Unterrichtsmaterial Menschen auf dem Mond.pdf

Physik im Kontext
Physik zum Abheben
Der Wettlauf beginnt
Die Trägerrakete Saturn V
Am 4. Oktober 1957 startete die Sowjetunion mit Sputnik 1 den ersten Satelliten ins All. Er hatte einen Durchmesser von 58 cm und wog etwa
80 kg. Innerhalb von 96 Minuten umrundete Sputnik 1 einmal die Erde. Nach 92 Tagen verglühte der Satellit am 4. Januar 1958 in den dichteren
Schichten der Atmosphäre. Am 12. April 1961 flog mit Juri Gagarin der erste Mensch ins Weltall und umkreiste einmal die Erde. Nach diesen Erfolgen
suchten die USA nach einem Ziel, das sie noch vor der Sowjetunion erreichen könnten. Es folgte Kennedys berühmte Rede am 25. Mai 1961
vor dem Kongress. Sie gab den Auftakt zum Apollo-Programm.
„I believe that this nation should
commit itself to achieving the goal,
before this decade is out, of landing
a man on the moon and returning
him safely to the earth...“
Kennedy, 25. Mai 1961
Die Landung von Apollo 11 auf Bereits zwei Tage nach Gagadem
Mond war der Höhepunkt des rins erfolgreicher Mission beriet
größten technischen Abenteuers sich der Präsident der USA,
der Menschheitsgeschichte. Den John F. Kennedy, mit Vertretern
Anlass für dieses Vorhaben gab der aus Wissenschaft und Politik.
Wettlauf der Supermächte: Der Sie suchten ein Ziel, das die Ameerfolgreiche
Start des Satelliten rikaner als Erste erreichen könn-
Sputnik 1 am 4. Oktober 1957 ten. Es folgte Kennedys berühmdurch
die Sowjetunion sorgte in te Rede vor dem Kongress. Sein
Amerika für einen Schock. Die Ziel: noch vor Ablauf des Jahr-
Signale seines Kurzwellensenders zehnts einen Menschen zum
konnten von Amateurfunkern auf Mond und sicher wieder zur Erde
der ganzen Welt empfangen wer- zurückzubringen. Es war ein
den. Sein Start führte am 29. Juli sehr mutiges Vorhaben. Die USA
1958 zur Gründung der NASA, der verfügten damals kaum über
National Aeronautics and Space Erfahrungen in der bemannten
Administration. Nicht einmal vier Raumfahrt. Der erste Amerika-
Jahre nach dem Start von Sputnik 1 ner im All, Alan Shepard, verfolgte
die nächste Überraschung: brachte nur 15 Minuten im Welt-
Am 12. April 1961 startete der sow- raum. Er hatte die Erde noch
jetische Kosmonaut Juri Gagarin nicht einmal umrundet. Ein
als erster Mensch in den Weltraum hohes technisches Selbstverund
umrundete einmal die Erde. trauen und die Unkenntnis der
Nach 108 Minuten Flug landete er enormen technischen Probleme
wohlbehalten in der Nähe der Stadt begünstigten die Formulierung
Saratow an der Wolga.
dieses ehrgeizigen Zieles.
NASA
Viele Ingenieure, Techniker und Wissen- Nach dem Brennschluss in ungefähr 65 km
schaftler empfanden dieses Vorhaben als Höhe hatte die Rakete eine Geschwindigkeit
sehr ambitioniert. Die Probleme schienen in von 8 600 km/h erreicht. Für dieses kurze Stück
ihrer Anzahl und Komplexität beinahe zum Mond verbrauchte sie den meisten Treibunüberschaubar.
