Versuch einer anschaulichen Erläuterung eines komplexen Themas …

 

spacestationPhantasie-Modell einer Raumstation, die durch Rotation »künstliche Schwerkraft« bereitstellt. Eine ziemlich aufwendige Bastelei mit dem 3D-Modul eines netten Produkts der Software-Industrie … nach Update nicht mehr zu verwenden. Immerhin blieb dieses 'rendering' erhalten.

Space Physics – Rotation, Gravitation und Raumstationen

Warum flog die MIR jahrelang schwerelos um die Erde und fiel dann doch plötzlich runter? Was ist künstliche Schwerkraft, geht das überhaupt? Und was ist dran an den verschiedenen Raumstations-Modellen in der SciFi-Literatur?

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Warum interessieren wir uns überhaupt für Science-Fiction?

Das ist recht einfach zu beantworten: uns interessiert eben, was morgen passiert, was die Zukunft bringt oder bringen kann, was wir erleben werden. Uns wir träumen eben von neuen, nie da gewesenen Abenteuern und Herausforderungen.

Deshalb hier ein kurzer Abriss über Physik im Weltraum – der allerdings keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt. Und wir werden anschaulich bleiben, so gut das geht, da für die meisten Menschen der Weltraum viel interessanter ist als z.B. ein Tensor-Raum.

 

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Keine Angst!

Niemand wird hier mit schwierigen mathematischen Dingen vollgemacht.

Schon deshalb, weil Mathematik aus Kleidern so schlecht raus geht. ;o)

Allerdings möchte ich hiermit gewarnt haben, dass eine einfache, anschauliche Darstellung wie diese nicht alles berücksichtigen kann, was ein wahrer Anhänger der Reinen Wissenschaften™ sich vielleicht wünscht. Dazu sind Physikbücher da. Wem das hier zu banal ist, muss nicht weiterlesen.

 

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Physikalische Größen

anschauliche Größen

Viele physikalische Größen entspringen der direkten Anschauung, sind also ganz einfach vorstellbar. Die Zeit etwa. Jeder hat erlebt, was eine Sekunde ist. Oder eine Strecke: man muss nicht erklären, was ein Meter ist. Man vergleicht einfach die Länge eines Meterstabes mit dem zu messenden Objekt. Eine Fläche: sie hat eine Länge und eine Breite. Der Raum: Länge, Breite, Höhe. Dabei sind jeweils Ausrichtung und Nullpunkt frei wählbar, wir müssen also immer angeben, wo wir den Anfang des Meterstabs hinlegen, und in welche Richtung wir zuerst messen (damit haben wir ein Koordinatensystem definiert, auch wenn wir mit dem Ausdruck vielleicht bisher gar nichts anfangen konnten). Kraft: Jeder kennt das, die Erde wirkt auf unseren Körper eine Kraft aus. Wenn wir auf eine Waage steigen, können wir feststellen, dass diese Kraft mit der Masse unseres Körpers zusammenhängt: Die Waage zeigt unsere Körpermasse in Kilogramm an (dass diese indirekt gemessen wird, durch die Verkürzung einer Feder unter Last, spielt für uns hier keine Rolle). So weit, so gut.

einfache abgeleitete Größen

Einfache abgeleitete Größen sind auch noch ganz leicht zu verstehen. Die Geschwindigkeit einer geraden Bewegung etwa: die können wir messen, als Einheit ergibt sich [Meter pro Sekunde] bzw. [m/s]: soundsoviele Meter lege ich in jeder Sekunde zurück. Die den Automobilisten unter uns Primaten geläufige Einheit [Kilometer pro Stunde] ist nicht komplizierter, nur auf anderen als den Grund-Einheiten aufbauend: 1 km/h = 1000/3600 m/s, also etwa 0,3 m/s. Bei solchen Dingen hilft ein Taschenrechner weiter, dann sind auch MPH und nautische Knoten kein Problem mehr (1 US-Meile/Stunde = ca. 1600/3600 m/s oder 0,44 m/s, 1 Knoten = 1 nautische Meile/ Stunde = ca. 1800m / 3600 s oder 0,5 m/s). All diese althergebrachten Einheiten lassen sich auf die physikalischen Grundeinheiten umrechnen.

