Schwerelosigkeit: Warum Astronauten schweben

Auf Bildern von der Internationalen Raumstation ISS siehst du Astronauten, die durch den Raum schweben, und Wassertropfen, die als Kugeln in der Luft stehen. Viele denken deshalb, im Weltraum gebe es keine Schwerkraft. Das ist ein weit verbreiteter Irrtum. In 400 Kilometern Höhe wirkt die Erde noch mit fast 89 Prozent der Kraft an der Erdoberfläche auf einen Körper.

Dass die Astronauten trotzdem schweben, liegt am freien Fall. Die ISS und alles in ihr werden von der Schwerkraft zur Erde gezogen und fallen deshalb ständig. Weil alle Körper gleich schnell fallen, drückt der Astronaut nicht auf den Boden, und der Boden nicht auf ihn. Genau dieses fehlende Drücken nehmen wir als Schwerelosigkeit wahr.

Physiker sprechen deshalb manchmal lieber von Mikrogravitation oder von freiem Fall. Der Begriff Schwerelosigkeit ist trotzdem üblich. Wichtig ist, dass du den Unterschied kennst: Die Schwerkraft ist da, nur ihre Wirkung auf die Unterlage verschwindet.

Warum stürzt die ISS dann nicht auf die Erde? Sie fällt tatsächlich, aber sie bewegt sich zugleich mit etwa 7,7 Kilometern pro Sekunde seitlich. Die Erde ist eine Kugel, und ihre Oberfläche krümmt sich unter der fallenden Station weg. Die Station fällt also immer wieder an der Erde vorbei. So entsteht die Umlaufbahn, und ein Umlauf dauert etwa 92 Minuten.

Newton hat sich das mit einer Kanone auf einem hohen Berg vorgestellt. Eine langsame Kugel fällt bald zu Boden. Eine schnellere fliegt weiter, bevor sie aufschlägt. Mit genug Geschwindigkeit fällt die Kugel um die ganze Erde herum und kommt hinten wieder an. Eine Umlaufbahn ist also ein freier Fall, der ständig verfehlt.

Schwerelosigkeit gibt es auch auf der Erde, nur kürzer. In Fallturm-Anlagen fällt eine Kapsel mehrere Sekunden lang frei, in Parabelflügen erlebt man etwa 20 Sekunden. Immer gilt: Alles fällt mit derselben Beschleunigung, und deshalb drückt nichts auf nichts.

Der größte Fehler ist die Aussage „Im Weltraum gibt es keine Schwerkraft“. Sie stimmt nur sehr weit weg von allen Himmelskörpern. Der Mond bleibt auf seiner Bahn, weil die Erde ihn über 380 000 Kilometer hinweg anzieht, und die ISS wird auch in 400 Kilometern Höhe stark angezogen.

Der zweite Fehler ist die Verwechslung von Masse und Gewichtskraft. Ein Astronaut hat im Orbit weiter 80 kg Masse. Er lässt sich nur schwerer als gewohnt abbremsen, wenn er gegen eine Wand stößt, weil seine Trägheit unverändert ist. Gewichtskraft misst du in Newton, Masse in Kilogramm.

Der dritte Fehler betrifft die Einheit von g. Sie lautet m/s², weil g eine Beschleunigung ist. Wer nur m/s schreibt, verwechselt Beschleunigung und Geschwindigkeit. Rechne außerdem bei Fallaufgaben das Quadrat der Zeit vor dem Multiplizieren aus, sonst verschiebt sich das Ergebnis stark.

Schwerelosigkeit ist für die Forschung wertvoll. Auf der ISS untersuchen Wissenschaftler, wie Flammen, Kristalle und Flüssigkeiten ohne Gewicht wachsen und sich verhalten. Auch der menschliche Körper reagiert: Muskeln und Knochen werden ohne Belastung schwächer, deshalb trainieren Astronauten täglich etwa zwei Stunden an Geräten.

In der Klassenarbeit solltest du die Schwerelosigkeit immer über den freien Fall erklären. Eine gute Antwort nennt drei Punkte: Die Schwerkraft wirkt weiter, Station und Astronaut fallen gleich schnell, und deshalb gibt es keine Kraft auf die Unterlage. Mit diesen drei Sätzen erhältst du in der Regel die volle Punktzahl.

Bei Rechenaufgaben notierst du zuerst Masse und Fallbeschleunigung. Prüfe, ob der Ort angegeben ist, denn auf dem Mond rechnest du mit 1,62 m/s², auf der Erde mit 9,81 m/s². Schreibe immer die Einheit N für die Kraft hin und kontrolliere am Ende, ob das Ergebnis zur Größenordnung passt: 80 kg ergeben auf der Erde etwa 800 N.