Einen Großteil davon muss- stoff. Die zweite Stufe hob das Raumschiff
ten Techniker in dem knappen Jahrzehnt fast nach weiteren 6 Minuten auf 185 km Höhe und
gleichzeitig lösen. Zwei standen besonders beschleunigte es auf 24 600 km/h. Danach
im Mittelpunkt: die Wahl des Flugkonzeptes übernahm die dritte Stufe den Antrieb. Sie zünund
die Entwicklung der Trägerrakete.
dete zweimal. Die beiden letzten Stufen verbrannten
Für den bemannten Flug zum Mond war
flüssigen Wasserstoff und flüssigen
die Entwicklung einer leistungsfähigen Trälich
Sauerstoff, wodurch das Raumschiff schließ-
gerrakete notwendig. Sie sollte das etwa 45 t
auf 10,8 km/s beschleunigt wurde.
schwere Raumschiff mit den drei Astronauten Die Saturn V war mit 1 Million Einzelteilen
auf die sagenhafte Geschwindigkeit von fast das komplizierteste technische System, das
40 000 km/h beschleunigen. Die Entwicklung jemals von Ingenieuren konstruiert wurde.
der dreistufigen Saturn V brachte die Lösung. Dennoch war sie sehr zuverlässig und bot zum
Ihr Ausmaß war gigantisch. Mit einer Höhe Schluss eine Sicherheit von 99,95 %. Trotz
von rund 110 m und einer Startmasse von alledem war die Anspannung bei jedem Start
etwa 2 900 t war sie die größte und leistungs- extrem hoch. Vor allem in den ersten 10
stärkste Rakete, die jemals gebaut worden Sekunden, denn sie galten als die gefährlichsist.
Von ihrer Startmasse entfielen allein 2 550 t ten. Beim Ausfall nur eines der fünf Triebwerke
auf den Treibstoff. Die erste Stufe verbrannte wäre die Rakete auf den Starttisch zurückgenach
dem Start innerhalb von 2,5 Minuten etwa fallen und explodiert. Eine Katastrophe größ-
2 000 t Kerosin mit flüssigem Sauerstoff. ten Ausmaßes wäre die Folge gewesen.
Start von Apollo 11 am 16. Juli 1969. Die drei Astronauten sind in der Kommandokapsel auf der Spitze der Rakete.
NASA
© Immo Kadner, Berlin 2014
© Immo Kadner, Berlin 2014

Physik zum Entdecken
Physik zum Abheben
Das Flugkonzept Die Landung auf dem Mond
Gesamtformation Servicemodul, Kommandomodul und Landefähre über dem Mond (Illustration)
Vor der Entwicklung der Trägerrakete galt erneut vonnöten gewesen. Bei beiden Konzepes,
das optimale Flugkonzept zu finden. Es ten hätte es zudem im Falle eines Problems bei
musste gewährleisten, dass die Astronauten der Landung keine Möglichkeit zum Abbruch
unter dem günstigsten Einsatz von Energie und gegeben. Die Rückkehr zur Erde wäre ausgedamit
von Treibstoff zum Mond und wieder schlossen.
zurück kommen. Die Wissenschaftler diskutier-
Der NASA-Wissenschaftler John C. Houbolt
ten drei Varianten: den Direktflug, das Erd-Orbit- schlug deshalb das Mond-Orbit-Rendezvous
Rendezvous und das Mond-Orbit-Rendezvous. vor: Nach diesem Konzept bringt eine große
Der Direktflug wäre die einfachste Lösung gewe- Trägerrakete drei Module des Raumschiffes in
sen: Die Astronauten steigen hierbei auf der die Mondumlaufbahn. Dort trennt sich die leich-
Erde in das Raumschiff und fliegen zum Mond. te Mondfähre vom Mutterraumschiff und landet
Dort landen sie und steigen wieder aus. Der mit zwei Astronauten auf dem Erdtrabanten.
Nachteil: Eine enorme Treibstoffmenge und Zeitgleich wird dieser von dem dritten Mann im
eine übergroße Rakete wären notwendig gewe- Mutterraumschiff umkreist. Die Landefähre ersen.
