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Transkript

Wir sind gefangen auf der Erde.

Das Universum verspottet uns, indem es uns all die Orte zeigt, die wir nie besuchen könnten.

Wie auch immer, wenn unsere Spezies eine langfristige Zukunft haben möchte, dann müssen wir aus unserem “Gefängnis” ausbrechen.

Aber, was hält uns hier?

Es stellt sich heraus, dass wir dem Universum etwas schulden, dass 4,5 Milliarden Jahre alt ist.

Intro

Ein Gefängnis aus Energie

Jedes Objekt mit Masse zieht im Universum jedes anderes Objekt mit Masse an.

Dieses Phänomen nennen wir Schwerkraft.

Je näher du an einem Objekt mit Masse bist, desto höher ist die Anziehung oder umso stärker wirst du eingezogen.

Dieser Effekt hält uns auf der Erde gefangen.

Wir können uns das so vorstellen, als ob wir Gefangene in einem Schwerkraftgefängnis oder in einem Schwerkraftbrunnen wären.

Es ist nicht wortwörtlich ein Brunnen, aber ein handliches Konzept um zu verstehen, wie das alles funktioniert.

In einem Schwerkraftgefängnis zu sein bedeutet, dass wir der Schwerkraft Energie schulden.

Aber wie kann man Energie schuldig sein?

Weil Objekte in unserem Universum weder ihre Geschwindigkeit noch ihre Richtung ändern wollen.

Um sie zum Bewegen zu überzeugen, musst du Energie aufwenden.

Vor Milliarden von Jahren hat die Schwerkraft von Billionen von Partikeln, die unsere Sonne umkreisten,

diese zusammen gezogen bis sie einen Planeten bildeten.

Dieser Prozess benutzte Energie und erschuf den Schwerkraftbrunnen, dessen Teil wir nun sind.

Je tiefer man im Brunnen ist, umso mehr Energie schuldet man der Schwerkraft.

Wenn du nicht genug Energie hast, ist es nicht möglich ihn zu verlassen.

Egal was du machst.

Denn deine Atome waren einmal ein Teil des Staubs, auf den das Universum Energie aufwendete, um zu diesem Stadium zu kommen.

Okay.

Fassen wir das mal zusammen.

Die Objekte im Universum bewegen sich nicht gern.

Man muss sie dazu überzeugen, indem man Energie einsetzt.

Die Schwerkraft hat die Teilchen, die Planeten bilden, ebenfalls mit Energie zum gemeinsamen Bewegen überzeugt.

Das hat nebenher ein Schwerkraftgefängnis erschaffen, das uns nun als Gefangene hält.

Um dem zu entkommen, müssen wir unsere Schulden mit Energie tilgen.

So weit so gut, aber wie können wir das anstellen?

Die Flucht aus dem Gravitationsgefängnis

Um ins All zu gelangen müssen wir einen komplizierten Vorgang des Energieaustausches durchlaufen.

Dazu haben wir eine “Maschine zur Rückzahlung der negativen Energiepotentiale” gebaut.

Auch unter ihrem langweiligen Namen “Raketen” bekannt.

Raketen nutzen einige der energiereichsten chemischen Reaktionen, über die Menschen bescheid wissen,

um den Treibstoff auf eine kontrollierte Art zur Explosion zu bringen.

Das wandelt dann chemische in kinetische Energie um.

Die Abgase dieser Reaktion werden dann nach außen geleitet und sorgen dann für den Vorschub, um von der Erde wegzukommen.

Beim Ausstoß von viel Energie erhöht sich unsere potenzielle Gravitationsenergie

Was wiederum eine kompliziertere Schreibweise ist um die Energieschulden an die Schwerkraft zurückzuzahlen.

Tatsächlich ist es aber viel komplizierter als das.

Wenn man Treibstoff verbrennt um in den Orbit zu gelangen,

verliert man viel Energie in Form von Hitze, Abgasen und Luftwiderstand.

Deshalb benötigt man in Wirklichkeit viel mehr.

Man kann nicht einfach eine große Menge von explosivem, gefährlichem Treibstoff neben die Nutzlast legen und zünden.

Man braucht eine kontrollierte Verbrennung.

Das ist jedoch kompliziert, denn es macht die Rakete sehr schwer.

Das heißt, die Rakete hat eine größere Masse.

Umso größer die Masse eines Gegenstandes, umso mehr Energie wird benötigt um ihn zu bewegen.

