Künstliche Schwerkraft bei Raumstationen

Zugegeben, die ISS ist zwar noch lange nicht fertig, aber man wird ja mal schon über ein Nachfolgemodell nachdenken dürfen. Diese imposante Station hat einen wichtigen Nachteil, sie bietet keine Möglichkeit, der Schwerelosigkeit zu entrinnen. Die Astronauten müssen, trotz Gewöhnung an diesen Zustand, gesundheitliche Nachteile in Kauf nehmen, alle Arbeitsprozesse dauern langsamer und manche Laborversuche erfordern eben nicht die völlige Schwerelosigkeit sondern eine verminderte, präzise eingestellte Gravitation, zB. exakt 0.23 g.

Da denkt natürlich jeder an die Rotogravitation, sie ist für SF - Leser ein alter Hut. Ganz so einfach geht das aber nicht, deshalb sollen hier ein paar interessante Aspekte beleuchtet werden.

Im Prinzip ist die Schwerkraft durch Rotation fast dasselbe wie Schwerkraft durch "Massenanziehung". Denn beide entstehen eigentlich durch Krümmung des Raumes.
In beiden Fällen existieren auch Gezeiteneffekte, nur sind diese für den winzig kleinen Menschen auf der großen Erde nicht spürbar (ganz anders als bei einem Schwarzen Loch oder einem Neutronenstern). Wenn aber bei der künstlichen Rotogravitation ein kleiner Radius, verbunden mit einer hohen Drehgeschwindigkeit, gewählt wird, kommen starke und unangenehme Gezeiteneffekte ins Spiel.

Als Gerard O`Neill im Jahre 1974 in dem grandiosen Buch "The High Frontier" sein Konzept der rotierenden Weltraumhabitate vorstellte, war dies mit der künstlichen Schwerkraft noch ganz einfach.

Solange die Rotationszeit eines großen Wohnzylinders nur größer ist als zweieinhalb oder drei Minuten, bleiben die Gezeitenkräfte, (d.h. die Gravitationsunterschiede zwischen Scheitel und Fußsohle eines 1.80 m großen Menschen), nahezu unmerklich. Auch die Corioliskräfte (eigentlich sind es nur Scheinkräfte), die wirken, wenn ein Bewohner eines Habitats sich z.B. senkrecht zur Rotationsachse bewegt, wären bei diesem Konzept zwar meßbar, aber nicht spürbar.

Aber: damit bei einer langsamen Umdrehung innerhalb von drei Minuten, trotzdem eine normale Schwerkraft von 1 g auftritt, müßte der Radius eines solchen Wohnzylinders ca. 3 km betragen, der Durchmesser also 6 km!

Da müssen wir, und auch die nächste Generation, erst mal kleinere Brötchen backen.

 

 

 

Unterforderung der Muskeln und der Knochen

Für eine rotierende Raumstation wären zunächst sicher nur Rotationsradien von ca. 30 m bis 60 m anzupeilen. Die konkrete Form der Station (Speichenrad, Hantel, Kugel, Zylinder mit Auslegern u.v.a.) soll hier zunächst nicht diskutiert werden. In jedem Fall treten bei einem solch kleinen Radius unliebsame Nebenwirkungen auf.

Entweder, man nimmt mit einem Bruchteil der Erdbeschleunigung vorlieb, z.B. mit 0.05 g, oder den Leuten wird laufend schlecht. Eine so geringe Anziehungskraft hilft aber nicht viel. Sicher, ein Astronaut wiegt dann wenigstens seine 4 - 5 kg und weiß immer wo oben und unten ist. Gegenstände fliegen nicht wie wild herum, das Bier bleibt in der Dose, man kann leidlich gut duschen und aufs Klo gehen etc.

Aber die langdauernde Unterforderung der Muskeln und der Knochen bleibt bestehen, die Flüssigkeit im Innenohr ist leichter und reagiert bei heftigen Kopfbewegungen entsprechend heftig, und viel zusätzlicher Kraftsport muß betrieben werden, der natürlich von der Arbeitszeit abgeht. Also beschleunigt man die Station eben und läßt sie in 10 - 12 Sekunden um die eigene Achse rotieren. Dann erhält man bei 30 m Radius eine Radialbeschleunigung von 1 g. Prima! Aber dann geht’s erst richtig los mit den Problemen. Denn der Drehradius der Station ist nur 15 mal so lang wie ein großgewachsener Mensch. Der Scheitel des Astronauten ist 28 m von der Drehachse entfernt, seine Fußsohlen aber 30 m. Es ergeben sich aus der unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeit also Beschleunigungsdifferenzen, d.h. Zugkräfte, welche auf den Körper wirken.

