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Welt der Physik – Wie fliegt man zum Mond?

Weltderphysik.de : Wie fliegt man zum Mond?

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Hohmann-Bahn

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Verlauf der Apollo-11-Mission

Vor fünfzig Jahren, am 20. Juli 1969, landeten Neil Armstrong und Buzz Aldrin auf dem Erdtrabanten. Zwischen Ankündigung und Umsetzung einer bemannten Mondlandung vergingen mehr als acht Jahre – ganz so einfach scheint es also nicht zu sein, von der Erde zum Mond zu gelangen.

„Ich glaube, dass sich die Vereinigten Staaten das Ziel setzen sollten, noch vor Ende dieses Jahrzehnts einen Menschen auf dem Mond landen zu lassen und ihn wieder sicher zur Erde zurückzubringen“, proklamierte US-Präsident John F. Kennedy am 25. Mai 1961. Mehr als acht Jahre vergingen, bis die NASA diesen kühnen Plan in die Tat umsetzte.In dieser Zeit entwickelte die Raumfahrtbehörde nicht nur die nötige Technik für einen Flug zum Mond, es galt auch die beste Reiseroute zum Erdtrabanten zu finden. Denn anders als auf der Erde ändern Start- und Endpunkt im Weltall während des Reiseverlaufs ihre Position relativ zueinander. Alles ist in ständiger Bewegung: Die Erde dreht sich um sich selbst und kreist um die Sonne. Und auch das Ziel – in diesem Fall der Mond – kreist um die Erde und mit ihr gemeinsam um die Sonne.Könnte man mit einer Rakete nicht trotzdem einfach von der Erde direkt zum Mond fliegen? Physikalisch spricht nichts dagegen. Doch für einen solchen Flug würde man einen extrem starken Antrieb und sehr viel Treibstoff benötigen. Und so versuchen die Raumfahrtwissenschaftler, die Anziehungskräfte der Himmelskörper optimal auszunutzen – und damit Energie zu sparen. Das beginnt bereits beim Start: Raketen schießt man bevorzugt in Äquatornähe und in Richtung der Erddrehung ins All. Allein dadurch nimmt eine Rakete eine Geschwindigkeit von 1674 Kilometern pro Stunde mit. Für eine typische Umlaufbahn um die Erde in einer Höhe von 300 Kilometern muss ein Raumfahrzeug allerdings eine Geschwindigkeit von 28 000 Kilometern pro Stunde erreichen.

Um aus einer Erdumlaufbahn möglichst energiesparend an einen weiter entfernten Ort – wie den Mond – zu gelangen, gibt es nun verschiedene Varianten. Eine ist die sogenannte Hohmann-Bahn: Dabei handelt es sich um eine Ellipse, in deren Brennpunkt sich die Erde befindet. Der erdnächste Punkt dieser Ellipse berührt die ursprüngliche Umlaufbahn um die Erde, der erdfernste Punkt der Ellipse befindet sich in der gewünschten Umlaufbahn – in diesem Fall also in der Umlaufbahn des Mondes. Bereits 1925 beschrieb der deutsche Raumfahrtpionier Walter Hohmann diesen Übergang zwischen zwei Bahnen in seinem Buch „Die Erreichbarkeit der Himmelskörper“.

Um auf eine solche zum Mond führende Ellipsenbahn zu gelangen, muss das Raumfahrzeug auf eine Geschwindigkeit von etwa 40 000 Kilometern pro Stunde beschleunigt werden. Die Triebwerke müssen dabei genau im richtigen Moment zünden, damit die angestrebte Hohmann-Bahn im erdfernsten Punkt tatsächlich auf den sich bewegenden Mond trifft. Dieses Flugmanöver war in den 1950er- und 1960er-Jahren sowohl technisch als auch rechnerisch eine Herausforderung. Jedes heutige Smartphone ist den für die Apollo-Missionen verwendeten Computern der NASA millionenfach überlegen. Und um in eine Umlaufbahn um den Erdtrabanten zu gelangen oder weich auf dem Mond zu landen, ist sogar eine noch kompliziertere Flugbahn nötig.

In zahlreichen Versuchen tasteten sich die Raumfahrtbehörden langsam an den Mond heran: Nach etlichen Fehlstarts raste am 4. Januar 1959 die sowjetische Sonde Lunik 1 am Erdtrabanten vorbei – in einem Abstand von etwa 6000 Kilometern. Am 12. September 1959 schlug mit Lunik 2 erstmals eine Raumsonde auf dem Mond auf. Die erste weiche Landung auf dem Mond gelang am 3. Februar 1966 der ebenfalls sowjetischen Sonde Luna 9. Und am 3. April desselben Jahres schwenkte Luna 10 erstmals in eine Umlaufbahn um den Erdtrabanten ein. Am 24. Dezember 1968 erreichte mit Apollo 8 dann erstmals ein bemanntes Raumschiff den Mond und umkreiste ihn innerhalb von zwanzig Stunden insgesamt zehnmal. Und schon sieben Monate später gelang der NASA mit Apollo 11 dann die erste bemannte Mondlandung.

Apollo 11 startete am 16. Juli 1969 und erreichte zwölf Minuten später planmäßig die Erdumlaufbahn. Die Rakete umkreiste unseren Planeten eineinhalbmal, bevor sie auf Mondkurs ging. Nach 76 Stunden erreichten Neil Armstrong, Edwin Aldrin und Michael Collins den rund 380 000 Kilometer entfernten Erdtrabanten. Am 19. Juli schwenkten die Astronauten in eine Mondumlaufbahn ein. Einen Tag später koppelte die Landefähre – mit Armstrong und Aldrin an Bord – ab und setzte wenig später auf der Mondoberfläche auf. Am 21. Juli um 3:56 Uhr mitteleuropäischer Zeit betrat Armstrong als erster Mensch den Mond, zwanzig Minuten später folgte ihm Aldrin. Zweieinhalb Stunden dauerte der erste Ausflug auf die Mondoberfläche.Nach rund 21 Stunden auf dem Mond ging es dann zurück, erst zum Apollo-Raumschiff und dann zur Erde. Am 24. Juli 1969 landete die Kapsel mit den drei Astronauten im Pazifik.

Die Anreise der Apollo-Astronauten zum Mond dauerte drei Tage und vier Stunden. Eine kurze Flugzeit ist bei bemannten Missionen ein entscheidendes Kriterium, denn sie bedeutet eine geringere Strahlenbelastung für die Raumfahrer. Bei unbemannten Sonden spielt die Flugzeit dagegen eine geringe Rolle. So sind auch Flugrouten denkbar, die Monate dauern, dafür aber wenig Energie kosten. Solche Bahnen führen zunächst meist weit aus dem Erde-Mond-System heraus und machen sich die Anziehungskraft der Sonne zunutze, um schließlich zum Mond zurückzukehren. Statt der schubstarken chemischen Antriebe lassen sich dafür auch elektrische Antriebe verwenden. Ein weiterer großer Vorteil: Die Raumsonden nähern sich dem Mond mit einer geringen Relativgeschwindigkeit, wodurch nur geringe Korrekturen nötig sind, um in eine Umlaufbahn um den Erdtrabanten einzuschwenken.

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