Schwerelosigkeit
Wem der Apfel auf die Birne fällt: Isaac Newton und das Prinzip der Schwerkraft
Wissenschaft fällt manch einem in den Schoß, genauer gesagt: knapp daneben. Jedenfalls wenn man folgender Legende trauen darf: Demnach machte Isaac Newton um 1666 eine der bedeutendsten Entdeckungen der Physik, als er faul unter einem Baum im Garten saß. Plötzlich schreckte ihn ein herunterfallender Apfel aus den Gedanken. Dieses Erlebnis soll den damals erst 23-jährigen zu seinem Gravitationsgesetz inspiriert haben, das er Jahre später in seiner "Philosophia Naturalis Principia Mathematica" darlegte.
Newton hatte erkannt, dass es das gleiche Prinzip ist, welches den Apfel zu Boden fallen lässt und den Mond in seiner Bahn hält: Alle Körper ziehen sich an. Das fällt aber erst dann auf, wenn ein Körper kosmische Ausmaße hat. Je größer die Masse eines Körpers, desto größer seine Anziehungskraft (auch Schwerkraft oder Gravitation genannt). Die Erde hat beispielsweise eine sechs Mal so große Schwerkraft wie der Mond. Dass der Mond nun als kleinerer Himmelskörper nicht auf die größere Erde stürzt, liegt an seiner schnellen Bewegung um die Erde herum. Dadurch entwickelt er starke Fliehkräfte, die der Gravitation entgegenwirken: Fliehkraft und Schwerkraft halten sich die Waage, der Mond bleibt in seiner Bahn.
Hier soll Newton der Apfel auf den Kopf gefallen sein
Die Schwerkraft hält uns am Boden
Im täglichen Leben spüren wir die Schwerkraft, indem wir auf der Erde bleiben und nicht davonfliegen. Schwerelos dagegen sind alle Körper, die frei und ohne Eigenbeschleunigung (also etwa ohne Raketenantrieb) unter Einfluss der Schwerkraft fallen: Etwa Newtons berüchtigter Apfel - oder wir, wenn wir in die Luft springen. Allerdings ist die Dauer eines Luftsprungs zu kurz, als dass wir uns darüber bewusst würden. Newtons Gravitationsgesetz besagt, dass die Schwerkraft der Erde schwächer wird, je weiter wir uns von ihr entfernen. Ein Körper, der auf der Erde 100 Kilo wiegt, würde demnach 10.000 Kilometer von der Erde entfernt nur noch 15 Kilo auf die Waage bringen. Doch auch Astronauten in 200 Kilometer Höhe bewegen sich schon schwerelos in ihrer Raumkapsel. Dabei wirkt in dieser Höhe die Anziehungskraft der Erde noch zu 94 Prozent. Das Geheimnis liegt wiederum in der schnellen Kreisbahn des Satelliten um die Erde: Die dabei entstehende Fliehkraft hebt die Anziehungskraft der Erde auf, Satellit und Astronaut sind schwerelos.
Schwerelosigkeit auf der Erde: Falltürme und Parabelflüge
Grundsätzlich gilt: Die Schwerkraft lässt sich nicht abschalten, da sie eine Eigenschaft aller Massen ist. Die Wissenschaftler können die Effekte der Schwerkraft nur kompensieren - indem sie Situationen des freien Falls herstellen und damit Schwerelosigkeit simulieren. In Bremen gibt es beispielsweise einen 110 Meter hohen Fallturm, der die Reaktionen verschiedener Materialien auf den schwerelosen Zustand testet. Die zu analysierenden Proben fallen in einem luftleeren Schacht frei herab und sind dabei für gut vier Sekunden schwerelos.
Viele Experimente benötigen allerdings mehr Zeit. Die Wissenschaftler greifen in solchen Fällen auf Höhenforschungsraketen zurück. Während einer parabelförmigen, antriebslosen Flugphase erfahren die eingebauten Proben Schwerelosigkeit von bis zu 13 Minuten. Über Videomikroskope können die Experimente während des Flugs beobachtet werden. Auch unter Wasser kann ein Teil der Eigenschaften von Schwerelosigkeit simuliert werden. Weltraumfahrer trainieren daher häufig im Wasser, bevor sie ins All fliegen. Der Astronaut wird dabei durch kleine Gewichte ausbalanciert. Durch den hydrostatischen Druck auf die Körperoberfläche entsteht ein Gleichgewicht: Der Astronaut schwebt.
