Bekanntlich herrscht im All Schwerelosigkeit. Man kennt die Bilder von durch die ISS schwebenden Astronauten. Tatsächlich ist die Schwerkraft der Erde in der Umlaufbahn nicht verschwunden, sondern die ISS und alles, was ansonsten die Erde umkreist oder im, Weltraum schwebt, befindet sich im freien Fall. Die ISS fällt permanent um die Erde herum (bzw. an der Erde vorbei). Auch auf der Erde kann man Schwerelosigkeit erzeugen, in Falltürmen oder mit Flugzeugen, die den parabelförmigen Kurs eines schräg in die Höhe geworfenen Gegenstandes imitieren. Oder bald schon für betuchte Touristen in Kapseln und Flugzeugen, die in 80-100 km Höhe katapultiert werden und von dort wieder herunterfallen, bevor die Atmosphäre sie hart abbremst.
Schwerelosigkeit ist also relativ leicht zu erzeugen. Aber wie erzeugt man Schwerkraft? Und warum sollte man das tun?
Schweben ist doch schön! Oder…?
Aus der Raumfahrt ist bekannt, dass Schwerelosigkeit nicht sonderlich gesund ist. Bei ca. 2/3 aller Raumfahrer kommt es zu mehr oder minder starken Symptomen der Raumkrankheit, einer Schwägerin der Seekrankheit, die darauf zurück geht, dass das Hirn widersprüchliche Informationen über die Bewegung vom Gleichgewichtsorgan im Innenohr und den Augen erhält. So kann man die Übelkeit auf einem Schiff vermeiden, wenn man die Augen auf den Horizont richtet und die gefühlte Bewegung zum optischen Bild passt. Dass die Information vom optischen und vom Gleichgewichtssinn nicht zusammen passen, kennt der eine oder die andere vermutlich auch vom Alkoholrausch. Der Körper tut in diesem Fall das bei einer putativen Vergiftung evolutionär einzig Richtige: das mutmaßliche Rausch-Gift schnellstmöglich aus dem Körper befördern. Der erste prominente Fall von Raumkrankheit war der Kommandant von Apollo 8, Frank Borman, der kurz nach dem Start Übelkeit mit Erbrechen und Durchfall entwickelte. Wenn man dann noch weiß, dass Apollo-Kapseln statt einer Weltraumtoilette nur Plastiktüten für größere Geschäfte an Bord hatten, kann sich ungefähr ausmalen, womit die Besatzung danach beschäftigt war.
Aber auch nach der bei allen Raumfahrerinnen und Raumfahrern nach spätestens ein paar Tagen einsetzenden Gewöhnung an das Schweben bleibt die Schwerelosigkeit eine Belastung für den Menschen. Der Körper ist darauf ausgelegt, dass das Blut in die Beine sinkt und vom Herzen in den Oberkörper gepumpt werden muss. In der Schwerelosigkeit führt das zunächst zum Anschwellen des Schädels, so als ob man auf dem Kopf hinge, und nachfolgend zum Abbau von Blut, weil im Hirn nun ein Übermaß zu bestehen scheint. Der Herzmuskel wird schwächer, weil er weniger Arbeit leisten muss. Nicht mehr eingesetzte Muskeln, die auf der Erde zum Gehen, Stehen oder Aufrechthalten der Wirbelsäule dienen, entwickeln sich zurück und schon nach einer Woche haben Raumfahrerinnen und Raumfahrer bis zu 20% ihrer Muskelmasse verloren, so dass die Besatzungsmitglieder der ISS 2 bis 3 Stunden pro Tag Kraft- und Ausdauertraining leisten müssen – und trotzdem nach der Landung auf der Erde zunächst Hilfe beim Stehen und Gehen benötigen. Das Skelett erleidet Osteoporose, d.h. es entwickelt größere Hohlräume in den Knochen, und baut jeden Monat um 1% Masse ab. Die Knochen geben Kalzium an den Blutkreislauf ab, das in anderen Geweben wie z.B. den Nieren Steine bilden kann [3]. Nach einer neuen Studie wird außerdem das Immunsystem geschwächt, was auf die Veränderungen des Blutes zurückzuführen sein könnte (die genaue Ursache ist noch nicht sicher), und es kann sich weniger gegen Viren und Tumorzellen wehren, Allergien entwickeln und die Wundheilung ist beeinträchtigt. Und nach langem Aufenthalt im Weltraum sind die Körperbalance und die visuelle Wahrnehmung beeinträchtigt, es kann wie bei der Raumkrankheit zu Übelkeit kommen – kein guter Start für frisch gelandete Marsbesucher. Es wäre also durchaus wünschenswert, bei langen Weltraumflügen künstliche Schwerkraft zur Verfügung zu haben. Nur wie?
