News: Freischwimmer
Vergessen wir Feststoffraketen, Ionentriebwerke und Sonnensegel - Fortbewegung im All kann auch anders funktionieren. Den physikalischen Gesetzen scheinbar zum Trotz bringt einen auch simples Rudern mit den Armen vorwärts.
© (Ausschnitt)
Raumfahrt ist teuer – nicht zuletzt deshalb, weil einige hundert Tonnen Treibstoff verbrannt und aus den Triebwerken geblasen werden müssen, um ein paar Tonnen Nutzlast in den Orbit zu befördern. Und so forscht die NASA seit langem mit erheblichem Aufwand an alternativen Antriebsmethoden.
Äußerst erfolgreich wird dabei bereits das Kräftespiel von Raumsonden mit den Planeten des Sonnensystems praktiziert, um beispielsweise genug Schwung für eine weite Reise zu holen. Und auch mit Sonnensegeln lässt es sich vortrefflich in der steten Brise unseres Heimatsterns treiben. Andere Methoden, wie etwa einen Körper mit einem Laserstrahl ins All zu katapultieren, sind jedoch eher Zukunftsmusik.
Eine besonders ungewöhnliche, indes eher theoretische Antriebsmöglichkeit schlägt nun Jack Wisdom (sic!) vom Massachusetts Institute of Technology vor. Dabei verzichtet der Forscher auf jeglichen Rückstoß. Vielmehr soll ein Objekt allein durch geschicktes Verändern seiner Form durch die Raumzeit schwimmen. Und tatsächlich erinnern die Bewegungsübungen, die ein Raumfahrer durchführen müsste, ein wenig an Brustschwimmen. Da heißt es: Arme weit ausstrecken, nach hinten drücken und eng am Körper wieder nach vorne führen – und das alles viele, viele Male wiederholen.
Aber was soll das Rumgezappel im All? Schließlich gibt es im luftleeren Raum so gut wie keine Materie, von der man sich auf diese Weise abstoßen könnte. Und nach Altmeister Newton müsste sich eigentlich im selben Maße, in dem sich unser rudernder Astronaut vorwärts bewegt, etwas anderes nach hinten bewegen, schließlich muss der Gesamtimpuls – also das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit – erhalten bleiben. Denn auch eine Rakete kommt nur deshalb voran, weil gleichzeitig unzählige Gasmoleküle mit großer Geschwindigkeit nach hinten fliegen.
Der Trick der Schwimmübung: Der Astronaut wechselt seine Position, jedoch ohne seine Geschwindigkeit zu verändern. Was sich nach Star-Trek und Science-Fiction anhört, ist im Prinzip gar nicht so kompliziert und lässt sich auf jedem drehbaren Bürostuhl ausprobieren.
Zieht man hier die Beine an, streckt die Arme aus und bewegt sie beide in eine Richtung, dann dreht man sich mit dem Stuhl nämlich ein Stück in Gegenrichtung – der Drehimpulserhaltung wegen. Legt man nun die Arme wieder an und bewegt sie eng am Körper in die ursprüngliche Position zurück, dann dreht sich zwar auch der Stuhl aufgrund der Drehimpulserhaltung ein Stückchen zurück, allerdings nicht ganz in die ursprüngliche Position.
Den Unterschied macht das Trägheitsmoment bezüglich der Drehachse. Diese Größe, die etwas über die Massenverteilung eines Körpers aussagt, ist nämlich in beiden Fällen unterschiedlich groß und bewirkt einen unterschiedlichen Drehwinkel bei Hin- und Rückbewegungen. Und so kommt es netto zu einer Rotation von Stuhl und Person, obwohl sich der Gesamtdrehimpuls des Systems nicht ändert. Katzen nutzen diesen Drehtrick im Übrigen, um beim Fallen ihre Pfoten nach unten zu bringen.
Was bei der Drehung funktioniert, muss – wie Wisdom nun beweisen konnte – auch gelingen, wenn ein Astronaut frei im Weltall schwebt. Das heißt, so ganz frei darf er auch nicht treiben, er sollte sich schon unter dem Einfluss der gekrümmten Raumzeit befinden. So eine Krümmung wird jedoch durch jedes massebehaftete Objekt im All bewirkt – mal stärker, mal schwächer. Führt der Raumfahrer hier seine Schwimmübungen durch, dann gelingt ihm tatsächlich ein Positionswechsel, jedoch ohne dass er dabei seine Geschwindigkeit verändert.
"Der Raum ist nicht homogen, und man kann sich sozusagen an den Unebenheiten abstoßen. Wer Einstein verschlungen hat, dem erscheint das längst nicht mehr so verblüffend", so der Erklärungsversuch von Frank Wilczek, seines Zeichens Physiker am Massachusetts Institute of Technology. Angesichts der ausführlichen Rechnungen von Wisdom ahnt man jedoch, wie kompliziert die Wechselwirkung im Detail ist.
Rumzappeln im All als Fortbewegungsmethode der Zukunft? Theoretisch ist diese Idee durchaus interessant, praktikabel wäre sie wohl nicht. Denn die Krümmung der Raumzeit fällt selbst bei Massen von Planeten und Sternen eher gering aus. So rechnet Wisdom vor, dass ein metergroßes Objekt, das sich in der gekrümmten Raumzeit der Erde komplett deformiert, gerade mal um 10-23 Meter fortbewegen würde. Anders ausgedrückt: Bei einem Schwimmzug pro Sekunde würde es hunderttausende Jahre dauern, bis der Schwimmer sich um den Durchmesser eines Atoms fortbewegt hätte. So bleibt der NASA wohl auch in Zukunft lediglich das Rückstoßprinzip.