Grafik der Sinneshärchen im Innenohr (mit Kristallen)
Glücklich, aber geschwächt: Der Mensch in der Schwerelosigkeit
Astronauten berichten nach ihrer Rückkehr auf die Erde oft von einem ungeheuren Glücksgefühl, das sie während ihrer Schwerelosigkeit empfunden haben. Grundsätzlich jedoch ist der menschliche Körper nicht fürs Schweben geschaffen: Muskeln und Knochen werden in der Schwerelosigkeit so wenig beansprucht, dass sich viele Astronauten bei ihrer Erdlandung kaum auf den Beinen halten können. Um massivem Muskelschwund vorzubeugen, müssen die Bewohner einer Raumstation deshalb täglich aufs Laufband.
In den ersten Tagen im All leiden viele Astronauten unter der so genannten Raumkrankheit. Ihr Orientierungssinn ist massiv gestört: Im Gleichgewichtsorgan des Innenohrs üben winzige Kristalle einen Druck auf die Sinneshärchen aus, welche so die Richtung der Schwerkraft anzeigen. In der Schwerelosigkeit können die Kristalle diesen Druck nicht mehr ausüben: Es gibt also kein oben und kein unten mehr. Der Organismus reagiert mit Erbrechen und Schweißausbrüchen. Nach einigen Tagen passt sich der Körper jedoch an - die Symptome verschwinden. Von nun an orientieren sich die Astronauten vor allem visuell, da ihr Gleichgewichtssinn keine nützlichen Informationen mehr liefert.
Mikrochips und Kaulquappen: Forschung in der Schwerelosigkeit
Schwerelosigkeit beeinflusst nicht nur den Menschen, sondern auch verschiedenste Materialien. Wissenschaftler erzielen bestimmte Effekte, indem sie im All Metallproben schmelzen und mit anderen mischen: Leichtere und warme Materialien steigen nicht mehr nach oben. Metallteile mit sehr verschiedener Dichte, zum Beispiel Aluminium und Blei, lassen sich legieren. Die Forscher können also die Auswirkung von Vermischungen studieren, die auf der Erde nicht möglich sind. Besonders interessant ist das für industrielle Prozesse. In der Schwerelosigkeit wachsen zum Beispiel Kristalle schneller und regelmäßiger, was sich die Computerindustrie zunutze machen könnte: Reinere Kristalle ergeben bessere Mikrochips.
Auch Biologen forschen mit Pflanzen und Tieren im All. So testete eine Gruppe von Wissenschaftlern die Entwicklung des Gleichgewichtssinns von Kaulquappen in der Schwerelosigkeit.
Mediziner hoffen auf Inspiration aus dem All
Mediziner interessieren sich in zweierlei Hinsicht für Weltraumforschung: Zum einen geht es um die Behandlung von Astronauten im All. Herzmassagen oder eine künstliche Beatmung etwa stellen Probleme dar, da Patient und Behandelnder erst einmal in der richtigen Position fixiert werden müssen. Und die Schwierigkeiten nehmen mit der Dauer der Expeditionen zu: Die Besatzung einer Marsexpedition wäre mehr als zwei Jahre unterwegs ohne die Möglichkeit einer vorzeitigen Rückkehr.
Zum anderen erhoffen sich die Ärzte Erkenntnisse für Krankheiten auf der Erde: Viele Reaktionen des Körpers auf die Schwerelosigkeit sind Krankheiten ähnlich. Beispiel Muskelschwund: Weil das menschliche Knochengerüst regelmäßige Erschütterung braucht, müssen Astronauten aufs Schüttelbrett. Vielleicht ist es eines Tages auch selbstverständlich, dass Frauen und andere Risikogruppen täglich für kurze Zeit ein solches Brett besteigen um der Osteoporose vorzubeugen.
Julia Ucsnay, Stand vom 01.06.2009
