Schwerelosigkeit

 

 

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Temperatur im Weltraum

 

 

Schwerelosigkeit & Temperatur im Weltraum

 

Dem Raum selbst lässt sich keine Temperatur zuordnen, sondern nur seiner Materie und den in ihm wirkenden Strahlungen. Die (sehr dünn verteilte) Materie im Weltraum kann sehr hohe Temperaturen aufweisen. Die irdische Hochatmosphäre erreicht Temperaturen von ca. 1400 Kelvin. Das intergalaktische Plasma-Gas mit einer Dichte von weniger als einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter kann Temperaturen von mehreren Million Kelvin erreichen.

Die hohe Temperatur resultiert aus der Geschwindigkeit der Teilchen. Ein gewöhnliches Thermometer würde allerdings Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt anzeigen, da die Teilchendichte viel zu gering ist, um einen messbaren Wärmetransport zu bewirken.

Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C). Sie spielt jedoch keine Rolle für die Temperatur der Materie im Weltraum. Die kältesten Regionen im Weltraum wurden in dunklen Molekülwolken gefunden und betragen wenige zehn Kelvin.

Festkörper im erdnahen oder interplanetaren Weltraum erfahren auf ihrer sonnenzugewandten Seite große Strahlungswärme. Auf ihrer sonnenabgewandten Seite, oder wenn sich die Körper im Erdschatten befinden, erfahren sie dagegen große Kälte, weil sie dort ihre Wärmeenergie selbst in den Weltraum abstrahlen.

Beispielsweise wird der Raumanzug eines Astronauten, der bei der Internationalen Raumstation einen Außenbordeinsatz unternimmt, auf der sonnenzugewandten Seite etwa 100 °C heiß. Auf der Nachtseite der Erde ist die Sonnenstrahlung abgeschattet, und die schwache Infrarotstrahlung der Erde lässt den Raumanzug auf etwa −100 °C abkühlen.

 

Schwerelosigkeit im Weltraum

 

Entgegen einer häufigen Laienvorstellung herrscht im Weltraum keinesfalls pauschal Schwerelosigkeit. Die Gravitationskraft der gegenseitigen Anziehung von Massen wirkt überall und über weiteste Distanzen. Schwerelosigkeit tritt im Weltall immer dann auf, wenn ein Körper ausschließlich gravitative Beschleunigungen erfährt, so dass er im freien Fall ist. Gegebenenfalls führt der freie Fall den Körper auf einer Umlaufbahn um einen Himmelskörper herum.

Immer dann, wenn ein Raumflugkörper aus eigenem Antrieb beschleunigt oder bremst, ist er nicht mehr im freien Fall und es wird eine Beschleunigungskraft (g-Kraft) spürbar. Ein rotierender Körper erfährt außerdem eine seiner Größe und Rotationsgeschwindigkeit entsprechende Zentrifugalkraft. Beide Kräfte werden durch die Trägheit des Körpers verursacht.

Auch immer dann, wenn ein Körper in seinem Fall gehemmt wird, erfährt durch eine Gegenkraft Schwere. Bei einem Planeten oder Mond ohne Atmosphäre (etwa dem Erdmond) reicht der Weltraum bis zum Boden. Alle Objekte auf der Oberfläche des Himmelskörpers befinden sich somit auch zugleich im Weltraum. Da ihr Fall durch den Boden gehemmt wird, erfahren sie keine Schwerelosigkeit, sondern die normale Schwerkraft des Himmelskörpers.

 

Technische Probleme in der Schwerelosigkeit

 

Schwerelosigkeit kann bei empfindlichen technischen Geräten (besonders bei solchen mit zahlreichen beweglichen Teilen) Probleme verursachen. Physikalische Prozesse, die von der Wirkung des Gewichts von Körpern abhängen (etwa die Konvektion, siehe zum Beispiel bei Kerzen oder beim Wasser kochen), funktionieren im schwerelosen Zustand genauso wenig wie manche Geräte des Alltags wie z. B. Duschen, Waschbecken oder Toiletten.

Daher sind in Raumfähren und Raumstationen speziell an die Schwerelosigkeit angepasste sanitäre Anlagen (etwa ein Klosett mit Fäkalien-Sauganlage) im Einsatz. Getrunken wird im Weltraum auch nicht aus Tassen oder Gläsern, sondern aus verschließbaren Tuben oder Bechern mit Deckel und verschließbarem Strohhalm.

 

Vorteile der Schwerelosigkeit

 

Die Schwerelosigkeit bietet aber auch viele technische Vorteile gegenüber den Möglichkeiten, die auf der Erde bestehen. So können zum Beispiel die Adhäsionskraft und die Eigenschaften der Oberflächenspannung besser beobachtet werden, was nicht zuletzt ein großer Fortschritt für die Erforschung des Mikrokosmos ist.

Ein Beispiel für eine Beobachtung, die man auch im Alltag an frei fallenden Flüssigkeiten machen kann, ist die kettenartige Verformung einer Wassersäule (Springbrunnen, kleiner Wasserfall), die entsteht, wenn die Oberflächenspannung versucht, kugelförmige Tropfen zu bilden, während die Kohäsion versucht, die Wassersäule zusammenzuhalten. Für Raumstationen bietet die Schwerelosigkeit den Vorteil einer optimalen Platzausnutzung, da auch an Wänden und an der Decke Ausrüstungen montiert werden können.

 

Reaktion des menschlichen Körpers auf Schwerelosigkeit

 

Der menschliche Körper reagiert auf das Gefühl der Schwerelosigkeit vielfach mit der Raumkrankheit, die genauso wie die Reisekrankheit durch eine Verwirrung des Gleichgewichtssinns hervorgerufen wird. Mit fortschreitender Gewöhnung an den schwerelosen Zustand verschwinden die für die Raumkrankheit charakteristischen Symptome (Schwindelgefühl, Übelkeit bis zum Erbrechen).

Schwerelosigkeit - STS-54_Harbaugh_carries_Runco

Lang andauernde Schwerelosigkeit (2 Monate oder länger) führt zu einer Anpassung des menschlichen Körpers.

Vor allem im Wirbelsäulen- und Beinbereich führt die spürbare Entlastung zu Problemen.

Knochen- und Muskelmasse sowie das Blutvolumen schwinden, was vielen Raumfahrern bei der Rückkehr auf die Erde gesundheitliche Probleme bereitet.

Zur Vorbeugung müssen Raumfahrer auf Langzeiteinsätzen daher Sport in der Schwerelosigkeit betreiben.

Auf einem Laufband oder Ergometer wird durch körperliche Betätigung der Schwerelosigkeit einen künstlich erzeugten Widerstand entgegensetzt.

Im Jahr 2012 zeigten Untersuchungen an Astronauten auch Veränderungen an Gehirn und Augen.

Anmerkungen

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