.
Die Erde ist unser Gefängnis.
Das Universum scheint uns mit
all seinen unerreichbaren Orten
zu verspotten.
Wenn wir als Spezies aber eine
langfristige Zukunft haben wollen,
werden wir aus diesem
Gefängnis ausbrechen müssen.
Aber wieso sind
wir überhaupt hier gefangen?
Tja, so wie's aussieht,
haben wir seit 4,5 Mrd Jahren
Schulden beim Universum.
*Intro*
Ein Gefängnis aus Energie.
Im Universum gilt:
Alles, was Masse hat,
zieht sich gegenseitig an.
Das nennt man
Schwerkraft oder Gravitation.
Je näher du einem großen,
massereichen Objekt bist,
umso stärker wirst du angezogen.
Dadurch sitzen
wir auf der Erde fest
wie Gefangene in
einem Gravitations-Gefängnis
oder einem Schwerkraft-Schacht.
Kein wirklicher Schacht natürlich,
aber eine gute Metapher,
um zu verstehen, was gemeint ist.
Im Gravitations-Gefängnis
zu sitzen heißt,
der Schwerkraft
Energie zu schulden.
Aber wie können
wir Energie schulden?
Dinge im Universum mögen es nicht,
ihr Tempo
oder die Richtung zu ändern.
Um sie zu bewegen,
müssen wir Energie aufbringen.
Vor Milliarden von Jahren
formten Billionen von
Staubkörnern unseren Planeten,
als die Anziehungskraft
sie zueinander zog.
Dieser Prozess benötigte Energie und
bildete den Gravitations-Schacht,
in dem wir jetzt sitzen.
Je tiefer im
Schwerkraft-Schacht du bist,
umso mehr Energie
schuldest du der Schwerkraft.
Kriegst du nicht genug Energie
zusammen, kommst du da nicht raus,
egal was du machst.
Weil deine Atome
einst Teil des Staubes waren,
für den das Universum
Energie ausgegeben hat,
um ihn hierher zu bewegen.
Okay, lasst uns
das noch mal zusammenfassen:
Objekte im Universum
bewegen sich nicht gern.
Du bringst sie dazu,
indem du Energie ausgibst.
Unser Planet besteht aus Teilchen,
die die Schwerkraft
zueinander bewegt hat.
Das hat Energie gekostet.
Es entstand das Gravitations-
Gefängnis in dem wir sitzen.
Um ihm zu entkommen,
müssen wir Energie zurückzahlen.
Okay, aber wie?
Raus aus dem Gravitations-Gefängnis.
Ins Weltall gelangen wir nur
mit einem ganz schön
komplizierten Energie-Austausch.
Dafür bauen wir Minus-Potential-
Energie-Rückzahlungs-Maschinen.
Oder wie Laien sagen: Raketen.
Raketen nutzen mit die energie-
reichsten chemischen Reaktionen,
die wir kennen.
Damit lassen sie eigentlich
Brennstoff kontrolliert explodieren
und verwandeln die chemische
Energie in Bewegungsenergie.
Die nach außen gerichtete Düse
treibt die Rakete an.
Indem wir Energie aufwenden,
steigern wir unsere
potentielle Gravitationsenergie.
D.h. eigentlich nur,
dass wir unsere Energieschulden
an die Schwerkraft zurückzahlen.
Aber das ist ziemlich schwierig.
Verbrennen wir Treibstoff,
um in den Orbit zu gelangen,
geht Energie verloren.
Durch die Hitze,
die Düse und den Luftwiderstand.
Also braucht es mehr davon.
Wir können aber
auch nicht einfach Berge
von hochexplosivem Treibstoff
direkt unter der Ladung anzünden.
Es braucht eine
kontrollierte Verbrennung.
Das ist schwieriger und
gibt der Rakete mehr Gewicht,
also mehr Masse.
Und je mehr Masse etwas hat,
umso mehr Energie wird benötigt,
um es zu bewegen.
Und damit ist mehr Energie nötig,
um die Rakete anzuheben.
Dafür braucht es mehr Treibstoff,
also mehr Rakete,
um den Treibstoff zu tragen.
Das macht die
Rakete wieder schwerer,
braucht also noch mehr Treibstoff,
also noch mehr Rakete
für den Treibstoff usw.
Am Ende hat man fast
das Hundertfache des Gewichts
der Nutzlast,
um überhaupt abzuheben.
Die europäische Rakete Ariane 6
z.B. wird 800 t wiegen
und soll 10 t Ladung in den
geostationären Erd-Orbit bringen,
oder 20 t in
den mittleren Erd-Orbit.
Eine Rakete kann aber nicht
unendlich viel Antrieb produzieren.
Es gibt deshalb ein Maximalgewicht.
Mehr kann gar nicht abheben.
Ist die Rakete zu schwer,
fliegt sie nicht,
also können wir nicht
einfach größere Tanks bauen.
Das ist der Fluch
der Raketen-Gleichung.
Deshalb wird Raumfahrt
niemals einfach sein.
Und noch schlimmer:
Einfach ins All zu gelangen,
reicht noch nicht.
Wir stecken auch im Weltall
noch im Gravitations-Gefängnis fest
und fallen zur Erde zurück.
Im All zu bleiben,
ist tatsächlich noch
schwieriger als dahin zu gelangen.
Um eine stabile Position zu
erreichen und dort zu bleiben,
muss eine Rakete den
unteren Erd-Orbit erreichen.
Dafür werden riesige Mengen
Bewegungsenergie benötigt.
D.h., man muss sehr,
sehr schnell sein.
Auf einer Höhe von etwa 100 km
sind das 8 km pro Sekunde.
28.000 km pro Stunde.
Schnell genug, um die
Erde in 90 Minuten zu umrunden.
Dafür gibt es einen Trick.
Anstatt gerade hoch zu fliegen,
fliegen wir einfach seitwärts.
Die Erde ist eine Kugel.
Wenn du schnell
genug zur Seite fliegst,
fällst du zwar
immer noch zur Erde hin,
aber der Boden krümmt
sich unter dir weg.
Solange du also
über der Atmosphäre bleibst,
etwa 100 km hoch,
kannst du da oben im Orbit bleiben.
Das tut auch die ISS:
Sie fällt
eigentlich um die Erde herum
und investiert hin
und wieder etwas Energie,
um schnell genug zu bleiben.
Im Verhältnis gesehen,
ist der niedrige Erd-Orbit
lächerlich nahe an der Erde.
Um Satelliten zu stationieren oder
zu fremden Planeten aufzubrechen,
müssen wir noch mehr
Energieschulden zurückzahlen.
In den Orbit zu kommen,
ist aktuell die größte
Schwierigkeit der Raumfahrt.
Wollen wir eine
Rakete zum Mars schicken,
benötigen wir die
Hälfte der Energie nur dafür,
den Orbit zu erreichen.
Die andere Hälfte reicht
dann für die 55 Mio km zum Mars.
Effiziente Raketen bestehen deshalb
nicht aus einem einzigen Teil.
Stattdessen sind sie mehrstufig.
Leere Tanks
mitzuschleppen bringt nichts,
also werfen die Raketen sie ab.
Moderne Raketen lassen beim Aufstieg
Antrieb und Hauptstufe fallen.
Jede Stufe ist
eine vollständige Rakete,
mit eigenem Antrieb und Treibstoff.
Deshalb ist es also so schwierig,
ins All zu gelangen.
Wenn dir das alles sehr
kompliziert vorkommt, keine Sorge,
Es ist sehr kompliziert.
Untertitel: ARD Text
im Auftrag von Funk (2020)