Bei einer direkten Mondlandung müsste möglicht den Abstieg aus der Mondumlaufbahn
das Raumschiff zudem die Ausrüstung für den und den Rückstart zur Kommandokapsel. Im
Rückflug, sehr viel Treibstoff und den tonnen- Falle des Abbruchs der Landung könnte sie wieschweren
Hitzeschild für den Wiedereintritt zur der an das Kommandomodul andocken. Damit
Mondoberfläche mitnehmen. Ein starkes Ab- wäre der Rückflug zur Erde gesichert. Diese
stiegstriebwerk und große Treibstoffmengen Mehrkomponentenlösung verbraucht zwar die
wären erforderlich gewesen.
geringste Menge an Treibstoff, erfordert aber
Viele Wissenschaftler plädierten deshalb mehrere komplizierte Kopplungsmanöver zwizunächst
für das Erd-Orbit-Rendezvous. Bei schen den Raumschiffen. Eins dieser Manöver
diesem Konzept besteht das Raumschiff aus liegt in der unbekannten Umgebung des Monkleineren
Modulen, die mit Raketen in den des und zudem in seinem Funkschatten – für
Erdorbit gebracht werden. Nach ihrer Montage viele Wissenschaftler eine abenteuerliche Vorwürde
das Raumschiff zum Mond fliegen. Auch stellung. Dennoch konnte sich Houbolt gegen
bei dieser Variante müsste das schwere Raum- alle Widerstände durchsetzen. Im Juli 1962
schiff auf dem Mond niedergehen. Sehr starke wurde deshalb die strategische Entscheidung
Triebwerke und große Treibstoffmengen wären für dieses Konzept getroffen.
ElChristou/ CelestialMatters.org
Zwölf Minuten nach dem Start fliegen die Astro-
nauten bereits im Orbit und umkreisen in 185 km
Höhe die Erde. Nach anderthalb Umrundungen
wird die dritte Stufe ein zweites Mal gezündet und
beschleunigt das Raumschiff auf 10,8 km/s. Etwa
drei Stunden nach dem Start koppelt es nach
einer Drehung an die Landefähre an und zieht sie
aus der dritten Stufe. In dieser Formation geht die
Reise antriebslos bis zum Mond.
Drei Tage später, am 19. Juli 1969, sind die
Astronauten am Ziel: Gegen 13:00 Uhr Floridazeit
zünden die Astronauten hinter dem Mond das
Bremstriebwerk. Das Raumschiff schwenkt darauf-
hin in die Mondumlaufbahn ein. Am folgenden Tag
trennt sich die Landefähre vom Mutterraumschiff.
Die Astronauten zünden das Abstiegstriebwerk.
Die Landung beginnt. Als der Autopilot einen Kra-
ter mit vielen Felsbrocken im Landefeld ansteuert,
lenkt Armstrong in der letzten Phase die Fähre per
Hand. Es klappt. Am 20. Juli 1969, 16:17 Uhr Flori-
dazeit, setzen sie im Mare Tranquillitatis sanft auf.
Armstrong meldet: „Houston, the Eagle has landed“.
Es war äußerst knapp. Der Treibstoff reichte gerade
noch für 20 Sekunden. Etwa sechs Stunden später,
um 22:57 Uhr Floridazeit, steigt Neil Armstrong
von der Leiter der Landefähre und betritt als erster
Mensch den Mond. Sein denkwürdiger Satz geht
um die Welt. Etwa 20 Minuten später folgt ihm mit
Buzz Aldrin der zweite Mann auf dem Mond. Sie hat-
ten Kennedys Ziel erreicht. Ein grandioser Erfolg.