Betrachten wir als nächstes die (gleichmäßige) Beschleunigung: um wieviel steigt die Geschwindigkeit in jeder Sekunde? - als Einheit ergibt sich [(Meter pro Sekunde) pro Sekunde], der Mathematiker schreibt der Einfachheit halber nicht [(m/s)/s] sondern [m/s²]. Ja, Mathematik kann auch - und soll sogar - Dinge des alltäglichen Lebens einfacher machen.

Vom Beschleunigen und Bremsen (Bremsen / Verzögern ist nichts anderes als eine negative Beschleunigung: das Vorzeichen '-' besagt, dass die Beschleunigung gegen die Fahrtrichtung stattfindet) eines Fahrzeuges wissen wir, dass jede Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers sich als Kraft auswirkt: beim Anfahren schiebt uns die Lehne nach vorne, beim Bremsen zieht uns der Gurt nach hinten. Jede Masse will ihren Zustand beibehalten, den »Stillstand« ebenso wie eine bestehende Bewegung.

Genauso wenig wie einen absoluten Nullpunkt im Raum gibt (siehe Beispiel oben: Meterstab), gibt es natürlich einen absoluten Stillstand. Wenn ich auf dem Klo sitze und mich selbst nicht bewege, so mache ich dennoch die Erdrotation mit, auch die Bewegung der Erde um die Sonne, die des Sonnensystems um das Zentrum der Milchstraße und so weiter. Es gibt keine absolute Angabe »Kilometer 38«, sondern immer nur relativ, bezogen auf einen anderen Ort, z.B. »ab hier 38 Kilometer bis Altötting«. Auch beim Messen einer Geschwindigkeit müssen wir immer angeben, was wir als Nullpunkt betrachten. Im allgemeinen ist 'null' die Straße und 'zu schnell' das Auto.

So, damit haben wir eigentlich schon alles, was wir an Grundlagen brauchen. Und wir ahnen, dass wir Schwerkraft / Gravitation dadurch simulieren können, dass wir eine ständige Beschleunigung seiner Bewegung herbeiführen: Bei Raketenstarts wird uns wir genau dieses Phaenomen demonstriert.

 

In der Tat ist die Wirkung von Beschleunigung und Gravitation identisch, auch wenn wir nicht wirklich wissen, warum.

Wir wissen immerhin, dass es sich um zwei verschiedene Wirkungsweisen handelt: Auf dem Mond oder in der schwerelosen Umlaufbahn um die Erde wirkt weniger bzw. keine Schwerkraft; was man auf der ISS nicht festmacht, fliegt. Trotzdem erfordert es Kraft, Dinge oder sich selbst zu bewegen, da die Trägheit unabhängig von der Schwerkraft existiert (wäre dies nicht so, bräuchte man gegen Kollissionen mit Schrott-Partikeln in der Umlaufbahn keine Vorkehrungen zu treffen).

Aus diesem Grund haben die Astronauten auf dem Mond keine besonders spektakulären Kunststücke vorgeführt. Auch wenn der Astronaut mit seiner Montur im Stehen den Eindruck hat, nur etwa 10 kg auf die Waage zu bringen, muss er beim Absprung und vor allem beim Abfedern der Landung nach einem Sprung die vollen ca. 200 kg beschleunigen und abbremsen.

 

Wir kennen zumindest einen Spezialfall, der als Rand-Erscheinung eine stetige Beschleunigungskraft mit sich bringt: die Rotation.

Alles, was rotiert, will »nach außen wegfliegen«. Das klingt banal, ist aber von der Größenordnung erheblich: Das Fahrrad funktioniert nur, weil die Rotation des relativ wenigen Materials der Felgen und Reifen enorme Trägheitskräfte mit sich bringt, die uns erlauben, auf dem Ding ohne große Mühe zu balancieren. Das ist uns wenig bewusst, da wir im Alltag selten rotieren.

Diese Rotationskräfte sind ein Ansatz für die Idee radförmiger Raumstationen irgendwo weit weg im Weltraum. Doch zu den Rotationskräften später im Detail.

 

Natürlich können wir das Beschleunigungs-Äquivalent messen, das die Gravitation der Erde auf uns ausübt: 9,81 m/s².

Messen und beschreiben kann die Physik ganz prima; erklären nicht immer. Meistens ist es sogar so, dass eine Antwort in der Physik immer weitere neue Fragen aufwirft. Im Moment ist das ganz besonders der Fall, da wir mit dem Computer als unglaublich leistungsfähigem Knecht Details aus Messungen auswerten können, von denen wir vor kurzem noch nicht mal träumen konnte, dass sie verwertbar seien.

