Parabelflug im A300 Schülerfolder

Physik im Kontext
Immo Kadner
In der Welt der
Schwerelosigkeit
Parabelflug im A300
Fallturm Bremen
NaWi School

Physik zum Abheben
Physik zum Erleben
Parabelflug im A300 ZERO-G Ablauf eines Parabelfluges
DLR NOVESPACE
Der A300 ZERO-G im Steigflug (Fotomontage, hier mit einer früheren Signatur). Der A300 dieser Generation ist aufgrund seiner starken Turbinen für
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Parabelflüge besonders gut geeignet. Seine Flugzeugkabine hat mit 100 m Fläche weltweit den größten Experimentierraum unter Parabelflugzeugen. Er
bietet Platz für 40 Wissenschaftler und 10 Mitarbeiter des Flugteams. Im Cockpit sind zusätzliche Geräte wie z. B. Beschleunigungsmesser angebracht.
Weltweit existieren nur zwei weitere Flugzeuge für wissenschaftliche Parabelflüge: Die USA nutzen eine Boeing 727 und Russland eine
IL-76 MDK. Der A300 ZERO-G wird von der französischen Firma Novespace betrieben und startet vom Flughafen Bordeaux-Mérignac in Frankreich.
„In meinem Flugzeug zeigt der Parabelzähler
jetzt Nummer 19. Ich schließe die Augen und
verliere sofort die Orientierung [...]. Die Fische
im Experimentier-Aquarium aus Großbritannien
[...] schrauben sich in verwirrten Loopings [...].“
Jochen Wegner, BdW 1998
Das Deutsche Zentrum für
Luft- und Raumfahrt (DLR) bietet
für Forschungseinrichtungen aus
aller Welt regelmäßig Parabelflü-
ge an. Dadurch erhalten Wissen-
schaftler die einzigartige Möglich-
keit, ihre Experimente selbst
durchzuführen, die sonst nur von
ausgebildeten Astronauten im
Weltraum realisierbar sind. Auf
diese Weise ergeben sich für viele
Bereiche der Physik, Biologie,
Medizin und der Materialwissenschaften
hervorragende Voraus-
setzungen für Experimente unter
den Bedingungen der Schwerelosigkeit.
Schwerelosigkeit ist für Astronauten
ein alltäglicher Zustand,
der ihr Leben und Arbeiten im
Orbit bestimmt. Bei vielen wissenschaftlichen
Untersuchungen ist
die Schwerkraft hinderlich. Daher
suchen Forscher die Umgebung
der Schwerelosigkeit.
Auf der Erde lassen sich Versuche
unter Schwerelosigkeit
mit Flugzeugen, in Falltürmen
oder mit Raketen durchführen.
Die Dauer dieses Zustandes ist
dabei stets begrenzt. Sie beträgt
im Fallturm Bremen etwa 9 s, bei
Parabelflügen etwa 20 s und bei
Forschungsraketen 6 bis 12 min.
Damit sich in einem Flugzeug Der Pilot senkt die Nase des
Schwerelosigkeit einstellt, muss Flugzeugs und steuert den
die Maschine Manöver fliegen, A300 der Erde entgegen. Nach
die einer Parabelbahn beim 1 000 m Sinkflug und anhaltenschiefen
Wurf ähneln. In Europa der Schwerelosigkeit fängt die
nutzt man dafür den A300. Nach Crew die Maschine in einer
dem Start in Bordeaux führt die Höhe von 7 600 m ab. Die Wis-
Route häufig hinaus auf den senschaftler sind abermals der
Atlantik. Das Manöver beginnt, Hyperschwerkraft von etwa 2 g
wenn das Flugzeug in etwa ausgesetzt. In der Höhe von
6 100 m Höhe stark zu steigen 6 100 m ist der Airbus wieder
anfängt. Die Maschine fliegt im Horizontalflug angekomnoch
mit 825 km/h. Von den men. Nach einer Pause von
Triebwerken wird Maximal- etwa 2 Minuten beginnt der
schub erzeugt. Hyperschwer- Ablauf von Neuem. Während
kraft setzt ein. Die Wissen- eines vierstündigen Fluges
schaftler spüren für etwa 20 s absolvieren die Wissenschaftfast
ihr doppeltes Körperge- ler etwa 30 Parabeln.