Vor der Landung auf dem Mond starteten mehrere
Missionen zu Tests im Erd- und Mondorbit. Im
Zuge der Flüge Apollo 4 und 6 wurde die Saturn V
unbemannt getestet. Apollo 5 diente ausschließlich
der Erprobung der Mondfähre. Der erste
bemannte Start folgte mit Apollo 7. Er diente dem
Nachweis der Leistungsfähigkeit von Raumschiff
sowie Besatzung und war auf den Erdorbit
begrenzt. Auch der erste bemannte Flug zum
Mond mit Apollo 8 zu Weihnachten 1968 sah noch
keine Landung auf dem Erdtrabanten vor. Dennoch
ging die Fernsehübertragung aus dem
Mondorbit um die Welt. Die Astronauten sahen als
erste Menschen die Rückseite des Mondes. Noch
niemals zuvor hatte man sich so weit von der Erde
entfernt. Die nächste Besatzung von Apollo 9 testete
wieder im Erdorbit, insbesondere ein selbstständiges
Manöver der Mondfähre und das Andocken
an das Mutterraumschiff. Auch der zweite
Flug zum Mond mit Apollo 10 im Mai 1969 sah
noch keine Landung vor. Immerhin: Die Mondfähre
näherte sich auf 14 km der Mondoberfläche.
Am 16. Juli 1969, um 9:32 Uhr Ortszeit, ist es
schließlich so weit. Apollo 11 wird auf dem Mond
landen. Die riesige Saturn V hebt donnernd vom
Kennedy Space Center in Florida ab. An Bord sind
die drei Astronauten Neil Armstrong, Michael Collins
und Buzz Aldrin. Etwa eine Million Menschen auf
den Highways und dem Strand sowie weltweit über
eine halbe Milliarde Menschen vor den Fernsehern
sehen dem denkwürdigen Schauspiel zu.
NASA
Buzz Aldrin an der Ladebucht für die wissenschaftlichen Instrumente, 20. Juli 1969
„That's one small step for a man,
one giant leap for a mankind.“
Neil Armstrong,1969
© Immo Kadner, Berlin 2014

Technik zum Anfassen
Physik zum Entdecken
Leben und Arbeiten im Orbit Leben und Arbeiten auf dem Mond
Das Kommandomodul von Apollo 11
nach der Rückkehr auf die Erde. Es ist
heute im National Air and Space Museum
i.n Washington zu besichtigen.
(Foto: National Air and Space Museum)
Das Mutterraumschiff von Apollo 15 in 110 km
Höhe über der Mondoberfläche nach dem
Abkoppeln der Mondfähre, 2. August 1972,
aufgenommen von der Mondfähre. Rechts das
Kommandomodul mit dem Kopplungsstutzen
zum Andocken der Mondfähre. Gut erkennbar
sind auch das Haupttriebwerk und die Steuerdüsen
am Servicemodul.
Das Kommando-Service-Modul
Das sichere Leben und Arbeiten
der Astronauten im Orbit und
auf dem Mond erforderten einen
enormen technischen Aufwand.
Das Apollo-Raumschiff bestand
deshalb aus zwei Komponenten:
dem Kommandomodul und dem
Servicemodul. Beide Segmente
zusammen bildeten das 11 m lan-
ge und 30 t schwere Kommando-
Service-Modul – das Mutterraum-
schiff. Das zylinderförmige Servicemodul
hatte eine Masse von
fast 25 t, von denen allein 18 t auf
den Treibstoff entfielen. In diesem
etwa 7,50 m langen Segment befan-
den sich die Lebenserhaltungsund
Kommunikationssysteme sowie
das Haupttriebwerk. Auch die
Brennstoffzellen für die Stromversorgung
waren darin unterge-
bracht. Als Aufenthaltsraum nutzten
die Astronauten das kegelförmige
Kommandomodul.
In der engen, druckdichten Kabine
wurde die Atmosphäre aus reinem
Sauerstoff bei einer Tempera-
o
tur von etwa 22 C und einem Drit-
tel des irdischen Druckes gehalten.
Das Kommandomodul landete als
einziges Segment wieder auf der
Erde. Um das Überleben der Astro-
nauten während des Eintritts in die
Atmosphäre zu sichern, war es mit
einem tonnenschweren Hitzeschild
ausgestattet. Beim Abbremsen aus
nahezu Fluchtgeschwindigkeit
stieg seine Temperatur auf un-
o
glaubliche 2 800 C. Die Astronau-
ten waren dabei einer Beschleuni-
gung von fast 7 g ausgesetzt. Die
fast 6 t schwere Kommandokapsel
wasserte an drei übergroßen Fall-
schirmen, die sich in etwa 7 km
Höhe entfalteten. Ein Kran hob sie
später an Bord des Bergungsschiffes.