So werden wir vielleicht schon bald eine neue Physik kennenlernen, einen Umbruch erleben, der mit Einsteins Formulierung der Relativitätstheorie vergleichbar ist, aber das nur am Rande.

Die Physik ist zweifellos eine exakte Wissenschaft, die mit mathematischen Mitteln beschreibt, was wir an Gesetzmäßigkeiten in der Natur erkannt haben. Sie stellt also unseren gesicherten Wissensstand dar. Wenn also die Physik nichts darüber aussagen kann, wann der Opel kaputt geht, oder warum Rutengänger Wasser finden, dann liegt das nicht daran, dass die Physik falsch wäre, sondern lediglich daran, dass es zu dem betreffenden Ereignis keine Erkenntnisse gibt. Aus diesem Grund ist es eben völlig schwachsinig, auf dem Umkehrschluss zu beharren, dass es nur Dinge geben darf, die die Physik erklären kann. Daran müssen wir immer denken, das ist wichtig. Das bedeutet jedoch keineswegs, dass all diejenigen, die ihre Behauptungen niemals belegen, Recht haben.

 

»We are spirits in a spiritual world«

Welcher Guru das gesagt hat, ist egal. Jedenfalls ist der Spruch richtg: Egal was wir tun, egal welches Weltbild wir entwerfen – wir sind nur ein kleiner Teil des Ganzen und nicht einmal besonders wichtig.

Wir dürfen getrost davon ausgehen, dass das, was unsere Sinne, auch die durch Technik erweiterten, nicht alles erfassen, was um uns herum existiert oder vor sich geht.

 

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Gravitation

Von der Gravitation (lat. »gravis«: schwer) wissen wir in erster Linie, dass sie existiert, dass sie zwischen Massen wirkt und unglaublich klein ist. Spürbare Gravitation entsteht erst bei riesigen Gebilden aus Materie: So beträgt die Erdmasse knapp 6 mal 10 hoch 24 kg. Zum Vergleich des Zahlenwertes: Um die gleiche Anzahl an Millimetern zurückzulegen, braucht das Licht über 1/2 Million Jahre. Höchst unanschaulich, in der Tat.

Elektrische oder magnetische Kräfte beispielsweise sind viel, viel stärker: Die Elektronen, die man braucht, um einen Zug mit einer knappen Million Kilogramm Masse auf 300 km/h zu beschleunigen, passen durch einen lächerlich dünnen Kupferdraht.

 

Künstliche, Anti- und Super-Gravitation

Künstliche Gravitation: Elektrische und magnetische Kräfte zeigen eine im Alltag sehr gut brauchbare Eigenschaft: Sie können sich gegenseitig induzieren. Man kann also mit elektrischem Strom ein Magnetfeld aufbauen (Elektromagnet, E-Motor) und durch Bewegung von Magneten ein elektrisches Feld erzeugen (Dynamo, E-Generator). Eine entsprechende Komplementär-Kraft zur Gravitation gibt es nicht, jedenfalls nach unserem Kenntnisstand. Ein paar Russen und Österreicher meinen, mittels schnell rotierender Supraleiter-Scheiben einem derartigen Effekt auf der Spur zu sein – zumindest einem Abschirmungs-Effekt – warten wir die Ergebnisse ab. Einige bekannte und ansonsten stimmige physikalische Gesetze sprechen dagegen, dass das funktionieren kann. Ausnahme: Im Film geht alles, da kann man nach Lust und Laune gegen die Gesetze der Physik verstoßen und bekommt nicht einmal ein Strafmandat dafür …

Antigravitation: Im Gegensatz zur elektrischen und magnetischen Kraftwirkung ist die Gravitation nicht polar. Es gibt also keinen Plus- und Minuspol wie bei der Batterie bzw. Nord- und Südpol wie beim Magneten. Wenn ich zwei Stabmagneten hintereinander lege, ziehen sie sich an, wenn der Nordpol des einen Magneten in der Nähe des Südpols des anderen liegt, und stoßen sich ab, wenn zwei gleiche Pole aufeinander treffen. Da es bei der Gravitation wie gesagt keine zwei Pole gibt, ziehen sich Massen immer an, in jeder Konstellation. Auf die Existenz einer Gegenkraft zur gravitativen Anziehung gibt es bisher keinen Hinweis.

