Meine lieben,
die Frage, die ich heute beantworten werde, beginnt mit einem Sommererlebnis, das eine Bekannte von mir neulich hatte.
Der Versuch
Sie füllte stolz ihre neu erworbene metallene Trinkflasche mit Wasser und stellte diese dann für mehrere Stunden zur Kühlung in den Kühlschrank. Als sie dann trinken wollte, stellte sie erstaunt fest, dass das Wasser überhaupt nicht abgekühlt war. Der Kühlschrank funktionierte tadellos. Außen fühlte sich die Flasche auch schön kühl an. Aber was war innen passiert? Es ist einfach wenig bis nichts passiert, weil diese Trinkflasche eine Thermosflasche ist. Sie ist also doppelwandig und dazwischen befindet sich ein quasi Vakuum. Dieses sorgte dafür, dass die Kälte nicht, wie erwünscht, in das Innere der Flasche eindringen konnte.
Das Heureka
Sie war verblüfft. Thermosflaschen halten doch warm, meinte sie. Das tun sie auch, aber in der Physik ist Kälte eben die Wärme, die wir als kalt empfinden. Es gibt dort keine Wärme und keine Kälte. Kalt ist eben einfach etwas weniger warm. Also halten solche Flaschen nicht warm oder kalt, sondern hoffentlich ungefähr die Temperatur dessen, was man hinein gefüllt hat. Und das können neben heißem Kaffee eben auch Eiswürfel sein, die man mitnehmen möchte.
Und diese Eiswürfel bringen den Sternenonkel ins Plaudern.
Als ich so in der dritten oder vierten Klasse war, brachte unsere Lehrerin zu irgend einem Versuch, tatsächlich Eiswürfel in einer Thermosflasche mit. Das war noch so eine, wo der innere Kolben mit dem Vakuum aus Glas war. Die gingen dauernd kaputt und man hatte Scherben im Tee, oder diesen im rucksack.
Die Lehrerin war vorsichtig genug, so dass die Eiswürfel noch in Takt waren und die Flasche noch heile.
Natürlich kannte ich Thermosflaschen auch nur als Warmhalte-Behälter, weil wir sie stets für Heißgetränke einsetzten.
Die Erkenntnis,dass was warm hält, auch kalt halten kann, war für mich mit meinen neun Jahren unglaublich stark und das verblüffte mich sehr.
Von dem, was dann im Unterricht mit den Eiswürfeln passierte, weiß ich nichts mehr. Aber so spannend, wie so ein Heureka-Erlebnis kann ein Unterricht gar nicht sein.
Die große Frage
Jetzt, wo also meine Bekannte verstanden hatte, dass das Vakuum zwischen den Flaschenwänden die Kälte draußen hielt, begann ihr Gehirn zu rattern.
„Wie gelangt denn die Wärme unserer Sonne dann durch 150 Mio Kilometer Vakuum zu uns?“
fragte sie mich einige Stunden später plötzlich.
Da hat mal jemand mit gedacht. freute ich mich.
Das sind ganz große Momente und Augenblicke, wenn uns ein bissel Haushaltsphysik zu den großen Fragen des Universums führt.
Wie wir im Alltag Wärme los werden
Wenn wir z. B. im Winter einen heißen Pudding abkühlen wollen, dann stellt man ihn am besten auf den Balkon oder eine äußere Fensterbank. Die kalte Winterluft kühlt die Schüssel und den Pudding dann ab, wobei sie sich natürlich etwas erwärmt, nach oben steigt und die Wärme mit nimmt und abführt. Diese Wärmeabfuhr nennt man Konvektion. Man sieht diese deutlich bei einem Topf voll kochendem und blubberndem Wassers.
Vereinfacht gesagt ist Wärme die Schwingung der Moleküle. Diese Bewegung stößt im Falle der Konvektion z. B. die Luftmoleküle an. Durch diese Stöße kühlt sich dann der heiße Pudding so lange ab, bis er nur noch genau so warm ist, wie die ihn umgebende Luft. In der Physik geht immer nur von warm nach kalt. Andernfalls muss man Energie hinein pumpen, z. b. den Herd einschalten.
Da in einem Vakuum keine Luft ist, welche die Wärme über diesen Weg abführen oder auch zuführen könnte, muss es also noch andere Möglichkeiten geben, Wärmeenergie zu transportieren, denn die Wärme unserer Sonne gelangt ja, wie meine Bekannte richtig bemerkte trotz Vakuum zu uns. Und unsere Trinkflaschen halten die Temperatur trotz Vakuum ja auch nicht ewig.
Das tun sie nicht, weil das Vakuum in ihnen nicht perfekt ist, und Wärme über die Kontaktstellen zum Deckel abgegeben werden kann.
Sogar helle und heiße weiße Zwerge kühlen ja auch irgendwann aus, weil sie im Gegensatz zu unserer Sonne keine Energiequelle mehr in ihrem inneren besitzen, die von innen heißt. Aber wie werden die ihre Wärme im Vakuum des Weltalls los?
