Schwerelosigkeit – einfach erklärt

Begriff und physikalische Grundlage

Schwerelosigkeit bezeichnet einen Zustand, in dem die Gewichtskraft auf einen Körper nicht spürbar ist. Der Körper befindet sich im freien Fall und übt beispielsweise auf eine mitbewegte Unterlage keinen Druck aus. Der Zustand annähernder Schwerelosigkeit wird Mikrogravitation genannt.

Schwerkraft wirkt auf der Erde als Volumenkraft auf den ganzen Körper und jeden seiner Teile. Das Gewicht, das Menschen spüren, entsteht jedoch vor allem durch die Gegenkraft des Bodens. Diese wirkt an den Füßen stärker als am Hals, weshalb der Körper etwas zusammengestaucht wird. Im freien Fall fehlt diese Gegenkraft. Schwerelosigkeit gilt dabei gleichermaßen für alle Teile eines ausgedehnten Körpers: Ein losgelassener Gegenstand schwebt neben einem Raumfahrer, weil Raumstation, Raumfahrer und Gegenstand im Gravitationsfeld der Erde praktisch gleich beschleunigt werden.

Eine vollständig exakte Schwerelosigkeit eines nicht punktförmigen Körpers wäre nur in einem räumlich konstanten Gravitationsfeld möglich, das nicht existiert. In einem realen Gravitationsfeld erfahren verschiedene Teile eines ausgedehnten Körpers leicht unterschiedliche Beschleunigungen. Diese Unterschiede zeigen sich als Gezeitenkraft.

Schwerelosigkeit in der Erdumlaufbahn

In erdnahen Umlaufbahnen herrscht nahezu Schwerelosigkeit, obwohl in der Höhe einer üblichen Raumstation noch etwa 90 % der Erdschwerkraft wirken. Raumfahrer spüren sie nicht, weil die Schwerkraft alle Massen gleichmäßig beschleunigt und keine weiteren Kräfte wirken. Die Raumstation, ihre Besatzung und Gegenstände befinden sich gemeinsam im freien Fall um die Erde.

Die Schwerelosigkeit ist dennoch nicht perfekt:

Das Gravitationsfeld der Erde ist inhomogen, nimmt also mit wachsender Entfernung ab. Im erdnahen Bereich bis zu wenigen hundert Kilometern Höhe gilt als Faustregel: Für je drei Meter Entfernung von der Erde sinkt die Feldstärke um ein Millionstel. Innerhalb eines Raumschiffs ist der Unterschied deshalb messbar.
Der erdfernere Teil eines Körpers erfährt eine größere Zentrifugalkraft als der erdnähere Teil.
Die sehr dünne Atmosphäre erzeugt Luftwiderstand und bremst das Raumschiff durch Reibung. Da diese Abbremsung nur schubweise durch kleine Triebwerke ausgeglichen wird, wirkt auf Raumfahrer zeitweise eine nach vorne gerichtete Kraft.

Die aus den ersten beiden Punkten entstehende Gezeitenkraft ist oberhalb des Schwerpunkts des Raumschiffs von der Erde weg gerichtet; im übrigen Raum wirkt sie zur Erde hin. Auf Dauer fällt daher alles an die obere beziehungsweise untere Wand des Raumschiffs.

Möglichkeiten und Beispiele im Alltag

Der einfachste Weg, Schwerelosigkeit für begrenzte Zeit zu erreichen, ist der freie Fall. Das gilt für senkrecht, schräg oder waagrecht geworfene Körper beziehungsweise für Körper auf einer Wurfparabel, sofern keine weitere Krafteinwirkung, insbesondere keine Luftreibung, vorhanden ist.

Annähernde Schwerelosigkeit tritt unter anderem auf:

Bei einem Sprung aus 1,5 Meter Höhe auf ein Trampolin kann das Gefühl mehr als eine Sekunde dauern.
Beim Werfen eines Gefäßes verhalten sich die darin befindlichen Gegenstände untereinander quasi schwerelos, etwa Nüsse oder Murmeln in einer großen leeren Plastikwasserflasche.
Beim Turm- und Bungeespringen besteht das Gefühl einige Sekunden lang, bis die Wasseroberfläche berührt wird oder sich das Gummiseil strafft. Beim Fallschirmsprung wird der Luftwiderstand nach einigen Sekunden deutlich spürbar.
Achterbahnen und Freifalltürme erzeugen Sekunden dauernde Schwerelosigkeit, die im Fan-Jargon Airtime genannt wird.

Bei Parabelflügen sind bis zu 90 Sekunden Schwerelosigkeit möglich. Die Luftreibung wird durch Triebwerksschub oder geeignete Flugmanöver kompensiert. Parabelflüge dienen vor allem wissenschaftlichen Experimenten in der Mikrogravitation, beispielsweise in Werkstoffkunde und Zellbiologie, sowie zum Testen von Raumfahrttechnologien. Kommerzielle Parabelflüge gibt es in verschiedenen Ländern.