Exogravitation: Unser Universum hat ein kleines Problem. Die bekannte (sichtbare) Materie reicht nicht aus, um auch nur kleine Galaxien aufgrund ihrer Gravitation zusammen zu halten. In der Annahme, dass Gravitation unbedingt und ausschließlich von Materie stammen müsse, hat man ab den 1930ern, konsequent ab den 1960ern, sogenannte schwarze oder auch dunkle Materie postuliert. Nur sieht man nichts Dunkles oder Schwarzes, das etwa Licht abschattet, sondern man sieht – gar nichts. Im US-Englisch greifen Synonyme bisweilen sehr weit (so nennt man die unsichtbare weil von der Erde abgewandte Mond-Rückseite »dark side of the moon«, obwohl sie nur genau bei Vollmond wirklich dunkel ist). Insofern ist die direkte deutsche Übersetzung »Dunkle Materie« schon mal ganz falsch. Schon richtiger wäre »Unsichtbare Materie« oder »Virtuelle Materie«. Ganz richtig wäre, von exotischer Gravitation zu sprechen und mit einem virtuellen Materie-Äquivalent zu rechnen. Diese Exogravitation kann mehrere Ursachen haben:

Doch beschränken wir uns erst einmal auf das Erd-Orbit.

 

Gravitation gegen Fliehkraft

Überlegen wir uns kurz, warum die Astronauten in der ISS oder auf jeder anderen stabilen Flugbahn im Raum schwerelos sind. Ganz einfach: es muss so sein. Die ISS fliegt mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer bestimmten Höhe um die Erde herum. Das kann nur dann funktionieren, wenn dabei eine Kraft wirkt, die genauso groß ist wie die Erdanziehung, aber eben in entgegengesetzter Richtung zieht: wir ahnen bereits, dass hierbei die Kreisbewegung eine Rolle spielt.

Das gleiche gilt auch für eine Station, die irgendwo im All um die Sonne kreist, oder für ein antriebsloses Raumschiff à la Entenscheiß: Dort drin muss immer null Gravitation wirken. Erst wenn das Ding irgendwie beschleunigt oder bremst, also seinen Bewegungszustand und damit seine Bahn verlässt, wirken Kräfte auf es selbst und auf seine Insassen. Also: wenn wir eine Raumstation haben wollen, die in einer stabilen Bahn im All fliegt, wird dort immer Schwerelosigkeit herrschen. Wirklich ein Problem, über das sich lohnt nachzudenken.

Die Astronauten in der ISS sind nicht deshalb schwerelos, weil in dieses Höhe die Schwerkraft so sehr abgeschwächt wäre (dieser Effekt ist sehr klein, macht nur ca. 3% aus), sondern als physikalische Folge der Bewegung in der Umlaufbahn. Nicht verwechseln, auch wenn man oft (in Zeitschriften oder im Internet) sehr falsche Dinge lesen kann.

Sehen wir uns die Kreisbewegung und die dort feststellbaren Kräfte also genauer an.

 

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Rotation

Wir haben gelernt: Gravitation ist eine sehr, sehr kleine Kraftwirkung. Wir können also mit relativ wenig Aufwand ähnlich starke Kräfte zu ihrer Kompensation oder Simulation herstellen. Sehen wir uns die Kreisbewegung, die Rotation genauer an.

Nehmen wir einen Hammerwerfer. Olympia und so. Ja. Er lässt also diese an einem Drahtseil befestigte Kugel kreisen, sagen wir, linksrum (von oben gesehen). Er blickt nach vorne in Richtung Rasen, wo das Teil landen soll. Wann wird er den Hammer loslassen? Genau zuschauen: Er wird in dem Moment loslassen, wo der Hammer sich in die Richtung des geplanten Fluges bewegt, und zwar wenn er 90 Grad rechts von der ursprünglichen Blickrichtung des Sportlers ist (am Schluss drehen die sich ein paarmal mit dem Hammer mit, das verwirrt). Also: Avis des Trainers: »Wenn der Hammer rechts von dir ist, lass ihn los, damit er geradeaus fliegt«. Ist so. Man nennt das eine Tangente. Das weiß aber eher der Mathmatiker als der Trainer …