wicht. In 7 600 m Höhe drosselt Generell lassen sich mit
der Pilot die Triebwerke. Der Air- nahezu jedem Flugzeug Parabus
geht hierauf mit einem Win- beln fliegen, auch mit Kleino
kel von 47 und einer Geschwin- und Segelflugzeugen. Sogar
digkeit von 570 km/h in den para- Modellflugzeuge sind dafür
belförmigen Flugabschnitt über. geeignet. Natürlich dauert die
Es herrscht Schwerelosigkeit. Schwerelosigkeit unterschied-
Etwa 10 s bewegt sich das Flug- lich lange. Mit der Concorde
zeug nahezu antriebslos um wei- erreichte man über 1 Minute.
tere 1 000 m aufwärts. In einer Bei Segelflugzeugen beträgt
Höhe von ca. 8 500 m erreicht die Zeitspanne etwa 10 s. Mit
die Maschine den Scheitelpunkt einem Modellflugzeug ergibt
der Bahn. Die Geschwindigkeit sich ungefähr 1 s Schwereloist
jetzt auf 370 km/h gesunken. sigkeit.
Medizinische Untersuchungen an Probanden
auf Symptome der Reisekrankheit. Um die
Reaktionen des Körpers wie Übelkeit und
Schweißausbrüche bei Parabelflügen zu
untersuchen, tragen die Testpersonen eine
Weste mit Messgeräten. Diese erfassen u. a.
Blutdruck, Puls und Atmung. Die Auswertung
der Ergebnisse kommt später Astronauten auf
der ISS zugute.
Hyperschwerkraft
20 s
Der Parabel Flug
8500 m
370 km/h
7600 m
570 km/h
6100 m
825 km/h
Schwerelosigkeit
22 s
Quelle: DLR/ Grafik: ArtX
Hyperschwerkraft
20 s
Schematischer Ablauf eines Parabelfluges.
Eine Kampagne umfasst meistens 3 Flugtage
mit jeweils 3 bis 4 Flugstunden. An
einem Tag werden etwa 30 Parabeln geflogen.
Damit stehen den Forschern etwa 35
Minuten wertvolle Experimentierzeit in der
Schwerelosigkeit zur Verfügung.
Erlebnis Schwerelosigkeit
DLR
DLR
© Immo Kadner, Berlin 2015

Physik zum Erforschen
Physik zum Entdecken
Experimente im A300 ZERO-G Exkurs: Flüssigkeiten und Gase in der Schwerelosigkeit
Medizinische Untersuchungen in der Schwerelosigkeit. Durch diese außergewöhnlichen Experimente erhofft man sich neue Erkenntnisse
über die Funktionen und das Zusammenspiel verschiedener Körpersysteme wie der Muskeln und Knochen, des Herzens und des Kreislaufs
sowie des Immunsystems.
Metalle beim Erstarren interessant. Derartige Ver-
suche gelingen unter Schwerelosigkeit sehr gut,
weil Strömungen innerhalb der Schmelze und die
Entstehung von Ablagerungen ausbleiben.
Für die Untersuchung an Metallschmelzen ent-
wickelte das DLR die Apparatur TEMPUS. Mit ihr
werden Metallproben durch Induktion zum Schwe-
ben gebracht, erhitzt und aufgeschmolzen. Dieses
Verfahren bezeichnen die Forscher als elektro-
magnetische Levitation (lat. levitas = Leichtigkeit),
weil magnetische Wechselfelder das flüssige
Metall in seiner Position halten. Die Magnetfelder
unterbinden beim berührungslosen Schmelzen
den Kontakt der aggressiven Stoffe mit dem
Behältermaterial und vermeiden dadurch Verun-
reinigungen mit der Probe. Auf diese Weise messen
die Forscher sehr genau Materialeigenschaf-
ten wie Dichte, elektrische Leitfähigkeit und Oberflächenspannung.