Dies sind die sogenannten Gezeitenkräfte. Sie betragen im vorliegenden Fall ca. 7 % des Körpergewichtes, also 5 - 6 kg. Die Formel, mit der dies jeder mal nachrechnen kann, lautet:

a = v2 / r

a     ist natürlich die Beschleunigung,
v    
ist die Rotationsgeschwindigkeit,
r     ist klar, der Radius. Man rechnet nun den Umfang des vollen Kreises aus,

U  =  π x d

das sind ca. 188 m.

aus einer Rotationszeit von  t = 11 sec ergibt sich dann  v = 17.1 m /sec.
17.12 : 30 = 9.8 m / sec2 = g


Wenn für den Radius r statt 30 m z.B. 28 m eingesetzt wird, kann man leicht die Schwerkraftdifferenz zwischen Scheitel und Fußsohle ausrechnen.

 

 

Corioliskraft und konstruktive Tricks

Der Astronaut verspürt also ständig eine Kraft, die seinen Körper strecken möchte.
Wenn er Lasten eine Treppe hinaufträgt, werden diese ständig leichter, beim hinabsteigen werden sie schwerer (immerhin besser als umgekehrt).



Hier ist als roter gestrichelter Pfeil der jeweilige Drall dargestellt der auf den Astronauten wirkt, wenn er die Leiter hinauf oder hinab steigt.

Schlimmer ist die Corioliskraft, die immer auftritt, wenn ein Körper sich in einem rotierenden System geradlinig bewegt. Wenn der Astronaut eine Treppe hinaufsteigt, in Richtung auf die Drehachse der Station, verspürt er einen Drall in Drehrichtung, also z.B. nach rechts. Er wird sich gut festhalten müssen und aufpassen, daß er nicht die Leiter hinunterfällt. Beim Abstieg wird er dann beständig nach links abgelenkt.

Läuft er auf einem Flur entlang, fühlt er sich schwerer, wenn er in Rotationsrichtung läuft, um so mehr, je schneller er sich bewegt. Läuft er entgegengesetzt, wird er natürlich leichter, ein Effekt den er an den Füßen jedoch stärker fühlt als am Kopf. Man kann sich sicher an vieles gewöhnen, aber die Koordinationsfähigkeit des Menschen wird arg strapaziert, wenn jede beabsichtigte Vertikalbewegung eines Körperteiles, ohne Gegensteuerung automatisch in einer Diagonalbewegung mündet.

Außer horizontaler und vertikaler Bewegung vollführt ein Raumfahrer aber auch sehr häufig Rotationen, z.B. Drehen des Kopfes oder Nicken. Bei Schwerelosigkeit ist dies auch immer sehr unangenehm, weil die Flüssigkeit in den Bogengängen des Innenohres "herumschwappt", was Seekrankheit hervorruft. Nicht viel schöner ist dies bei schnellen Kopfbewegungen in einem schnell rotierenden System. Dann treten Präzessionseffekte auf , die auch bei den Taumelbewegungen der Erdachse zu beobachten sind. "Das Bogengangorgan, das bekanntlich auf Winkelbeschleunigungen anspricht, wird in diesem Fall weder die Rotation der Raumstation, noch die Drehung des Kopfes der Wiklichkeit entsprechend anzeigen, sondern einen dritten, scheinbaren Kraftvektor melden, der senkrecht auf den beiden anderen steht, offenbar eine Falschmeldung" (Zitat J.v. Putkamer). Die Signale des Innenohres widersprechen eklatant den Informationen, die der Sehsinn dem Hirn meldet. Übelkeit und Schwindelgefühle sind die Folge.

Wie könnte man diesem Problem nun konstruktionstechnisch begegnen?

Am Besten wäre natürlich eine großzügige Lösung, indem die Raumstation ganz oder teilweise einen größeren Rotationsradius erhält. Es müssen nicht gleich einige hundert Meter sein, denn auch ein Kompromiß ist denkbar. Bei einem Radius von 75 m und einer Umlaufzeit von 30 Sekunden ergibt sich eine Beschleunigung von 1 / 3 g, entsprechend der Schwerkraft auf dem Mars. Damit könnten Astronauten noch einigermaßen klar kommen, obwohl es keine idealen Bedingungen sind.

