Gravitation Schwerkraft statt Treibstoff: Raumfahrt zu anderen Planeten

Weltraumreisen sind extrem kompliziert: Die Ziele bleiben nie an einem Ort, sondern bewegen sich ständig. Dazu kommt die Schwerkraft der Planeten und der Sonne. Wie die Raumfahrt mit diesen Herausforderungen fertig wird.

von Clemens Haug

Sonde New Horizons fliegt an 2014 MU69 vorbei
Die Sonde New Horizons konnte durch ihre Flugbahn immer stärker beschleunigen (Archivgrafik). Bildrechte: imago images / Science Photo Library

Wie kommt man mit möglichst wenig Treibstoff zum Mars? Science-Fiction Filme vermitteln meist ein ziemlich falsches Bild von der Raumfahrt: Einfach Antrieb anschalten, hinfliegen, in einen Orbit einschwenken und fertig. In der Praxis aber ist Raumfahrt sehr, sehr viel komplizierter, wie der Vortrag von Sven Prüfer auf dem 36. Chaos Communication Congress zeigt.

Komplett andere Physik: Reisen durch den Weltraum

Prüfer ist Missionsplaner beim German Space Operation Center, einem Teil des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Sein Fachgebiet: Die sogenannte Orbitalmechanik. Welche Manöver muss ein Raumschiff vollführen, um vom Orbit der Erde zu dem eines anderen Planeten im Sonnensystem zu gelangen?

Die Erde mit dem Planeten Merkur, Venus und Mars. 2 min
Bildrechte: MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK

Do 21.03.2019 11:56Uhr 01:58 min

https://www.mdr.de/wissen/videos/unser-nachbarplanet-merkur100.html

Rechte: MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK

Video

Auf der Erde können sich Reisende, ganz gleich ob im Auto, im Flugzeug oder zu Fuß, einfach an der sie umgebenden Masse abstoßen, um vorwärts zu kommen. Ein Flugzeug schaufelt sich durch die Luft, ein Auto rollt über den Boden, über den der Fußgänger geht. Im Weltall hingegen gibt es kein umgebendes Medium, nur unendliche Leere.

Wie die Gravitation Körper beschleunigt

Raumschiffe müssen selbst Masse abstoßen, um damit in die jeweils zum Ausstoß entgegengesetzte Richtung zu beschleunigen. Ein weiterer Faktor ist die Anziehungskraft aller Himmelskörper, etwa der Erde, des Mond, der Planeten oder der Sonne. Denn durch Gravitation ziehen sich all diese Massen an und zwar um so stärker, je näher sie sich sind.

Betrachten Forscher in ihrer Rechnung zwei Himmelskörper und ihre gravitativen Kraft zueinander, sprechen sie vom Zwei-Körper-Problem. Dafür gibt es einfache Alltagsbeispiele: Lassen wir einen Apfel zu Boden fallen, beschleunigt er. Ohne den Widerstand der Luft oder den Erdboden im Weg würde er bis zum Erdkern ständig an Geschwindigkeit zunehmen. Allerdings: Obwohl das aufgrund der extrem unterschiedlichen Größe von Erde und Apfel kaum beobachtbar ist – auch der Apfel zieht die Erde ein winziges bisschen zu sich hin.

Wie die Raumfahrt von der Gravitation profitiert

Diese Effekte der Gravitation sind für die Raumfahrt extrem nützlich. Denn bei allen Missionen ist der Treibstoff extrem knapp. Er muss von der Erde mitgebracht werden. Das Gewicht, das eine Rakete ins All befördern kann, ist aber eng begrenzt.

Deswegen nutzen die meisten Forschungsflüge, egal ob zum Mars, zum Jupiter, Saturn oder darüber hinaus, das Schwerkraftfeld der Planeten. Schlägt die Sonde die richtige Flugbahn ein, kann sie beispielsweise einen Vorbeiflug unternehmen, wie New Horizons bei Pluto. Will eine Sonde ein Objekt allerdings länger untersuchen, muss sie in einen elliptischen Orbit einschwenken. Dafür müsste sie einfach bremsen, wenn sie den Planeten erreicht.

Raumflug in der Praxis: Der Hohmann-Transfer

Plant man nun eine praktische Raummission, kann man einerseits darauf achten, nur dann zu starten, wenn das sogenannte Transferfenster günstig ist. So befindet sich der Mars alle 26 Monate in einer günstigen Postion zur Erde. Über einen sogenannten Hohmann-Transfer ist der rote Planet dann relativ leicht erreichbar. Das hat sich beispielsweise die NASA-Mission InSight zu Nutze gemacht.