Unter Schwerelosigkeit genü-
gen zum Schweben der flüssigen Metalle deutlich
schwächere Magnetfelder als auf der Erde. Zudem
kann das Heizfeld nach dem Erreichen der flüssigen
Phase abgeschaltet werden. Die Schmelze
bleibt auch unterhalb des Erstarrungspunktes
flüssig.
Das Abenteuer Parabelflug ist für Wissenschaftler
auch mit einer intensiven körperlichen
Erfahrung verbunden. Manche überkommt unvermittelt
ein Lachanfall, wenn der Körper plötzlich
abhebt. Bei anderen wiederum stellen sich Symptome
der Reisekrankheit wie Schweißausbrüche
und Übelkeit ein. Deshalb werden die Wissenschaftler
vor dem Parabelflug eingehend von Ärzten
kontrolliert und bekommen Medikamente angeboten.
Untersuchungen zur Reisekrankheit als Folge
der Schwerelosigkeit sind für Mediziner zudem
ein typisches Forschungsfeld.
Auf Parabelflügen können Wissenschaftler und
Ingenieure aus verschiedenen Fachgebieten ihre
Experimente mit eigenen Laborgeräten durchführen.
So analysieren Biologen beispielsweise den
Einfluss unterschiedlicher Beschleunigungen auf
das Verhalten von Zellmembranen und auf die
Schwimmbewegung von Fischen. Mediziner erforschen
u. a. die Auge-Hand-Koordination beim Menschen
und die Veränderungen seiner Atmung.
Andere Forscher beobachten die Bildung von
Metallschäumen, das Verhalten magnetischer
Flüssigkeiten oder von Flüssigkeiten in Kapillaren.
In der Materialforschung ist die Reaktion flüssiger
DLR
An der Oberfläche hingegen
werden sie nicht mehr kompen-
siert. Die Flüssigkeitsoberfläche
verhält sich wie eine elastische
Membran. Anschaulich wird dies
im überfüllten Wasserglas, wo
sich die Oberfläche wölbt und
einen Meniskus bildet. Wasser hat
sozusagen eine Haut. Insekten
können auf ihr laufen.
Die Oberflächenspannung verursacht
auch kapillare Kräfte, die
das Verhalten strömender Flüssigkeiten
in Mikrokanälen bestim-
men. Da die Kapillarkräfte bei
Schwerelosigkeit dominieren, ist
eine kontinuierliche Strömung der
Flüssigkeit möglich.
Auf der Erde steigen erwärmte
und damit leichtere Flüssigkeiten
und Gase auf. Konvektion ent-
steht. Bei fehlender Schwerkraft
hingegen gibt es keinen Auftrieb
und damit keine Konvektion. Des-
wegen können die heißen Abgase
einer Kerzenflamme nicht aufstei-
gen. Die Flamme kann unter Umständen
ersticken.
Flüssigkeiten und Gase zeigen
in der Schwerelosigkeit ein anderes
Verhalten als unter irdischen
Bedingungen. So gibt es beispielsweise
keinen hydrostatischen
Druck und damit keinen Auftrieb.
Aufschwimmen und Ablagerungen
bleiben aus. Auch der Treibstoff
bleibt im All nicht am Boden,
sondern verteilt sich an den
Innenwänden des Tanks.
Ein bedeutsamer Effekt für das
Verhalten von Flüssigkeiten unter
Schwerelosigkeit ist die Oberflächenspannung.
Sie ist die Ursache
für die Tropfenbildung und bewirkt,
dass ein Tropfen Kugelform annimmt.
Die Schnelligkeit dieser
Formänderung ist abhängig von
der Art der Flüssigkeit und der
Größe des Tropfens. Bei Wasser
geschieht das beispielsweise
schneller als bei Öl. Die Oberflächenspannung
entsteht als Folge
der anziehenden Kräfte zwischen
den Molekülen. Im Inneren
der Flüssigkeit gleichen sich diese
Kräfte aus.