Zeitgleich kümmerte sich ein
Hubschrauber um die Astronauten.
NASA
NASA
Die Mondfähre von Apollo 11 im Mondorbit nach dem Abkoppeln vom Mutterraumschiff. Aufgenommen
vom Kommandomodul, 20. Juli 1969. Gut erkennbar sind das Landetriebwerk und die
langen Bodensensoren zum Abschalten des Triebwerks sowie die großen Teller der Landebeine.
Die Mondfähre
Für den Transport der Landefähre zum Mond
brauchte man eine spezielle Lösung. Mit einer
Der Star jeder Mission war die zweistufige
Breite von 9,5 m bei entfalteten Landebeinen
Mondfähre. Sie diente als Landefahrzeug und
und einer Höhe von rund 7 m war sie zu groß,
Aufenthaltsraum der Astronauten während ihrer
um auf der Raketenspitze befördert zu werden.
Arbeit auf dem Mond. Die Landefähre bestand
Idealerweise hätte sie sich unmittelbar hinter
aus einer Abstiegs- und Aufstiegsstufe. Der
der Kommandokapsel befinden müssen. Das
untere Teil, die Abstiegsstufe, blieb nach jeder
war technisch unmöglich, da sich an dieser Stel-
Mission auf dem Mond zurück. Mit der Aufle
das Triebwerk für den Rückflug befand. Aus
stiegsstufe von 4,5 t flogen die Astronauten zum
diesem Grund platzierten die Techniker die
Mutterraumschiff zurück.
Mondfähre in einer Parkbucht zwischen dritter
Die Ingenieure bauten die Mondfähre extrem
Stufe und Kommandokapsel. Nachdem die
leicht. Von ihrer Masse von 15 t entfielen allein
dritte Stufe ausgedient hatte, wurde ihre Ver-
11 t, also über 70 %, auf den Treibstoff. Zur Minikleidung
abgesprengt und legte die Mondfähre
mierung des Gewichts wurde die Kabine aus
frei. Zeitgleich schwenkte das Mutterraumschiff
0,3 mm dünnem Titanblech gebaut. Sobald sie o
um 180 , dockte an die Landefähre an und zog
unter Druck stand, wölbten sich die Fenster
sie aus der Parkbucht. In dieser Formation ging
leicht nach außen. Auf die Sitze für die Astrodie
Reise drei Tage antriebslos und mit abnehnauten
wurde verzichtet. Die Raumfahrer mussmender
Geschwindigkeit bis zum schwereten
beim Starten und Landen stehen.
freien Punkt in Richtung Mond.
Das vorliegende Informationsmaterial wurde sehr sorgfältig erstellt. Dennoch übernimmt der Herausgeber keine Haftung
für die Richtigkeit der Angaben und Informationen. Das Material ist urheberrechtlich geschützt. Jede Vervielfältigung, auch
auszugsweise, ist untersagt. Dies gilt auch für Veröffentlichungen, insbesondere in elektronischen Medien der Schule.
Bestellungen richten Sie bitte an NaWiSchool.de.
