand. Und die zerknüllte Papierkugel bietet der Luft weniger Angriffsfläche als ein normales Blatt Papier, trifft also auf weniger Luftwiderstand und fällt deshalb schneller. Also: Wie schnell ein Gegenstand auf die Erde fällt, hängt in erster Linie von seinem Luftwiderstand ab. Wenn aber irgendwo keine Luft ist wie z. B. auf dem Mond, dann fallen alle Dinge gleich schnell. Das hat einer der Apollo-Astronauten auf der Mondoberfläche sogar einmal vorgemacht. Sina hat das in ihrem Film auch schon kurz erwähnt. Hier nochmal das ganze Video, bei dem ein Hammer und eine Feder auf den Mondboden fallen.

Zurück zu unserem Aufzug: Er fällt nach unten und alles in seinem Inneren fällt gleich schnell mit – und schwebt dadurch. Schwerelos wird man also, wenn man Richtung Erdmittelpunkt fällt. Das nennt man in der Physik den „freien Fall“.

Mit der Internationalen Raumstation ist es ähnlich wie mit dem Aufzug in unserem Gedankenexperiment: Sie befindet sich ebenfalls in einem freien Fall. Allerdings nicht senkrecht nach unten, sondern um die Erde herum. Und zwar mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit von 28.000 Kilometern pro Stunde. Wäre sie nicht so schnell, würde sie auf die Erde fallen. Aber mit diesem hohen Tempo fällt sie gewissermaßen andauernd an der Erde vorbei – und alles, was sich im Inneren der Station befindet, fällt mit ihr mit. Darum herrscht auf der Raumstation Schwerelosigkeit.

Weil das mit dem freien Fall um die Erde herum schwer zu verstehen ist, hier noch ein anderes Beispiel: Wir verkleinern mal in Gedanken die ISS und stellen uns eine Plastikflasche vor – am besten mit drei kleinen Spielzeugfigürchen drin. Die Flasche ist in diesem Beispiel die ISS, die Figürchen – du hast es erraten – sind die Astronautinnen und Astronauten. Wenn du die Flasche schräg nach oben wirfst, fällt sie in hohem Bogen durch die Luft und landet nach einigen Metern wieder auf der Erde. Die Figürchen im Innern bewegen sich auf diesem kurzen Flug genauso schnell wie die Flasche und purzeln in ihr umher. Für einen kleinen Augenblick sind sie in der Flasche schwerelos – bis zum Aufprall auf dem Boden. Könntest du die Flasche aber so fest und schnell werfen, dass sie mit hoher Geschwindigkeit um die ganze Erde herumfliegt – tja, dann würden die Figürchen in ihrem Inneren die ganze Zeit schweben. Und genau das passiert in der Raumstation. Sie fällt und fällt und fällt in hohem Bogen um die Erde – und die Astronautinnen und Astronauten in ihrem Inneren fallen mit ihr mit. Das Plastikflaschen-Experiment kannst du ja mal ganz einfach nachmachen. Um Spielzeugfigürchen hineinzubekommen, muss man sie erst aufschneiden und danach wieder verkleben. Noch einfacher geht es, wenn du ein paar Papierkügelchen einfach durch die Öffnung hineingibst. Wirf die Flasche dann einfach direkt vor dir etwas in die Höhe und beobachte, was darin passiert. Du wirst sehen: Die Papierkügelchen schweben in der Flasche umher.

Freier Fall – nicht nur nach unten!

Parabelflüge sind so etwas wie eine Achterbahnfahrt im Himmel: immer rauf und runter. Befindet sich der Flieger oben auf der „Kuppe“ der Flugbahn, schweben die Insassen für etwa 20 Sekunden schwerelos umher. Dann fängt der Pilot das Flugzeug ab. Im Laufe eines Fluges wird das bis zu 30 Mal wiederholt. Bild: DLR

Vorhin haben wir gesagt, dass Schwerelosigkeit entsteht, wenn etwas im freien Fall in Richtung Erdmittelpunkt fällt – also nach unten. Das stimmt zwar: In sogenannten Falltürmen wird so auch tatsächlich Schwerelosigkeit erzeugt. Da fällt eine Kapsel aus großer Höhe in die Tiefe – und in der Kapsel gibt es für wenige Sekunden Schwerelosigkeit.