Eine Kerzenflamme unter
irdischen Bedingungen
DLR
Eine Kerzenflamme nimmt bei
Schwerelosigkeit Kugelform
an. Weil kein Ruß verbrennt,
wird die Flamme blau.
o
Schwebender Nickeltropfen bei etwa 1 500 C. Die Probe mit ungefähr 6 mm Durchmesser wird in einer Spule durch elektromagnetische
Levitation zum Schweben gebracht und positioniert. Durch Induktion entstehen Wirbelströme, die die Probe erwärmen und
zum Schmelzen bringen. Auf der Erde wären dafür deutlich stärkere Magnetfelder nötig, um die Gewichtskraft zu kompensieren.
flickr/ shumel
DLR
© Immo Kadner, Berlin 2015

Physik zum Erforschen
Physik im Kontext
Senkrecht nach oben
Um die Dauer der Schwerelosigkeit zu erhöhen,
entwickelten die Bremer Ingenieure eigens
eine Katapultanlage, mit der die Kapsel senkrecht
nach oben geschleudert wird. Die Konstruktion
ist eine ingenieurtechnische Meisterleistung
und weltweit einzigartig. Mit dieser Anlage
konnte die Dauer der Schwerelosigkeit auf
fast 10 s ausgedehnt werden. Bei bisherigen
Fallanlagen müsste ein Turm für die gleiche Versuchsdauer
eine Höhe von mindestens 500 m
haben. Das ist technisch nahezu unmöglich.
Die Bremer Technik ist kompliziert, aber wirksam
und sicher: Der Abschussraum und mit ihm
das Katapult befinden sich etwa 12 m unter dem
Turm. Das Herzstück der Anlage sind 12 riesige
gelbe Druckluftbehälter. In ihnen wird die komprimierte
Luft bei 3 bar vorgehalten. Die gespeicherte
Druckluft liefert die nötige Energie zur
Beschleunigung des Kolbens mit der bis 500 kg
schweren Kapsel. Sie wird beim Abschuss innerhalb
einer Viertelsekunde auf fast 170 km/h
beschleunigt. Das entspricht einer mittleren
Beschleunigung von beinahe 20 g. Ein zentrales
Problem bestand darin, die Kapsel störungsfrei
anzutreiben, sodass sie beim Abschuss keinen
Drehimpuls erhält. Nach der Beschleunigung
wird der Kolben hydraulisch abgebremst. Die
darauf befindliche Kapsel schnellt aufgrund ihrer
Trägheit empor. Kurz vor der Turmspitze ist ihre
Geschwindigkeit auf null gesunken. Von da an
geht es abwärts. Am Fuß des Turms wird die Kapsel
im Auffangbehälter sanft abgebremst. Vor der
Bergung werden die Fallröhre innerhalb von 20
Minuten mit trockener Luft geflutet und anschließend
die 1000 kg Styroporgranulat im Auffangbehälter
für den nächsten Abwurf aufgelockert.
Mit dieser weltweit einzigartigen Katapultanlage
für Falltürme wird derzeit die längste Schwerelosigkeit
für derartige Großlabore erzielt. Aufgrund
des enormen Erfolges planen die Bremer
Ingenieure mittlerweile einen zweiten Fallturm. Er
soll noch mehr Abwürfe an einem Tag ermöglichen
und zudem Schwerkraftbedingungen anderer
Himmelskörper, z. B. auf dem Mond, simulieren
können.
Führungsrohr (unten) mit Katapultschacht (Mitte) und Auffangbehälter
(oben)
Blick auf die gelben Druckbehälter in der Katapultanlage
ZARM
Günter Albensoeder|Photo
Immo Kadner
In der Welt der
Schwerelosigkeit
Parabelflug im A300
Fallturm Bremen
Danksagung:
An der Entstehung dieses Informationsmaterials haben mehrere Personen
mitgewirkt. Mein besonderer Dank gilt Frau Dr. Friedrich vom DLR in Bonn
sowie Frau Arndt und Herrn Dr. Göklü vom ZARM in Bremen für die
fachlichen Hinweise und Korrekturen zum Text.
Impressum:
Autor, Herausgeber und Redaktion: Immo Kadner, Berlin
Lektorat: Danny Kühner, Stuttgart
Bestellungen: info@NaWiSchool.de
Foto Titelseite (Aerospace): A300 im Steigflug (Fotomontage)
© Immo Kadner, Berlin 2015
NaWi School