Wenn ich also durch meine Drehbewegung den Hammer immer von seinem Bestreben abhalte, seinem Tangentialkurs nachzufliegen, dann hebe ich ihn praktisch die ganze Zeit hoch, zwinge ihn aus seiner »Lieblings«-Bahn. Besonders bei Hammerwerferinnen fällt auf, dass diese recht gewichtig gebaut sind. Das ist keine Show, sondern hat den Hintergrund, dass die Endgeschwindigkeit, die man diesem Sportgerät mitgeben kann, deutlich davon abhängt, wieviel Eigenmasse man der Rotation entgegen setzen kann. Rotationskräfte sind sehr starke Kräfte.

Gerade sagten wir, die Kräfte seien sehr hoch, man müsse praktisch dauernd den Hammer zum Zentrum hin »hochheben«. Das müsste sich doch totlaufen, oder? Nicht ganz. Denn der Hammer kreist nicht um die Mitte des Werfers, sondern beide Massen bewegen sich um einen gemeinsamen Mittelpunkt. Das ist einentscheidender Aspekt: wir werden sehen, dass dieser dazu führt, dass die Rotation die Bestrebung hat, sich selbst aufrecht zu halten.

Lassen wir einfach beide Massen gleich groß sein: Stellen wir uns zwei gleich schwere Eisenkugeln vor, die mit einer Stange verbunden sind und genau in der Mitte drehbar gelagert. Dann wirken alle Kräfte, die auf der einen Seite nach Osten zeigen, auf dem Gegenstück nach Westen: sie heben sich auf, ganz anschaulich nachvollziebar. Bei einem Zylinder einer Wäscheschleuder oder der Schwungscheibe einer Maschine wird dieses Prinzip in Perfektion angewandt. Es herrschen zwar große Kräfte, doch wird jede Kraft durch die Kraft ihres (radialsymmetrischen) Gegenpols aufgehoben, die Summe aller Kräfte ist genau null.

So erklärt sich, dass die Drehbewegung eines Kreisels konstant bleibt, auch die Lage eines Kreisels bleibt bestehen (vgl. Kreiselkompass). Das einzige, was die Bewegung eines Kreisels bremst, ist die Reibung seines Lagers und die Reibung an der Umgebungluft – bei einer rotierenden Raumstation gäbe es beides nicht: einmal »in Fahrt« gebracht, bleibt die Rotation bestehen, genau wie die Erde keinen Motor braucht, um ihre Eigenrotation zu behalten.

So entstand schon in frühen SF-Werken die Idee einer rotierenden Raumstation, die durch ihre Kreisel-Trägheitskräfte in Position bleibt und den Bewohnern durch die Fliehkräfte ihrer Rotation eine Art virtueller Schwerkraft schafft.

 

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Die Raumstation

Genauso wie die Erdanziehung eine konstante Kraft in Richtung Erdmittelpunkt ausübt, schafft die Drehung unserer fiktiven (rad- oder zylinderförmigen) Raumstation eine konstante Kraft, die sich für den im Inneren befindlichen Astronauten so auswirkt wie eine Gravitationskraft zur Außenseite hin. Man hat durch Experimente eine Formel gefunden, die die Größe dieser Kraft abhängig von Drehgeschwindigkeit und Durchmesser beschreibt. Dazu betrachten wir die Beschleunigung (a), die dieser Kraftwirkung zugrunde liegt.

Stellen wir uns eine Raumstation mit 110 Metern Durchmesser vor, die sich in 15 Sekunden einmal um sich selbst dreht, setzen die Zahlenwerte ein und betrachten das Ergebnis:

Ok, ich habe die Werte nicht ganz zufällig gewählt. Unsere mit 110 m Durchmesser recht große Station muss alle 15 Sekunden einmal um sich selbst rotieren, um an ihrer Innenfläche eine Kraft zu schaffen, die unserer irdischen Gravitation entspricht. Die NASA hat Habitat-Ideenwettbewerbe mit unterstützt, sie empfiehlt eine Umlaufdauer von »nicht wesentlich unter einer Minute«. Bei nur 15 Sekunden wird es den Mitreisenden demnach zwangsläufig schlecht: Das liegt an weiteren bei der Kreisbewegung auftretenden Kräften, die zu erörtern wir uns im Moment ersparen wollen.