Erst steigt das Flugzeug steil nach oben. Dann werden die Triebwerke gedrosselt und der Flieger kippt nach vorne in die Tiefe. Bilder: NASA

Allerdings muss man hinzufügen: Den freien Fall gibt es nicht nur beim Fallen nach unten, sondern in jeder Richtung – auch nach oben. Die kleinen Figürchen oder Kügelchen im Mini-Experiment mit der Plastikflasche machen es ja vor: Wenn du die Flasche hochwirfst, schweben sie auch schon darin umher, wenn die Flugbahn nach oben führt – und nicht erst auf dem Weg nach unten. Genau das passiert auch bei sogenannten Parabelflügen. Da steigt das Flugzeug erst steil nach oben. Dann nehmen die Pilotinnen und Piloten plötzlich den Schub weg und der Flieger kippt langsam vornüber und stürzt in die Tiefe. Und in der ganzen Phase, in der das Flugzeug antriebslos ist, herrscht in Inneren Schwerelosigkeit – also nicht nur beim Sturz in die Tiefe, sondern auch schon vorher, wenn das Flugzeug gewissermaßen nach oben „fällt“.

In diesem Video, das wir mit dem Wissenschaftsjournalist Karsten Schwanke gedreht haben, fasst er das alles nochmal zusammen:

Medizinforschung mit „dickem Kopf“

Auf der ISS herrscht andauernd Schwerelosigkeit, weil sie sich im freien Fall befindet. Doch wozu braucht man überhaupt einen Ort, an dem man lange schwerelos ist? Ein Beispiel ist die medizinische Forschung. In Schwerelosigkeit ändern sich nämlich viele Abläufe in unserem Körper. Das sieht man den Astronautinnen und Astronauten sogar an: Ihre Gesichter sind dann etwas aufgedunsen. Man nennt das „puffy face“. Das liegt am Blutkreislauf. Unser Herz ist daran gewöhnt gegen die Schwerkraft zu arbeiten: Es pumpt andauernd Blut nach oben. Also: Die Schwerkraft zieht nach unten, das Herz pumpt nach oben – und das gleicht sich aus, sodass alles in unserem Körper schön gleichmäßig verteilt ist. In Schwerelosigkeit fehlt nun diese Kraft, die alles nach unten zieht. Das Herz arbeitet aber zunächst normal weiter. Dadurch wird jetzt zu viel Blut in den Kopf gepumpt: Das Gesicht schwillt an. Nach einiger Zeit passt sich das Herz-Kreislaufsystem an die neue Umgebung an und die Astronautinnen und Astronauten sehen wieder normal aus.

Der „dicke Kopf“ ist nicht die einzige Veränderung des Körpers unter Langzeit-Schwerelosigkeit. Auch andere Abläufe in unserem Organismus ändern sich – etwa an den Muskeln: Weil wir auf der Erde immer gegen die Schwerkraft arbeiten müssen, trainieren wir ganz automatisch unsere Muskulatur. Bei den Astronautinnen und Astronauten spielt die Schwerkraft aber keine Rolle mehr. Die Muskeln werden daher weniger beansprucht und dadurch immer schwächer – wie bei Menschen, die lange krank im Bett liegen müssen. Darum müssen Astronautinnen und Astronauten auf der Raumstation täglich mehrere Stunden trainieren. Sie schnallen sich dabei auf Laufbändern fest, um nicht wegzuschweben, oder sie treten auf einem Fahrrad-Ergometer in die Pedalen. Auch auf die Knochen hat die Schwerelosigkeit Auswirkungen: Sie werden ebenfalls schwächer – so ähnlich wie bei älteren Menschen, die unter einer Krankheit namens Osteoporose leiden. Hinzu kommen Gleichgewichtsstörungen und andere Symptome, die Krankheiten ähneln, die wir auf der Erde kennen. Nach der Rückkehr zur Erde normalisiert sich das alles wieder. Medizinerinnen und Mediziner werten später all die Daten aus und ziehen so Rückschlüsse auf die Prozesse im Körper. Insgesamt ist das vereinfacht gesagt so, als ob man die Entstehung einer Krankheit und auch die Genesung in allen Einzelheiten genau verfolgen kann – und das ist natürlich auch für die medizinische Forschung auf der Erde hilfreich.