Wie man sich festen Boden unter den Füßen beschafft
In Science-Fiction-Filmen herrscht in den Raumschiffen so gut wie immer Schwerkraft, erzeugt von ominösen und nicht näher erläuterten “Schwerkraftgeneratoren” – in Wahrheit aus dem banalen Grund, dass in Studios auf der Erde gedreht wird und die Spezialeffekte zur filmischen Simulation von Schwerelosigkeit vergleichsweise teuer und aufwändig sind. Im Apollo-13-Spielfilm mit Tom Hanks, Bill Paxton und Kevin Bacon drehte man tatsächlich viele Szenen in einem Parabelflieger, insgesamt 612 Parabeln über 13 Tage zu 2x 3h Flugzeit pro Tag (mehr, als Astronauten im Training vollführen) was nicht eben billig war (oder angenehm für die Schauspieler).
Laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist eine fortwährende Beschleunigung experimentell nicht von Schwerkraft zu unterscheiden (Äquivalenzprinzip). Theoretisch bräuchte man sein Raumschiff also nur permanent zu beschleunigen, es nach der Hälfte der Flugzeit umzudrehen und die zweite Hälfte der Strecke permanent zu verzögern, um ständige Schwerkraft zu simulieren. Leider sind wir technisch nicht in der Lage, ein Raumschiff dauerhaft nennenswert zu beschleunigen – für tage- und wochenlange Beschleunigungen in der Größenordnung der Erdbeschleunigung g=9,81 m/s² reichte der Treibstoff bei weitem nicht aus. Ionentriebwerke können zwar monatelang mit wenig Stützmasse betrieben werden (wie z.B. bei der Asteroidensonde Dawn), liefern aber wiederum keine nennenswerte Beschleunigung (1/100.00 g im Falle von Dawn [1]).
Es gibt aber eine Methode, wie man tatsächlich künstliche Schwerkraft erzeugen kann – und einen Film, der das richtig darstellt:
Ein paar Jahre später sah das dann im Skylab, der ersten amerikanischen Raumstation, die im Wesentlichen aus einer ausgehöhlten Saturn V S-IVB-Oberstufe bestand, so aus:
Hier dreht sich, anders als im 2001-Film, nicht die Station, sondern die Astronauten erzeugen alleine durch ihr Laufen die nötige Fliehkraft, um gegen die Außenwand gedrückt zu werden und aufrecht laufen zu können.
Die Idee einer rotierenden Weltraumstation ist aber viel älter als Arthur C. Clarkes Drehbuch für 2001 – Odyssee im Weltraum. Schon 1903 schrieb Konstantin Ziolkowski, einer der Väter der Raumfahrt und Entdecker der Raketengrundgleichung, darüber dass man durch Rotation künstliche Schwerkraft erzeugen könnte. Der slowenische Raumfahrttheoretiker Herman Potočnik schlug 1928 in dem unter sein Pseudonym Hermann Noordung erschienen Buch Das Problem der Befahrung des Weltraums – der Raketen-Motor eine rotierende Raumstation in der geostationären Umlaufbahn vor (siehe Bild).
Die Raumstation von Herman Potočnik. Ein großer Sonnenspiegel hätte zur Energieerzeugung dienen sollen. An der Drehschleuse im zentralen Achskörper hätten Raumschiffe andocken können. Dort hätte Schwerelosigkeit geherrscht. Über Aufzüge oder Treppen hätte man nach außen gelangen können, wo die Schwerkraft am größten gewesen wäre. Bild: de.wikipedia.org, gemeinfrei.
1952 griff Wernher von Braun, damals technischer Direktor einer Raketenabteilung der US-Army, die Idee auf und entwarf eine radförmige Raumstation, die ca. 75 m durchmessen, aus leichtem, flexiblem Nylon bestehen und im Weltall wie ein Autoreifen aufgeblasen werden sollte. Die Station hätte mit einer dreistufigen Rakete gestartet werden sollen.
Radförmige Raumstation nach einem Entwurf von Wernher von Braun. Bild: Wikimedia Commons, Chesley Bonestell/Marshall Space Flight Center, Ref. Nr. MSFC-75-SA-4105-2C, NASA-Standardlizenz.