 

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Das Habitat

Wir stellen uns jetzt einen wirklich gigantischen Hohlzylinder vor, der als Raumstation dient, ein Habitat (vgl. SF-Literatur Island One, O' Neill). Wir stellen zwei Vorgaben: I. erdähnliche »Schwerkraft« und II. eine Umlaufzeit von 24 Stunden, um Tag und Nacht durch (fest stehende) Spiegelkonstruktionen zu realisieren. Geht das? Klingt ja interessant, habe ich als Bauvorschlag auch schon so gelesen. Nur: Wenn wir nachrechnen, zeigt sich, dass das ein Monster wird:

Das Habitat mit den gewünschten Eigenschaften ist 1/80 mal so groß wie die Erdumlaufbahn um die Sonne oder knapp viermal so groß wie der äußerste Saturnring …

Ein solches Habitat können wir also vergessen. Zu groß. Wir müssen die Rotationsgeschwindigkeit erhöhen, vielleicht auch die künstliche Schwerkraft etwas vom Erdenwert zurücknehmen. Nehmen wir das Beispiel aus unserem SF-Workshop: Hier ist beides halbiert, der zu erreichende Wert der Pseudo-Gravitation wie auch der Umlaufzyklus. Setzen wir die Werte ein und betrachten das Ergebnis.

 

In der Musik ist übrigens auch alles erlaubt ...
In der Musik ist übrigens auch alles erlaubt

 

Ein Komponist¹ hat ein Werk gebastelt, das fast eine Woche lang dauert, und er ist damit berühmt geworden, ein Klassiker gar:

*** [Das Orchester lässt es krachen] ***

FIIIIIEEEEE FRADDADAMMMM HRRROOOOOAAA wrüüüüüü! fideldi!

*** [Der Held schleicht auf die Bühne, Alberich heißt er, wie albern – hrömpfffft! Pruuuust!] ***

*** [Das Orchester spielt tapfer weiter, der erste Geiger schwitzt schon sichtlich, die Flötistin beißt sich in den Arsch, dass sie nicht die billige Yamaha aus Plastik dabei hat, denn das nasse edle Holz tönt jetzt schon kaum noch] ***

BOTOTOMMMMMDADADADA FRÖDÜLÜÜÜÜÜÜ

*** [Gesang] ***

»Weia! Waga! Woge, du Welle! Walle zur Wiege! Wagalaweia! Wallala weiala weia!«

 


 

Dagegen ist SF ja noch richtig harmlos.

 

Auch dieses »Habitat Light« ist noch illusorisch groß. — Jedoch: in der Liebe und in der Literatur ist alles erlaubt. Denken wir daran!

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Big Wheel

Bauen wir das Habitat also anders. Ob rad- oder zylinderförmig, bleibt egal. Vergessen wir die automatische Tag- und Nacht-Besonnung durch feststehende Spiegel. Regeln wir das einfach über Jalousien oder über nachgeführte Spiegel. Damit sind die Vorgabe los, dass das Ding langsam rotieren muss. Die zweite Vorgabe bleibt: eine der Erdgravitation ähnliche Pseudo-Schwerkraft. Sonst sind die Bewohner bald nicht mehr erd-kompatibel. Bei 80% Gravitation müsste der Bewohner bei Rückkunft auf die Erde ständig 15 kg Gepäck mitschleppen. Das kann man einem trainierten Raumfahrer zumuten, nicht aber einem »ganz normalen« Bewohner: 90 bis 95% sind das Äußerste.

Auch die Größe ist ein wichtiger Faktor: Was kann man sich noch vorstellen, stabil zu bauen? Gut, wir haben keine Erdschwerkraft, wir haben keine Stürme, die dran wackeln. Sagen wir, drei Eiffeltürme Durchmesser? Kann man sich vorstellen, gut. Radius 450 Meter.

Setzen wir die Werte in unsere Formel ein, errechnen wir, wie schnell unser »Big Wheel« rotieren muss:

Unser »Big Wheel« mit 900 m Durchmesser müsste also alle 45 Sekunden um sich selbst rotieren, um eine Pseudo-Gravitation zu erreichen, so dass der DIN-Mann mal gerade 5 kg Übergewicht verspürt, wenn er auf die Erde zurück kommt.