Neue Materialien, Zucker und Schokolinsen

Neben der Medizin gibt es noch andere Forschungsbereiche, die die Schwerelosigkeit nutzen. Da werden unter anderem die Abläufe bei der Herstellung von neuen Materialien getestet. Beispielsweise erhitzt man in speziellen Öfen verschiedene Metalle, bis sie flüssig werden. Dann untersucht man, was in dieser flüssigen Schmelze passiert. Wie lassen sich dabei zwei unterschiedliche Metalle gleichmäßig vermischen? Bei welchen Temperaturen funktioniert das am besten? Das lässt sich ohne die störende Schwerkraft viel besser beobachten – und die Ergebnisse werden dann auf der Erde eingesetzt, um hier die Produktion in der Metallindustrie zu verbessern.

Hier noch ein Video mit Karsten Schwanke, in dem wir einige dieser Forschungsarbeiten kurz erklären:

Besonders interessant ist bei all diesen Forschungsarbeiten, dass ohne die Schwerkraft plötzlich andere Kräfte zum Vorschein kommen, die sonst von ihr „überlagert“ werden. Ein einfaches Beispiel haben der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst und seine italienische Kollegin Samantha Cristoforetti in einem Experiment vorgeführt, das wir uns speziell für junge Leute überlegt hatten. Alex hat dabei Zucker in einem kleinen Beutel hin und her geschüttelt und Samantha hat Schokolinsen in einem durchsichtigen Behälter schweben lassen. In beiden Fällen zeigte sich: Die kleinen Teilchen – egal ob Zucker oder Schokolinsen – schwebten zwar etwas umher, klumpten aber dann aneinander. Denn immer wenn Zuckerstückchen oder Schokolinsen zusammenstießen, wurden sie durch den Aufprall etwas langsamer, bis sie sich durch die vielen Zusammenstöße kaum noch bewegten und schließlich aneinanderklebten. Dabei verteilen sich die Teilchen aber nicht gleichmäßig im Raum, wie man es erwarten könnte. Sondern sie bilden „Klumpen“ – sogenannte Cluster. Dieses Phänomen konnte man so nur in Schwerelosigkeit beobachten. Man musste also die Schwerkraft gewissermaßen ausschalten, um es untersuchen zu können. Hier kannst du dir das Video ansehen – und da erklärt Samantha auch, was das Ganze mit Waschpulver und mit der Entstehung von Planeten zu tun hat:

Schwerelosigkeit bedeutet: Es gibt kein „Leicht“ und „Schwer“. Dabei treten auch andere seltsame Effekte auf. Ein Beispiel: Auf der Erde ist heiße Luft leichter als kalte Luft. Deshalb steigt sie über einer brennenden Kerze nach oben und dadurch strömt von der Seite kalte Luft zur Kerze nach. Mit dieser kalten Luft kommt auch Nachschub an Sauerstoff zur Kerze und dadurch brennt sie so schön hell, wie wir es von Kerzen eben kennen. In Schwerelosigkeit aber steigt die heiße Luft nicht nach oben: Sie ist ja genauso leicht oder schwer wie die übrige Luft. Also kann auch keine kalte Luft mit frischem Sauerstoff nachströmen. Da Feuer aber Sauerstoff zum Brennen benötigt, wird die Flamme immer kleiner und kleiner. Das siehst du hier auf diesen beiden Bildern im Vergleich:

Links eine Kerzenflamme auf der Erde, rechts in Schwerelosigkeit. Bilder: NASA

So, das war unser kurzer Ausflug in die Welt der Schwerelosigkeit. Wie du sehen konntest, bleibt uns auf der Erde viel verborgen, was sich erst in Schwerelosigkeit deutlich zeigt. Deshalb ist es wichtig auch in Zukunft weiter in und mit Schwerelosigkeit zu forschen, denn es gibt noch viel zu entdecken.