Aber leider ist die Physik im Weltall noch komplizierter. Denn tatsächlich üben bei einem Flug zum Mars nicht nur Erde und Mars einen gravitativen Einfluss auf die Sonde aus. Während des Flugs zieht auch die Sonne am Raumschiff. Dadurch kommt es zum sogenannten Dreikörper-Problem, das als eines der schwierigsten Probleme in der Mathematik gilt.

Wie Raumschiffe mit der Schwerkraft beschleunigen oder bremsen können

Ziehen sich drei Körper wechselseitig an, können Mathematiker die Folgen davon nur noch näherungsweise berechnen. Die Umlaufbahnen dieser Körper umeinander sind dann nicht mehr gleichmäßige Ellipsen, sondern ein wildes, chaotisches Knäuel. Wissenschaftler versuchen dann, ihre Berechnungen mit einigen Tricks zu vereinfachen und handhabbar zu machen.

So können unterschiedliche gravitative Einflüsse genutzt werden, um ein Raumschiff durch sogenannte Gravity-Assists zu beschleunigen oder zu bremsen. Sonden können so fast ohne Treibstoff an Fahrt aufnehmen oder sich von ihrem Zielplaneten einfangen lassen. Ein Beispiel für eine solche Mission ist die von ESA und JAXA Sonde Bepicolombo, die derzeit auf dem Weg zum Merkur ist und dort im Dezember 2025 auf ihrer endgültigen Umlaufbahn ankommen soll.

Merkursonde BepiColombo

BepiColombo ist ein Gemeinschaftsprojekt der ESA und der Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA.

Informationstafel zur Merkursonde
Alle wichtigen Informationen zum Merkur auf einem Blick. Bildrechte: ESA-Manuel Pedoussaut
Informationstafel zur Merkursonde
Alle wichtigen Informationen zum Merkur auf einem Blick. Bildrechte: ESA-Manuel Pedoussaut
Innenleben von Merkur
Die innere Struktur des Merkur, so vermutet die ESA, wird von einem festen Eisenkern dominiert, der von einer flüssigen Eisenhülle, Schwefel und Silikat umgeben ist. Darum befindet sich ein Silikatmantel und eine 10 km dicke Silikat-Kruste. Bildrechte: spacecraft: ESA / Mercury surface: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
Merkursonde
BepiColombo wird durch das Hinzufügen des Sonnenschilds komplettiert, das den Mercury Magnetospheric Orbiter der JAXA während des Flugs schützen wird. Bildrechte: ESA - M. Pedoussaut
Merkursonde vorm Start.
Die Verkleidung der Ariane 5 Rakte wird über BepiColombo abgesenkt. Bildrechte: ESA-Manuel Pedoussaut
Mitarbeiter im Labor.
Mercury Transfer Module und Mercury Planetary Orbiter von BepiColombo werden für die Betankung vorbereitet. Bildrechte: ESA - M. Pedoussaut
Rakete vorm Start.
Diese Ariane 5 Rakte wird BepiColombo in den Orbit bringen. Sie startet vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou. Bildrechte: ESA/ATG medialab
ESA-Kontrollzentrum
Die Teams im ESCO Operation Centre der ESA während einer Simulation der BepiColombo Mission. Bildrechte: ESA
Merkursonde im Weltraum
Das Mercury Transer Modul befindet sich links auf der Oberseite des Launch-Adapters. Der Mercury Planetary Orbiter befindet sich in der Mitte und der Mercury Magnetospheric Orbiter ist innerhalb des Sonnenschilds sichtbar. Die Solarflügel des Raumfahrzeugs öffnen sich zu einem späteren Zeitpunkt. Bildrechte: ESA/ATG medialab
Sonde umkreist einen Planeten.
Auf seiner 7,2 Jahre andauernden Reise zu Merkur wird BepiColombo die Erde einmal, die Venus zweimal und den Merkur selbst sechsmal umrunden, bevor er in die Umlaufbahn des Merkur eintritt. Bildrechte: ESA/ATG medialab
Merkursonde
BepiColombo bei der Umrundung Merkurs. An Bord sind u.a. ein Thermosensor aus dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena. Bildrechte: ESA/CNES/Arianespace/Optique video du CSG – P.Baudon
Eine Gruppe Menschen vor eine Rakete.
Die Teams der Mission haben auf der Außenhülle von BepiColombo unterschrieben. Bildrechte: ESA Stephane Corvaja
Alle (11) Bilder anzeigen

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL | 31. Dezember 2019 | 05:24 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 03. Januar 2020, 15:00 Uhr

0 Kommentare