Der andere Prozess
Sowohl weiße Zwerge, als auch unsere Sonne leuchten und strahlen in allen möglichen Wellenlängen, im sichtbaren und auch im unsichtbaren Licht. Glühendes Metall beginnt zu leuchten. Und da haben wir ihn, den anderen Prozess, wie man trotz Vakuum Wärme los werden kann. Sie wird in verschiedenen Wellenlängen abgestrahlt. Das kann, wie schon gesagt bei sehr heißen Objekten sogar sichtbar sein, aber auch im nicht sichtbaren Infrarotlicht wird Wärme abgestrahlt. Diese Wärme beobachtet ja aktuell unsere Meisterleistung, das James-Webb-Teleskop. Und die Wärme, die uns dort erreicht, ist sehr lange unterwegs und deren Erzeuger Milliarden von Lichtjahren entfernt. Ach ja, das sollte man vielleicht auch noch erwähnen. Strahlungswärme breitet sich wie alle elektromagnetischen Wellen, also Lichtsorten, mit Lichtgeschwindigkeit, 300.000 Kilometern pro Sekunde im Vakuum aus.
Die Abgabe von Wärmeenergie durch Konvektion, also in atmosphärischen oder flüssigen Umgebungen ist sehr viel effektiver als diejenige über die Strahlung durch das Vakuum hindurch. Deshalb dauert es so ewig, bis ein weißer Zwerg mal zu einem schwarzen Zwerg abgekühlt ist. Momentan sind alle noch zu jung und hatten nicht die Zeit, zu schwarzen Zwergen abzukühlen. Es gibt also noch keine, weil alle noch nicht fertig sind.
Dass das so lange dauert und schwierig ist, führt in der Raumfahrt durchaus zu Problemen.
Energieabfuhr in der Raumfahrt
Die ISS hat sehr viele Geräte und Aggregate dabei, die Wärme erzeugen. Und die muss dringend abgeführt werden. Ansonsten würde sie überhitzen und die Astronauten könnten es dort nicht aushalten.
Und so verwendet die ISS ein ausgeklügeltes System, um die überschüssige Wärme mittels Abstrahlung los zu werden.
Die wichtigsten Komponenten davon seien hier kurz erklärt:
- Interne Wärmetauscher:
Innerhalb der ISS zirkuliert Wasser oder Ammoniak (NH3) durch ein Rohrsystem.
und Wärmetauscher, die die Wärme von den verschiedenen Geräten, Systemen und Bereichen der Station aufnehmen.
Ammoniak ist ein sehr effektives Kühlmittel, weil es bei den niedrigen Temperaturen im Weltraum nicht gefriert und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Es wird verwendet, um die Wärme von den internen Wärmetauschern zu den Radiatoren zu transportieren.Leider ist dieses Kühlmittel sehr giftig und schädlich für Astronaut:innen.
Ich glaube, Samantha Cristoforetti und Matthias Maurer , zwei ESA-Astronaut:innen, erwähnten in ihren Büchern Alarme, die dann ausgelöst werden, wenn solch ein mit Ammoniak gefülltes Rohr oder Schlauch leck würde. Im schlimmsten Fall müsste die Station dann sogar evakuiert werden.
Die Bücher der beiden gibt es übrigens als Hörbücher bei den Hörbüchereien für Blinde zum ausleihen. Ich habe sie direkt hintereinander verschlungen und finde schade, dass bisher scheinbar noch keines der Bücher von Alexander Gerst aufgelesen wurde.
Ihr kennt den Geruch von Ammoniak von Fensterputzmitteln und fragwürdigen Örtchen her. - Pumpen und Leitungen:
Das erhitzte Ammoniak oder Wasser wird dann durch ein Netzwerk von Leitungen zu externen Radiatoren gepumpt. Es gibt ein „Loop A“ und ein „Loop B“ System, so dass man auf jeden Fall zwei voneinander getrennte Systeme hat, sollte mal eines gewartet werden müssen oder sonst wie Schaden nehmen. - Radiatoren:
Die Radiatoren sind große, flache Paneele, die sich an der Außenseite der ISS befinden. Diese Radiatoren geben die aufgenommene Wärme in Form von Infrarotstrahlung an den Weltraum ab.
Bei meiner ISS aus Lego kann ich taktil nicht unterscheiden, was ein Radiator und was ein Sonnenkollektor ist. Fühlt sich beides gleich flach an. - Kontrolle:
Die Menge der abgegebenen Wärme kann durch den Einsatz von rotierenden Wärmerohrkühlern, Rotary Joints und anderen Kontrollmechanismen geregelt werden, um sicherzustellen, dass die Temperatur der ISS in einem sicheren und komfortablen Bereich bleibt.
Fazit
Desto näher sich eine Sonde der Sonne nähert, um so größer wird das Problem der Wärmeabfuhr, weil wo hin damit, wenn schon so viel in der Umgebung ist. Wenn die Raumsonde BepiColombo mal den Merkur erreicht hat, dann wird sie sowohl von ihm, als auch von der Sonne auf etwa 400 Grad erhitzt. Da muss man sich dann schon auch noch isolierende Hüllen ausdenken, um innen eine für Elektronik noch vertretbare Betriebstemperatur von vielleicht 40 Grad zu ermöglichen.
Wärme kann man also auch im Weltall los werden, wenn man genügend Zeit mit bringt, bzw. sich rafinierte Kühlsysteme und Schutzhüllen ausdenkt.
So, und damit hätten wir wieder eine von euren wunderbaren Fragen beantwortet.
Es darf weiter gefragt werden. Euer Sternenonkel antwortet gerne, natürlich nur dann, wenn er was weiß…