Wenn wir schon dabei sind, errechnen wir gleich noch die Bahngeschwindigkeit der Außenhülle: 900 m Durchmesser entspricht einem Umfang von 2826 Metern (U = 2 π * r). Daraus ergibt sich 62,8 m/s oder ca. 225 km/h - oder anders ausgedrückt: Ein sich (im Vergleich zur Eigengeschwindigkeit der Station) ganz langsam annähernder Transporter rammt die Außenhaut im Zweifelsfall mit über 200 km/h.

Natürlich wird ein Transporter an der Drehachse andocken, bei 0 g. Doch sollten wir bedenken, wie heftig die Folgen einer denkbaren Havarie werden.

 

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»Big Wheel« 2.0

Wenn wir als Bedingung die Rotationsgeschwindigkeit auf 1 Minute festlegen (vgl. oben: NASA-Empfehlung), ergibt sich bei gleicher Schwerkraftwirkung eine Baugröße von ca. 800 m Radius bzw. 1,6 km Durchmesser und damit eine äußere Bahngeschwindigkeit von 300 km/h.

(*) Ohne zu weit ins Detail gehen zu wollen, soviel zur Coriolis-Kraft: Nehmen wir an, wir seilen uns von der Achse des Zylinders aus ab. Unser Ausgangspunkt sei 1/10 des Radius von der Mittelachse entfernt. Damit haben wir logischerweise 1/10 der Bahngeschwindigkeit des Außenrandes, wir drehen uns ja als Teil der ganzen Anwendung mit. Klar? Gut. Dann kann es ja weiter gehen: Jetzt verdoppeln wir die Seil-Länge. Wir fallen ganz langsam (die Pseudo-Gravitation beträgt nur 1/10 des Wertes an der Außenhaut [nein, das Quadrat in der Formel spielt hier nicht hinein, denn: a = r * (irgendwas im Quadrat), a ist proportional zu r]). Wir bewegen uns also auf 2/10 des Radius nach außen. Aber: Unsere Bahngeschwindigkeit in Drehrichtung entspricht immer noch dem Wert, den wir auf der ursprünglichen Höhe mitbekommen haben, wir bleiben also um die Hälfte [(1/10) / (2/10) = 1/2] hinter der Bahngeschwindigkeit unserer Umgebung in der neuen Höhe zurück. Das Spiel treiben wir weiter, bis wir »unten« sind. Wir sehen (mal wieder richtig anschaulich!), dass wir gegenüber der Raumstation eine Spiralbewegung beschreiben.

Es gibt Modelle, die statt eines Rades einen Zylinder vorsehen (z.B. o'Neill). Da die Pseudo-Gravitation alleine von Umdrehungsgeschwindigkeit und Durchmesser abhängen, gilt für Zylinder-Modelle das oben gesagte 1:1 – das Problem dabei sind die auftretenden Kreiselkräfte, die sich aus der Gesamtmasse der Station ergeben. Die notwendige Stabilität dagegen ist machbar, praktisches Beispiel: die Cola-Dose (auch die Bierdose) ist gemessen an der geringen Material-Dicke erstaunlich stabil. Richtig lustig wäre es, in so einem Hohlzylinder mit einem Ultraleichtflugzeug rumzufliegen. Schon alleine wegen der mit zunehmender Flughöhe schnell abnehmenden Pseudo-Schwerkraft (diese sinkt zum Mittelpunkt hin linear auf '0'), sondern auch wegen der Coriolis-Kraft (*), die dazu führt, dass nichts in so einem rotierenden Ding wie gewohnt anständig gerade hinunterfällt.

Wenn ein Gegenstand von der Mitte eines rotierenden Zylinders nach außen »fällt«, gleitet oder abgesenkt wird, dann beschreibt er relativ zu dem Zylinder eine Spiralbewegung gegen die Drehrichtung. Wenn ein Gegenstand zur Mitte hin aufsteigt oder angehoben wird, beschreibt er eine Spirale in Drehrichtung. Aus diesem Grund – wegen der Coriolis-Kraft - werden Aufzüge und Treppen, die zur zur Achse hin führen, spiralig gebaut werden müssen: sieht bestimmt recht hübsch aus.

 

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»Big Wheel« 3.0 – »Wheels!«

Denken wir mal daran, dass wir vielleicht die Rotationsgeschwindigkeit ab und an nachregeln müssen, um Effekte ankommender und abfliegender Shuttles zu kompensieren.