Möglich wäre auch eine klare konstruktive Trennung von unbeweglicher Zentraleinheit und an sehr langen Kabeln gemächlich rotierenden Schlaf- u. Wohnkabinen. Es müßte natürlich ein bequemer, schneller Lift vorhanden sein, der auch ohne Raumanzug benutzbar wäre.

Diese Variante wäre immerhin noch unvergleichlich preiswerter als ein großes Speichenrad von 300 m bis 3000 m Durchmesser, wie es die klassischen Entwürfe von Wernher von Braun oder des Stanford Torus vorsahen.

Wenn nun aber doch die kleine Lösung (schnelle Rotation, d.h. hohe Winkelgeschwindigkeit) gewählt werden muß, dann können einige konstruktive Tricks die Probleme etwas entschärfen.
Wenn nämlich die Drehachse einer Kopfbwegung exakt parallel zur Drehachse der Station verläuft, treten keine Präzessionseffekte auf.

Andere interessante Konstruktionsaspekte

Also müssen die Entwurfplaner darauf achten, daß wenigstens die Arbeitsplätze und Schlafkojen der Bewohner so angeordnet sind, daß die beiden Drehachsen parallel verlaufen.

Der Kopf rotiert jedoch in zwei Achsen (Nicken und Schwenken). Nickbewegungen sind noch häufiger als Schwenkbewegungen, deshalb müssen Arbeitsplätze und Eßplätze so angeordnet werden, daß sie quer zur Drehrichtung der Station und parallel zur Drehachse liegen. Dann kann man (z.B. beim Tippen am Bildschirmarbeitsplatz) beliebig schnell auf und niederblicken, muß sich aber ein gemächliches Drehen des Kopfes angewöhnen, etwa die Geschwindigkeit, mit der Faultiere um sich blicken. Aber dies ist jetzt, in der Schwerelosigkeit, ja auch schon üblich.

Weil beim Schlafen fast nur Kopfdrehungen um die Körperachse auftreten, sind die Schlafkojen entsprechend axial anzuordnen, aber auch quer zur Drehrichtung.

Querschnitt durch den Reifen einer radförmigen Station, die Drehrichtung ist senkrecht zur Blattebene

Es gibt noch andere interessante Konstruktionsaspekte bei kleinen, schnell rotierenden Stationen. Fußböden sollten eigentlich plan sein, so sind wir das gewöhnt. Aber die Schwerkraftlinien verlaufen nicht parallel, sondern radial. Ein ebener Fußboden, der tangential zur Drehrichtung angeordnet ist, ist im Mittelpunkt weniger weit vom Drehzentrum entfernt als an den Wänden des Zimmers. Damit ändert sich die Schwerkraft beim Durchschreiten des Zimmers ständig und der Körper nimmt an jedem Punkt eine andere Neigung an. Nur am Tangentialpunkt kann der Astronaut mühelos lotrecht stehen. Wenn der Fußboden z.B. 30 m vom Zentrum der Station entfernt ist, wird ein Mensch um 6 Grad geneigt stehen, sobald er auch nur 3 m vom Tangentialpunkt entfernt ist.

 Ein Ausweg wären natürlich gekrümmte Fußböden, aber dann gäbe es den irritierenden Effekt, sich immer am tiefsten Punkt einer Mulde zu befinden. Stufenartige Fußböden sind andererseits bedenklich, aus Gründen des Unfallschutzes und wegen der Corioliseffekte beim jähen Steigen.

Also bleiben nur Flachböden, verbunden mit einer Beschränkung auf relativ kleine Räume. All diese hier genannten Probleme werden natürlich um so stärker gemildert, je größer und damit je teurer, die Station ist. Am vielversprechendsten erscheint mir eine Kombination aus einer nichtrotierenden Nabe (mit Andockvorrichtung, Speziallabors, Observatorien, Energieversorgung, Raumschiff-Werft et.c.) und einigen, an langen Kabeln hängenden, langsam umlaufenden Wohn- Schlaf- u. Laboreinheiten.


Autor: Michael Boden

Quellen:
Jesco von Putkamer: „Raumstationen“ 1971
H. Noordung: "Das Problem der Befahrung des Weltalls" 1928
H. Oberth: "Stationen im Weltraum" 1952
H. Oberth: "Wege zur Raumschiffahrt" 1929 Reprint VDI-Verlag


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