Daran angelehnt ist die berühmte Raumstation aus 2001 – Odyssee im Weltraum (hier in einer Computeranimation eines Fans):
Eine Studie von 1969 für eine Mitte der 70er Jahre vorgesehene Raumstation hätte in Drehung versetzt in den außen angedockten Modulen Schwerkraft generieren können, war jedoch hauptsächlich für Forschung in der Schwerelosigkeit ausgelegt. Am Ende wurde es dann das Skylab, das keine künstliche Schwerkraft bot (außer selbserzeugter beim Joggen).
NASA/McDornel-Douglas-Konzept einer 10m-durchmessenden Raumstation für bis zu 12 Menschen aus dem Jahre 1969. In den außen angedockten Modulen hätte man temporär Schwerkraft durch Rotation erzeugen können. Bild: NASA Image and Video Library, MSFC, NASA-Standardlizenz.
1975 entwarf ein Team der Stanford-Universität für die NASA ein Konzept einer zukünftigen permanent bewohnten Weltraumkolonie für 10.000 Menschen. Die 1790 m durchmessende ringförmige Kolonie sollte sich einmal pro Minute drehen und so die Schwerebeschleunigung der Erde imitieren. Die Station hätte 10 Millionen Tonnen Masse aufgebracht [1] und sollte aus Material vom Mond oder von Asteroiden konstruiert werden, weil sie ansonsten nicht finanzierbar gewesen wäre.
Künstlerische Konzeption des Stanford-Torus. Bild: NASA Space Colony Art, Rick Guidice, NASA-Standardlizenz.
Wem das noch zu kleingeistig erscheint, für den ist die 1976 vom Princeton-Physiker Gerard K. O’Neill und seinen Studenten entworfene Kolonie genau das Richtige. Sie sollte aus zwei 32 km langen und 8 km durchmessenden Röhren bestehen (siehe Artikelbild für die Außenansicht). Die beiden rotierenden Röhren sollten künstliche Schwerkraft erzeugen und durch entgegengesetzte Rotation verhindern, dass die Kolonie instabil taumelt und so ihre Orientierung mit der Drehachse zur Sonne verliert. Über Spiegel sollte nämlich Sonnenlicht von außen durch riesige Fenster in die Zylinder hinein geleuchtet werden. Durch Wegdrehen der Spiegel hätte man die Nacht simulieren können. Eine Rotationsperiode sollte gute 2 Minuten betragen. Die Innenseiten hätten rund 800 km² bewohnbare Fläche für Millionen Menschen geboten – etwa soviel wie New York City (oder knapp 1/3 des Saarlands; das ist, glaube ich, die SI-Einheit für große Flächen 😀 ).
Innenansicht eines O’Neill-Zylinders. Durch die transparenten Seiten kann Licht ins Innere scheinen. Der Zylinder rotiert um die Längsachse. Bild: NASA Space Colony Art, Rick Guidice, NASA-Standardlizenz.
Rotierende Zylinder findet man auch in Arthur C. Clarkes Roman Rendezvous mit 31/439 (im Original Rendezvous with Rama) aus dem Jahr 1973, sowie in den Science-Fiction-Filmen Babylon 5 und Interstellar.
Die Science-Fiction-Konzepte und Studien für große Weltraumkolonien sind natürlich ferne Zukunftsmusik und helfen uns im Moment nicht weiter. Eine Lösung etwa für den Flug zum Mars müsste viel kleiner sein. Und damit fangen die Probleme an…
Probleme? Was denn für Probleme?
Der Radius etwa des Stanford-Zylinders war nicht etwa aus purem Größenwahn so riesig gewählt, sondern aus physiologischen Aspekten, die ich im folgenden erläutern möchte. Man kann nämlich nicht einfach die riesigen Ausmaße der Stanford- oder O’Neill-Kolonien auf ein kleines Schwungrad herunter dimensionieren. Sonst bekommt man Probleme mit den Scheinkräften der Kreisbewegung.
Rotationsrate
Je kleiner der Radius R des rotierenden Habitats ist, desto höher muss seine Winkelgeschwindigkeit ω (Omega) sein. Dabei gilt, dass ω=2π/T ist, wobei T die Zeit für eine Umdrehung ist und π die Kreiszahl 3,141…. Ein Ring oder Zylinder mit Radius R und Winkelgeschwindigkeit ω generiert eine Zentrifugalbeschleunigung von g =R·ω² = R·4π²/T². Um also die Erdschwerkraft g=9,81 m/s² zu erreichen, muss die Rotationszeit T=2π √(R/(9,81 m)) s betragen. Bei 10 m Radius also ca. 2π s = 6,28 s, bei 100 m Radius 20 s, bei 1000 m ca. 63,4 s. Hohe Rotationsraten würden das Andocken an so eine Station schwieriger machen und wären wegen der unten angeführten weiteren Effekt generell unvorteilhaft.