Bücher:
Videos und Audios:
Croy, A.v.: Der Mond und die Abenteuer der Apollo-Astronauten. München 2009 Film: Im Schatten des Mondes. USA 2007
Huzel, D.-K.: Von Peenemünde nach Canaveral. Peenemünde 2006
Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org
Jaumann/Köhler: Der Mond. Entstehung, Erforschung, Raumfahrt. Köln 2009 Apollo 11: www.youtube.com/watch?v=MkIsTFhPPlE
Puttkamer, J.v.: Apollo 11: Wir sehen die Erde. München 2001
Start Apollo 11: www.youtube.com/watch?v=JC-cyoqKjpQ
Spaarow, G.: Abenteuer Raumfahrt. München 2007
Kennedys Rede: www.youtube.com/watch?v=TUXuV7XbZvU

Physik zum Erforschen
Physik im Kontext
Experimente auf dem Mond
Wissenschaftler auf dem Mond
Unmittelbar nach ihrem Ausstieg begannen
die Astronauten von Apollo 11 mit dem Einsammeln
von 22 kg Mondgestein und dem Aufbau
der wissenschaftlichen Experimente: Sonnen-
windsegel, Seismometer und Laserreflektor.
Spätere Missionen ergänzten die Geräte durch
ein Magnetometer, ein Wärmeflussmessgerät
und einen Ionendetektor. Die meisten Versuche
entwickelten amerikanische Eliteuniversitäten,
so u. a. das MIT, die Columbia Universität und
die Stanford Universität.
Für das erste Experiment wurde eine Alumi-
niumfolie zum Einfangen von Teilchen des Son-
nenwindes verwendet. Die Astronauten spannten
das Segel etwa 6 m neben der Mondfähre
auf. Nach ungefähr einer Stunde rollten sie es
für die Auswertung auf der Erde wieder ein. Spä-
tere Missionen wiederholten dieses Experiment
der Universität Bern. Es lieferte den Nachweis,
dass der Sonnenwind neben den bekannten Teil-
chen wie Elektronen und Protonen auch Isotope
der Edelgase Helium, Neon und Argon enthält.
Für Untersuchungen des Mondinneren stellten
die Astronauten Seismometer auf. Das von
Apollo 11 installierte Gerät lieferte nur für drei
Wochen Daten zur Erde. Die Geräte der Nach-
folgemissionen waren indes erfolgreicher. Sie
bildeten ein ganzes Netzwerk von Seismometern
und übertrugen bis 1977 jede kleinste Erschütterung
zur Erde. Die Messgeräte registrierten rund
1 700 Meteoriteneinschläge und etwa 25 Mond-
beben bis zur Stärke 5,0. Zur Erzeugung künstli-
cher Impakte ließen die Astronauten mehrerer
Apollo-Missionen nach dem Rückstart die Auf-
stiegsstufe auf den Mond fallen. Auch ausgediente
Raketenstufen der Saturn V brachte man
gezielt zum Absturz. Die Astronauten von Apollo
17 installierten zudem mehrere Sprengladun-
gen im Mondboden, die später ferngezündet
wurden. Nach neuester Auswertung der Bebendaten
ergaben die Versuche, dass der Mond
einen festen Kern aus Eisen mit einem Durch-
messer von 480 km besitzt. Der innere Bereich
soll zudem von einer 90 km breiten Zone aus
flüssigem Eisen mit etwas Schwefel umgeben
sein. Eine Sensation.
Immo Kadner
Menschen auf dem
Mond
Das Apollo-Programm
NASA
Buzz Aldrin am Seismometer, Apollo 11, 20. Juli 1969. Links dahinter der Laserreflektor, im Hintergrund die Landefähre Eagle.
Apollo 11
Danksagung:
An der Entstehung dieses Informationsmaterials haben mehrere Personen
mitgewirkt. Mein besonderer Dank geht an Herrn Karlheinz Rohrwild vom
Hermann-Oberth-Raumfahrt-Museum e. V. in Feucht für seine fachlichen
Hinweise. Ein weiterer Dank geht an den Lektor Herr Danny Kühner aus
München.
Impressum:
Autor und Herausgeber: Immo Kadner, Berlin, NaWiSchool e.V.
Redaktion: Immo Kadner, Berlin
Foto Titelseite (NASA): Buzz Aldrin, Apollo 11, an der Landefähre nach dem
Aufbau des Sonnensegels zur Untersuchung des Sonnenwindes
© Immo Kadner, Berlin 2014
NaWi School