Deshalb benötigst du mehr Treibstoff um die Rakete abheben zu lassen.

Wenn man jedoch mehr Treibstoff benötigt, braucht man auch eine größere Rakete um den Treibstoff zu transportieren.

Das wiederum macht die Rakete schwerer, weshalb man mehr Treibstoff braucht, weshalb man wieder eine größere Rakete braucht um den Treibstoff zu transportieren.

Und so weiter.

Am Ende dieses Wahnsinns, benötigt man mehr als 100x soviel wie das Gewicht der Nutzlast um zu starten.

Ariane 6 (die europäische Rakete) beispielsweise, wiegt 800 Tonnen und sollte dazu in der Lage sein

10 Tonnen in die geostationäre Umlaufbahn oder 20 Tonnen in die mittlere Erdumlaufbahn zu transportieren.

Allerdings kann eine Rakete nur soviel Schubkraft produzieren, dass es ein Maximalgewicht gibt, worüber man nicht abheben kann.

Wenn man zuviel Gewicht hinzufügt hebt sie nicht ab. Man kann also nicht einfach immer größere Treibstofftanks bauen.

Das ist das Schlechte an der Raketengleichung und heißt, dass Weltraumflug niemals einfach werden wird.

Doch warte ab, es wird noch schlimmer.

In den Weltraum zu kommen ist immernoch nicht gut genug. Man ist weiterhin im Gravitationsgefängnis am Rande des Weltraums und

wird zur Erde zurückgeworfen.

Im Weltall zu bleiben ist viel schwieriger als dort hinzukommen.

Um in eine stabile Position zu kommen, wo man eine Weilte bleiben kann, muss die Rakete eine niedrige Erdumlaufbahn erreichen.

Um das zu tun, braucht man eine Menge kinetische Energie, was heißt man muss extrem schnell werden.

Bei einer Höhe von 100km sind das 8 km/s

28000 km/h sind schnell genug, um die Erde in 90 Minuten zu umrunden.

Hier können wir einen Trick benutzen.

Anstatt gerade nach oben zu fliegen, können wir seitwärts fliegen.

Die Erde ist eine Kugel,

wenn man also schnell genug seitwärts fliegt (auch wenn man dabei zur Erde fällt) wird der Boden sich unter ihnen verdecken.

Solange man also über der Atmosphere ist (ca. 100km hoch), wird man in der Umlaufbahn bleiben.

Das ist was die ISS macht (um die Erde kreisen und zwischendurch Energie aufwenden) um

schnell genug zu bleiben.

Wenn wir uns die Größe von Umlaufbahnen anschauen, sehen wir, dass die nahe Erdumlaufbahn sich nahe an der Erde befindet.

Um beispielsweise Satelliten bei anderen Planeten zu platzieren, benötigt man eine andere Möglichkeit um die Energieschulden zu bezahlen.

In die Umlaufbahn zu gelangen ist für uns derzeit der schwierigste Teil des Weltalls.

Wenn man zum Beispiel eine Rakete zum Mars schicken möchte, wird die Hälfte der Energie dazu benötigt in die Umlaufbahn zu kommen

und die andere Hälfte für die Strecke von 55 Millionen km zum Mars.

Deshalb werden Raketen, um so effektiv wie möglich zu sein, nicht in einem Stück gebaut.

Stattdessen nutzt man mehrstufige Raketen. Man braucht keinen leeren Treibstofftank transportieren, also lassen Raketen ihn fallen.

Raketen stoßen heutzutage ihre Trägerrakete und ihre Hauptstufe mit jeder Stufe die sie aufsteigen ab.

Dabei sind sie eine eigene seperate Rakete mit eigenem Antrieb und Treibstoff.

Ok, das ist also warum es so schwer ist in den Weltraum zu gelangen.

Wenn du dir denkst, dass ist alles ganz schön kompliziert, dann mach dir keine Sorgen. Das ist echte Raketen Wissenschaft!

Dieses Video wurde teilweise ermöglicht durch den Sponsoren Airbus Safran Launchers und Arianespace.

Welche ihre neue Ariane 6 Rakete darauf vorbereiten, 2020 in den Weltraum zu starten.

HIer kannst du mehr über die Rakete lernen.

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Falls du nun das Verlangen nach mehr Weltraum Zeug verspürst: Hier ist eine Wiedergabeliste für dich.