Mhh, was fällt uns da ein? Raketen, die anschieben oder bremsen? Nein. Nicht so gut. Das langweilt, und gibt Fehler. Fehler nix gut.

Wir lassen zwei solcher Räder gegeneinander rotieren. Das machen wir aber nicht mit altmodischen Kugellagern und Elektromotoren, sondern mit neuerer Technik: mit dem Prinzip der Magnet-Schwebebahn. Die eine Hälfte entspräche dann der Fahrbahn, die andere dem Zug. Anders ausgedückt: wir bauen einen großen Elektromotor, wobei ein 'Rad' dem Stator entspricht und das andere dem Rotor, wobei sich beide gegenläufig mit gleicher Geschwindigkeit drehen. Das kann funktionieren, wenn man bestimmte Zulieferer meidet.

Sinn der Sache ist, die Bewegung und damit die Pseudo-Gravitation konstant zu halten, den Antrieb jedoch berührungslos und ohne Rumpeln und Rattern zu gestalten. Das Ganze betriebssicher bei einer Differenzgeschwindigkeit von gut 600 km/h … eine nette Aufgabe für die beteiligten Ingenieure. In Yamanashi arbeitet man am Projekt »Chuo Shinkansen«¹, einer Magnetbahn, die in en Bereich jenseits der 500 km/h vorstößt. Auch hier hat man das Problem, große Massen berührungs- und unfallfrei mit wenig Abstand aneinander vorbeizubewegen.

Aber was soll das mit den gegenläufigen Rädern?

Ganz einfach: Wir wollen damit die Kreiselkräfte neutralisieren. Bei kleinen Störungen in seiner Bewegung neigt ein Kreisel zum Taumeln. Der Begriff, unter dem man das Phaenomen näher beschrieben finden kann, heißt »Präzession« (vgl. a. »Nutation«). Egal wie man es nennt, die Auswirkungen des Taumelns auf das Innenleben der Station will niemand haben. bei zwei gegenläufig rotierenden gekoppelten Rädern sind diese Effekte jedenfalls entgegen gerichtet und gleichen sich aus. Dabei muss das Material einiges aushalten, da sind wieder unsere Ingenieure gefragt.

Big Wheel 3.0 – weitere Abmessungen

Der Durchmesser steht fest: Etwa 1600 Meter. Da wir Menschen den »Goldenen Schnitt« bevorzugen (a/b = (a+b)/a also etwa 1,6/1 oder grob 3/2), wird die Gesamtbreite des Doppel-Rades etwa 1000 Meter betragen. Das ergibt im Inneren etwa 5 Quadratkilometer Nutzfläche und außen ebensoviel Platz für Solarzellen (wovon etwa 1/3 immer ordentlich be-'sonnt' wird). Wenn wir davon 1/5 in innerstädtischer Besiedlungsdichte für die Bewohner reservieren und den Rest für Landwirtschaft (in der Hoffnung, dass das reicht; andererseits brauchen Pflanzen keine Schwerkraft und können auch auf Balkonen entlang der radialen Außenhaut angebaut werden), kommen wir auf etwa 10000 Bewohner (die halbe der Bevölkerungsdichte von Paris, die doppelte von München). Hochhäuser verbieten sich wegen abnehmender Pseudo-Gravitation, aber Autobahnen und Verwaltungsbauten können wir getrost einsparen, dann passt das schon.

Big Wheel 3.0 – soziale Aspekte

Ein paar tausend Menschen auf engstem Raum, wobei jeder auf jeden angewiesen ist, das ist schon eine Herausforderung. Man wird Dreck- und Risiko-Arbeit gut entlohnen müssen, besser als bequeme. Hierarchien werden sehr flach sein müssen. Mit den Methoden unserer gegenwärtigen NWO-Gesellschaft aus Oligarchen, deren Vasallen, dann lange nichts, dann viele Billiglöhner einschließlich der »Security«-Blockwarte wird das alles nicht funktionieren. Den Rest kann man eigentlich bei Karl Marx nachschlagen, auch wenn dessen Werke nicht gerade neu sind.

 

 

Die Links aus der ursprünglichen Version sind größtenteils nicht mehr aktuell und entfallen hier.

In Zeiten von DSL und »Google« kann man Link-Sammlungen eigentlich vergessen. Auch am Internet geht die Zeit nicht spurlos vorbei.