Man könnte natürlich auch die Gravitation der Station selbst kleiner auslegen, z.B. auf den Betrag der Marsgravitation (ca. 1/3 g) oder der Mondgravitation (ca. 1/6 g). Untersuchungen haben gezeigt, dass es für Menschen unterhalb von 1/6 g zunehmend schwieriger wird, das Gleichgewicht zu halten. 1/6 g wäre also eine sinnvolle Untergrenze für die Rotationsrate.
Gezeitenkraft
Der zweite Aspekt betrifft die Differenz zwischen der Schwerkraft, die man an den Füßen im Gegensatz zum Kopf spürt. Im Extremfall, wenn der Kopf sich auf Höhe der Rotationsachse befände, wäre er in der Schwerelosigkeit, während die Füße bei 1 g stünden – man wäre einer Gezeitenkraft von 1 g ausgesetzt. Um den Effekt erträglich zu halten, könnte man die Station so auslegen, dass die Gezeitenkraft höchstens 10% der Kreisbeschleunigung für einen stehenden Menschen ausmachen sollte. Dann müsste der Rotationsradius mindestens zehnmal die Größe eines Menschen betragen, also 18-20 m.
Corioliskraft
Wenn man sich in einem rotierenden System in Richtung zur Drehachse hin oder davon weg bewegt, tritt eine Scheinkraft auf, die einen seitlich ablenkt. Das liegt daran, dass ein Objekt seine geradlinige Geschwindigkeit beibehalten möchte; der Kreisumfang bei einem kleineren Radius ist jedoch kleiner als bei einem größeren, d.h. wenn man sich zu einem kleineren Radius hin bewegt, bringt man die Seitwärtsbewegung eines größeren Radius mit, die einen schneller in Drehrichtung bewegen möchte, als die Umdrehungsgeschwindigkeit auf dem kleineren Radius, und man wird in Rotationsrichtung seitlich abgelenkt. Umgekehrt ist die Seitwärtsbewegung zu klein, wenn man zu einem größeren Radius wechselt, und die Ablenkung erfolgt gegen die Rotationsrichtung. Ach, was erzähle ich, schaut Euch im folgenden Video an, was passiert:
Von außen gesehen fliegt der Ball im Video geradeaus, aber im rotierenden System wird er scheinbar abgelenkt – deswegen spricht man von einer Scheinkraft, die nichtsdestotrotz von einem Insassen durchaus wahrgenommen werden würde.
Genauer gesagt gibt es zwei Effekte: bewegt man sich in radialer Richtung, also nach innen oder außen, z.B. beim Aufstehen aus dem Sitzen, Springen oder Treppe steigen, so spürt man eine Kraft, die einen in Rotationsrichtung umwerfen möchte, die Wahrnehmung entspräche einem Wegkippen des Bodens, was zu Gleichgewichtsproblemen führte (radiale Corioliskraft). Die Raumfahrer müssten sich daran gewöhnen, langsam aufzustehen und sich entsprechend langsam auf geeigneten Rampen oder Treppen zu bewegen.
Bewegt man sich tangential, also entlang der Drehrichtung des Torus, dann nimmt die Fliehkraft zu, wenn man sich mit der Drehrichtung des Torus bewegt, weil man etwas schneller kreist. Das Gewicht scheint zuzunehmen. Bewegt man sich in Gegenrichtung, dann wird man hingegen leichter (vertikale Corioliskraft). Wenn man im Extremfall so schnell in Gegenrichtung zur Drehung laufen würde, wie deren Tangentialgeschwindigkeit beträgt, dann würde man zu schweben beginnen. Bei einem kleinen Rotationsradius ist die Tangentialgeschwindigkeit für die gleiche Kreisbeschleunigung kleiner als bei einem großen Radius, man spürt diesen Effekt also in einem kleinen System stärker: bei 10 m Radius wäre die Tangentialgeschwindigkeit für 1 g nur 35 km/h, für 1/6 g gar nur 6 km/h (flottes Spaziergängertempo), während sie beim Stanford-Torus 337 km/h für 1 g betrüge und 56 km/h für 1/6 g – für normales Gehen kein Problem, lediglich die Benutzung von Verkehrsmitteln könnte dadurch interessant werden.
Versuche mit Probanden in Zentrifugen haben ergeben, dass weniger als 5% Änderung der Schwerkraft nicht wahrgenommen werden, während mehr als 25% als unangenehm empfunden werden [1].
