Kategorie: Frag

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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:

1. 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.

2. 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.
3. 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.
4. 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…

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Meine lieben,
erinnert ihr euch noch an den Satz
„Frag, und es wird Tag?“
Manche von euch haben genau das getan. Sie haben gefragt. Dann lasst es uns nun „Tag“ werden.
Und wer noch nicht gefragt hat, bzw. noch nichts von der Serie „Frag, und es wird Tag“ weiß, findet alles dazu in Frag und es wird Tag.

Gerne fange ich mal an, Antworten zu geben. Schauen wir mal, wie weit wir heute kommen. Die Fragen, die ich heute nicht beantworte, kommen dann im nächsten Artikel dieser Serie dran. Auch die Reihenfolge der Fragen passe ich immer so an, dass die Antworten eines Artikels ungefähr thematisch zusammen passen.
Fangen wir also an:

Wieso wird es nachts dunkel

Stefan erinnerte sich daran, dass er mal in der Schule einen Vortrag zur Frage, wieso es nachts dunkel wird, hörte.
„Das ist doch logisch, weil die Sonne auf der anderen Seite der Erde ist.“
Könnte man meinen,
aber Das ist tatsächlich nur die halbe Wahrheit.
Zum Glück habe ich mich vor einigen Jahren genau dieser Frage schon einmal zugewendet.
Also findet ihr die komplette Antwort im Artikel Wieso ist es nachts dunkel.

Evas Hüpfer

Sie schreibt:

mein erster Kontakt mit „Forschen“ war in ersten Klasse.
Die Lehrerin hat uns erzählt das sich die Erde dreht.
Und beim nächsten Spaziergang wollte ich das ausprobieren: wenn sich die Erde dreht, brauch ich mich ja nicht mehr bewegen! Ich dachte es reicht wenn ich mal kurz in die Luft hüpfe und komme dann automatisch ans Ziel weil die Erde sich dann ohne mich dreht!

Schön wärs, liebe Eva. Ich erinnere mich auch an so einen ähnlichen Fall, wo jemand dachte, man würde durch Hüpfen ans Ende eines fahrenden Zuges gelangen, weil er ja unter einem hindurch fährt, so lange man in der Luft ist.
Es ist aber nun in der Physik so, dass sich Bewegungen überlagern. Ob fahrender Zug oder die sich drehende Erde, oder im Grunde sogar beides zusammen. Der Hüpfer überlagert die Bewegung des Zuges oder die Erddrehung beim Spaziergang. Das bedeutet, dass sich der hüpfende Mensch einfach weiter in Erdrichtung oder Zugrichtung bewegt, so lange der Hüpfer dauert. Die beiden Bewegungen stören sich quasi nicht.
Raketen starten meistens in Richtung der Erddrehung, weil man diesen Schwung unbedingt mitnehmen möchte. Das ist so, wie wenn der Hammerwerfer seinen Hammer herum wirbelt, bevor er ihn los lässt. Es mag tatsächlich etwas enttäuschend klingen, aber im Grunde fliegen unsere Raumsonden und Raumschiffe nicht irgendwo hin. Wir menschen werfen sie im Grunde auf Planeten, Monde und Asteroiden von kleinen Kurskorrekturen und der Ausnutzung der Schwerkraft anderer Himmelskörper mal abgesehen.

Die ISS hält sich am Himmel, weil sie eine Richtung hat, in welcher sie geradeaus fliegen wollte, wäre da nicht die Erdanziehung, die sie zur Erde ziehen will. Somit fällt sie permanent um die Erde herum. Diese beiden Bewegungen überlagern sich.

Flugzeuge müssen mit der Erddrehung leben und umgehen, weil sich eben die ganze Atmosphäre im wesentlichen auch mit der Erde dreht. Das wäre hier ein rassanter Wind, wenn die Erde sich unter der Atmosphäre hindurch drehen würde. Man kann also kein Flugzeug starten, dann warten, bis das Ziel unter einem vorbei kommt, und dann einfach sich fallen lassen.
Das ist schon spannend. Spricht man von Bewegung, dann kommt man rasch zur Geschwindigkeit, der Bewegung in der Zeit.
Über diese tollen Phänomene schrieb ich in Wie schnell sind wir.

Wieso braucht man manchmal zur ISS 2 Tage, und manchmal nur sechs Stunden?

Diese Frage stellte ich mir tatsächlich selbst.
Das hat im wesentlichen mit dem Startplatz und dessen Bedingungen zu tun. Die Russen starten ihre Raketen vom Kontinent aus. Den kürzesten Weg zur ISS erwischt man nur, wenn man den Start sehr genau kurz danach durchführt, wenn die ISS gerade über den Startplatz geflogen ist. Dieses Zeitfenster muss man bis auf eine Sekunde genau erwischen. Verpasst man das, muss man warten, bis die ISS wieder genau über dem Startplatz vorbei kommt. Und da die Bahn der ISS gegen den Erdäquator gekippt ist, kann das Tage bis Wochen dauern. Das Wetter auf dem Kontinent ist so stabil, dass man sich im Sternenstädtchen kaum darum kümmern muss. Wichtig ist, das Zeitfenster zu erwischen.

Ganz anders sieht es da an den Startplätzen der Amerikaner aus. Die Amerikaner landen ihre Raumfahrzeuge immer im Wasser, weshalb diese Startplätze auch am Meer liegen. Dort sind die Wetterbedingungen deutlich instabiler. Es gibt dort viele Stürme und Gewitter, so dass man sehr viel Glück haben muss, dass das Wetter gerade im Zeitfenster des optimalen Weges zur ISS, genau günstig ist. Also starten die eher dann, wenn das Wetter passt und nicht, wenn das Zeitfenster des kürzesten Weges zur ISS vorbei kommt. Man muss von dort schon mal drei vier Ehrenrunden um die Erde machen, bis man sich langsam zur ISS spiralisiert hat. Es klingt verrückt, aber mit diesem längeren Weg lässt sich sogar Treibstoff sparen, weil man sich ja immer wieder an der Erde durch ihre Anziehung Schwung holen kann.
Mich hat diese Antwort wirklich verblüfft, als ich sie recherchierte.

So, meine lieben. Und das soll es für heute gewesen sein. Die restlichen Fragen gibt es später.
Also, nicht vergessen: „Frag, und es wird Tag“.