Äußerst erfolgreich wird dabei bereits das Kräftespiel von Raumsonden mit den Planeten des Sonnensystems praktiziert, um beispielsweise genug Schwung für eine weite Reise zu holen. Und auch mit Sonnensegeln lässt es sich vortrefflich in der steten Brise unseres Heimatsterns treiben. Andere Methoden, wie etwa einen Körper mit einem Laserstrahl ins All zu katapultieren, sind jedoch eher Zukunftsmusik.
Eine besonders ungewöhnliche, indes eher theoretische Antriebsmöglichkeit schlägt nun Jack Wisdom (sic!) vom Massachusetts Institute of Technology vor. Dabei verzichtet der Forscher auf jeglichen Rückstoß. Vielmehr soll ein Objekt allein durch geschicktes Verändern seiner Form durch die Raumzeit schwimmen. Und tatsächlich erinnern die Bewegungsübungen, die ein Raumfahrer durchführen müsste, ein wenig an Brustschwimmen. Da heißt es: Arme weit ausstrecken, nach hinten drücken und eng am Körper wieder nach vorne führen – und das alles viele, viele Male wiederholen.
Aber was soll das Rumgezappel im All? Schließlich gibt es im luftleeren Raum so gut wie keine Materie, von der man sich auf diese Weise abstoßen könnte. Und nach Altmeister Newton müsste sich eigentlich im selben Maße, in dem sich unser rudernder Astronaut vorwärts bewegt, etwas anderes nach hinten bewegen, schließlich muss der Gesamtimpuls – also das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit – erhalten bleiben. Denn auch eine Rakete kommt nur deshalb voran, weil gleichzeitig unzählige Gasmoleküle mit großer Geschwindigkeit nach hinten fliegen.
Der Trick der Schwimmübung: Der Astronaut wechselt seine Position, jedoch ohne seine Geschwindigkeit zu verändern. Was sich nach Star-Trek und Science-Fiction anhört, ist im Prinzip gar nicht so kompliziert und lässt sich auf jedem drehbaren Bürostuhl ausprobieren.
Zieht man hier die Beine an, streckt die Arme aus und bewegt sie beide in eine Richtung, dann dreht man sich mit dem Stuhl nämlich ein Stück in Gegenrichtung – der Drehimpulserhaltung wegen. Legt man nun die Arme wieder an und bewegt sie eng am Körper in die ursprüngliche Position zurück, dann dreht sich zwar auch der Stuhl aufgrund der Drehimpulserhaltung ein Stückchen zurück, allerdings nicht ganz in die ursprüngliche Position.
Den Unterschied macht das Trägheitsmoment bezüglich der Drehachse. Diese Größe, die etwas über die Massenverteilung eines Körpers aussagt, ist nämlich in beiden Fällen unterschiedlich groß und bewirkt einen unterschiedlichen Drehwinkel bei Hin- und Rückbewegungen. Und so kommt es netto zu einer Rotation von Stuhl und Person, obwohl sich der Gesamtdrehimpuls des Systems nicht ändert. Katzen nutzen diesen Drehtrick im Übrigen, um beim Fallen ihre Pfoten nach unten zu bringen.
Was bei der Drehung funktioniert, muss – wie Wisdom nun beweisen konnte – auch gelingen, wenn ein Astronaut frei im Weltall schwebt. Das heißt, so ganz frei darf er auch nicht treiben, er sollte sich schon unter dem Einfluss der gekrümmten Raumzeit befinden. So eine Krümmung wird jedoch durch jedes massebehaftete Objekt im All bewirkt – mal stärker, mal schwächer. Führt der Raumfahrer hier seine Schwimmübungen durch, dann gelingt ihm tatsächlich ein Positionswechsel, jedoch ohne dass er dabei seine Geschwindigkeit verändert.
"Der Raum ist nicht homogen, und man kann sich sozusagen an den Unebenheiten abstoßen. Wer Einstein verschlungen hat, dem erscheint das längst nicht mehr so verblüffend", so der Erklärungsversuch von Frank Wilczek, seines Zeichens Physiker am Massachusetts Institute of Technology. Angesichts der ausführlichen Rechnungen von Wisdom ahnt man jedoch, wie kompliziert die Wechselwirkung im Detail ist.
Rumzappeln im All als Fortbewegungsmethode der Zukunft? Theoretisch ist diese Idee durchaus interessant, praktikabel wäre sie wohl nicht. Denn die Krümmung der Raumzeit fällt selbst bei Massen von Planeten und Sternen eher gering aus. So rechnet Wisdom vor, dass ein metergroßes Objekt, das sich in der gekrümmten Raumzeit der Erde komplett deformiert, gerade mal um 10-23 Meter fortbewegen würde. Anders ausgedrückt: Bei einem Schwimmzug pro Sekunde würde es hunderttausende Jahre dauern, bis der Schwimmer sich um den Durchmesser eines Atoms fortbewegt hätte. So bleibt der NASA wohl auch in Zukunft lediglich das Rückstoßprinzip.
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