Effekte auf das Vestibularsystem
Schnelle Kopfbewegungen, bei denen das Gleichgewichtsorgan im Ohr seine Höhe ändert oder die parallel zur Rotationsrichtung erfolgen, können zu Schwindel und Übelkeit führen. Studien in rotierenden Räumen haben ergeben, das 1 bis 2 Umdrehungen pro Minute als erträglich empfunden werden. An schnellere Rotation kann man sich mit der Zeit gewöhnen, aber an nicht mehr als 6 Umdrehungen pro Minute. Allerdings ist ein rotierender Raum auf der Erde kaum mit einem rotierenden Raumschiff zu vergleichen, weil die Richtung der Kraft auf der Erde hauptsächlich durch deren Schwerkraft verursacht wird, die in einem rotierenden Raum annähernd parallel zur Drehachse verläuft. Man bewegt sich also in einem solchen Raum viel mehr und viel schneller radial als man das im Weltraum tun würde, so dass die Umgebung als extremer empfunden werden könnte als im Raumschiff – dort sollte z.B. eine seitliche Drehung des Kopfes problemlos sein, anders als in einem rotierenden Raum am Erdboden.
Stand der Forschung
Ob somit auch schnellere Rotationsraten im Weltraum tolerierbar wären, darüber kann man bisher nur Mutmaßungen anstellen. Aus den genannten Aspekten und Studien ergibt sich derzeit folgendes konservatives Bild für die Verträglichkeit von künstlicher Gravitation auf der Basis von rotierenden Systemen:
Komfortbereich für die Erzeugung künstlicher Schwerkraft durch Rotation. Die Farbe drückt den Grad der Verträglichkeit aus, der von grün für angenehm ohne notwendige Anpassung über hellere grüne und orangefarbene Töne für erträglich nach einer gewissen Anpassungsdauer bis hin zum roten Bereich reicht, an den man sich auch nach längerer Zeit nicht gewöhnen kann. Auf der x-Achse die Winkelgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute (revolutions per minute, rpm), auf der y-Achse der Rotationsradius in Metern. Unterhalb von 10 m geht gar nichts. Grüntöne beginnen bei knapp 30 m Radius und drei Umdrehungen pro Minute. Der echte Komfortbereich fängt bei einem Radius von 70 m, 2 Umdrehungen pro Minute und ca. 0,5 g an. Bild: [2], Theodore W. Hall, artificial gravity.com, Open Source.
Konzept des Nautilus-X-Raumschiffs mit rotierendem Schwungrad. Bild: Wikimedia Commons, Mark L Holderman/NASA Technology Applications Assessment Team, JPL-Standardlizenz.
Leider hat der Nautilus-X-ISS-Demonstrator es nicht über einen Papierentwurf hinaus gebracht, und so bleiben die physiologischen Aspekte eines kleinen rotierenden Raumschiffs bis heute zum Teil ungeklärt. Obwohl es alternative Ideen gibt wie zum Beispiel ein Wohnmodul an einem Schwungarm mit Gegengewicht (siehe unten), das auf dem Flug zum Mars in Drehung versetzt werden könnte, ist derzeit kein Konzept konkret in Planung, mit dem man die Wirkung von Zentrifugalbeschleunigung als Schwerkraftersatz etwa für den Marsflug erproben könnte. Es wäre wünschenswert, wenn man sich dieses Themas annehmen würde, bevor man Menschen zum Roten Planeten schickt.
Studie der NASA aus dem Jahre 2007 für ein Raumschiff mit künstlicher Schwerkraft auf der Basis eines Wohnmoduls an einem rotierenden Schwungarm. Ansichten von oben und von der Seite. Bild: [2], Theodore W. Hall, artificial gravity.com, Open Source (Original: B. Kent Joosten, NASA, gemeinfrei).
Referenzen
[1] David M. Kipping, “Artificial Gravity“, Cool Worlds (Youtube), Columbia University, 09.01.2019.
[2] Theodore W. Hall, “Artificial Gravity in Theory and Practice“, 46th International Conference on Environmental Systems (ICES), Vienna, Austria, 10.-14. Juli 2016; Open Source auf https://www.artificial-gravity.com/.
[3] Lee Hunt, “Human Factors in Prolonged Space Flight AE 426, Lecture 4.“, SlidePlayer, 2015.
[4] Richard Hollingham, “The Rise and Fall of Artificial Gravity“, BBC Future, 18. November 2014.
Kommentare (65)