Unterwasser-Simulationen für Raumfahrer erzeugen keine echte Schwerelosigkeit und keine Gegenkraftlosigkeit. Die Schwerkraft wird lediglich durch den statischen Auftrieb des Wassers kompensiert. Dieser wirkt als äußere Oberflächenkraft, weshalb man sich im Wasser vom Wasser getragen fühlt und nicht wie im freien Fall.

Auswirkungen auf Technik und Menschen

Mikrogravitation verändert technische und biologische Vorgänge. Empfindliche Geräte, besonders solche mit vielen beweglichen Teilen, können Probleme bekommen. Prozesse, die vom Gewicht abhängen, funktionieren nicht wie auf der Erde. Dazu gehört die Konvektion, also die durch Gewichtsunterschiede verursachte Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen, etwa beim Wasserkochen oder bei Kerzenflammen. Auch Duschen, Waschbecken und Toiletten müssen speziell angepasst werden. In Raumfahrzeugen werden unter anderem Toiletten mit Fäkalien-Sauganlage sowie verschließbare Tuben oder Becher mit Deckel und verschließbarem Strohhalm verwendet. Es wurde sogar eine Kapillar-Kaffeetasse entwickelt.

Beim Menschen kann Schwerelosigkeit zunächst die Raumkrankheit auslösen. Sie entsteht wie die Reisekrankheit durch eine Verwirrung des Gleichgewichtssinns und verursacht Schwindel, Übelkeit und manchmal Erbrechen. Mit zunehmender Gewöhnung verschwinden diese Beschwerden meist.

Bei mindestens zwei Monaten Schwerelosigkeit passt sich der Körper an die Entlastung von Wirbelsäule und Beinen an. Knochen- und Muskelmasse sowie das Blutvolumen nehmen ab. Deshalb müssen Raumfahrer durch Training auf einem Laufband oder Ergometer Belastung erzeugen. Untersuchungen zeigten 2012 außerdem Veränderungen an Gehirn und Augen. Die frühere Befürchtung eines Organversagens, besonders des kardiovaskulären Systems, bestätigte sich nicht. Nach der Rückkehr zur Erde tritt jedoch oft orthostatische Intoleranz auf, also eine Kreislaufstörung ähnlich der nach längerer Bettlägerigkeit. Dadurch steigt die Gefahr eines orthostatischen Kollapses. Bei Rückkehrern wurden ein vermindertes Blutvolumen, ein geringerer Gefäßwiderstand und ein geringerer Noradrenalin-Anstieg festgestellt.

Freifall-Experimente und ihre Ergebnisse

Schwerelosigkeit ermöglicht die Untersuchung von Adhäsionskraft und Oberflächenspannung. Bei frei fallenden Wassertropfen formt die Oberflächenspannung die Flüssigkeit zu Kugeln. Bei höherer Geschwindigkeit bremst die Luft den Fall; die Tropfen werden dann in Fallrichtung abgeplattet. Das Zusammenspiel von Oberflächenspannung und Kohäsion erklärt auch, warum sich eine frei fallende Wassersäule, etwa bei einem kleinen Wasserfall oder Springbrunnen, kettenartig verformt: Die Oberflächenspannung strebt Kugeltropfen an, während die Kohäsion die Wassersäule zusammenhält.

Wichtige Versuchsanlagen sind:

Der 146 Meter hohe Bremer Fallturm besitzt eine 110 Meter hohe Fallstrecke in einem evakuierten Rohr mit 3,5 Meter Durchmesser. Die Fallzeit beträgt etwa 4,7 Sekunden. Eine Fallkapsel wird am Ende in einem 8 Meter hohen Behälter mit feinkörnigem Polystyrol-Granulat gebremst; dabei erreichen die Versuchskandidaten 167 km/h. Seit 2004 gibt es zusätzlich ein Katapult. Beim freien Auf- und Abstieg sind etwa 9,2 Sekunden Schwerelosigkeit möglich.
Der 40 Meter hohe Einstein-Elevator am Hannover Institut für Technologie der Leibniz Universität Hannover verfügt über eine 20 Meter lange Fallstrecke für freien Auf- und Abstieg. Er ermöglicht bis zu 300 Versuche pro Tag mit vier Sekunden Schwerelosigkeit.
Ein etwa zwei Meter hoher Minifallturm liefert 0,6 Sekunden Fallzeit, was für Beobachtung und Auswertung per Videosignal und Computer ausreicht.

Eine ältere Anwendung von Falltürmen ist die Herstellung von Schrotkugeln: Flüssiges Blei wird durch ein feines Sieb fallen gelassen. Während des freien Falls nehmen die Bleitropfen eine runde Kugelform an und erstarren.