Die ISS wird durch die Schwerkraft auf einer gekrümmten Bahn um die Erde beschleunigt und bleibt so in der Umlaufbahn.(Bildnachweis: NASA)
Die Internationale Raumstation (ISS) kreist hoch über unseren Köpfen, doch die Anziehungskraft der Erdanziehungskraft reißt den Komplex nie aus der Umlaufbahn und lässt ihn durch unsere Atmosphäre stürzen, wo er verglühen würde.
Hier ist ein kleines Geheimnis: Die ISS fällt immer! Trotzdem stürzt sie nie auf die Erde oder verglüht in unserer Atmosphäre. Wie ist das möglich?
Es klingt wie ein Wunder, aber es ist kein Paradoxon oder Zauberei, sondern einfach das Ergebnis der guten alten Physik. Alles hängt von der Umlaufgeschwindigkeit der Internationalen Raumstation, ihrer Höhe über der Erde und der Geschwindigkeit ab, mit der sie unter der Schwerkraft fällt.
Die wissenschaftlichen und mathematischen Grundlagen, die die ISS in ihrer Umlaufbahn halten, gehen auf den Vater der Gravitationstheorie zurück, den englischen Wissenschaftler Sir Isaac Newton aus dem 17. Der bekanntlich mürrische Newton hat seine Theorie der Schwerkraft wahrscheinlich nicht entwickelt, weil er untätig unter einem Baum saß und träumte, während ihm ein Apfel auf den Kopf fiel, wie die alte Geschichte besagt. Aber er hätte Äpfel, Blätter und andere Dinge beim Fallen beobachtet und sich gefragt, warum sie das taten.
Denken wir zunächst an den apokryphen fallenden Apfel. Wenn er an einem Ast hängt, ist er unbeweglich, und wenn er herunterfällt, zieht ihn die Schwerkraft direkt nach unten. Nehmen wir aber an, Sie heben den heruntergefallenen Apfel auf und werfen ihn dann wie einen Ball. Der Apfel fällt nicht gerade nach unten, wie er es getan hat, als er stillstand; jetzt hat er eine horizontale Bewegung, die mit der Schwerkraft konkurriert, und er folgt einer Kurve nach unten zum Boden.
Newton verwendete die Analogie einer Kanonenkugel, die horizontal abgefeuert wird und einer ähnlichen Kurve zurück zum Boden folgt. Die Größe und Form dieser Kurve hängt von der Geschwindigkeit der Kanonenkugel und dem Luftwiderstand ab. Je schneller die Kanonenkugel und je geringer der Luftwiderstand, desto größer ist die Entfernung, die die Kanonenkugel zurücklegt, und desto flacher ist der Winkel der Kurve, der die Kanonenkugel zurück zum Boden folgt.
So stellte Newton die Theorie auf, dass, wenn eine Kanonenkugel von einem ausreichend hohen Berggipfel, auf dem die Luft dünn ist, horizontal und mit ausreichender Geschwindigkeit abgefeuert wird, die Kurve der Kanonenkugel, die unter der Schwerkraft nach unten fällt, der Krümmung der Erde entsprechen würde. Sie würde dieser Kurve folgend immer weiter fallen, ohne an Höhe zu verlieren, da sich der Planet gleichzeitig von ihr weg krümmen würde. Die Wissenschaftler bezeichnen die Kraft, die auf ein Objekt einwirkt, um es auf einer solchen gekrümmten Bahn zu halten, als Zentripetalkraft, die immer auf den Mittelpunkt der Krümmung gerichtet ist.
Die verschiedenen Schichten der Erdatmosphäre. Raumfahrzeuge in niedriger Erdumlaufbahn, wie das Hubble-Weltraumteleskop (hier abgebildet) und die ISS, kreisen in der Thermosphäre, während herabfallende Objekte in der Mesosphäre verglühen. (Bildnachweis: NASA)
Höhe und Geschwindigkeit
Dies ist die Voraussetzung dafür, dass die ISS fröhlich über unseren Köpfen kreist. Es ist ein Gleichgewicht zwischen der Zentripetalkraft, die auf das Zentrum der Erde gerichtet ist, und der Erdanziehungskraft, die die ISS auf ihrer gekrümmten Bahn ständig einer Gravitationsbeschleunigung aussetzt. Die Geschwindigkeit, mit der die ISS auf ihrer gekrümmten Bahn fällt, entspricht der Geschwindigkeit, mit der die gekrümmte Oberfläche der Erde unter ihr abfällt.
Dieses Gleichgewicht wird durch bestimmte Kombinationen von Höhe und Umlaufgeschwindigkeit erreicht. Die ISS umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 402 Kilometern oder 250 Meilen (wir werden gleich erklären, warum wir „etwa“ sagen) und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 7,6 Kilometern (4,7 Meilen) pro Sekunde, die in dieser Höhe erforderlich ist, um der Bahn zu folgen, die der Krümmung der Erde entspricht. Würde die ISS die Erde in einer größeren Höhe umkreisen, müsste sie sich nicht so schnell fortbewegen, um die Krümmungsrate ihres Falls beizubehalten. Befände sich die ISS in einer geringeren Höhe, müsste sie sich schneller bewegen, um nicht in die Erdatmosphäre zu stürzen und zu verglühen.
Es gibt jedoch einige Komplikationen, die bedeuten, dass die ISS nicht unbegrenzt sich selbst überlassen werden kann – irgendwann würde sie durch die Atmosphäre zurückstürzen und verglühen, wenn wir nicht eingreifen. Denn selbst in 402 Kilometern Höhe befindet sich die ISS noch in der Erdatmosphäre, wenn auch in einem sehr dünnen Teil der Atmosphäre, der Thermosphäre. Die Thermosphäre hat eine sehr geringe Dichte, d. h. es gibt nur wenige Atmosphärenmoleküle, aber immer noch genug, um der Bewegung der ISS zu widerstehen und einen ausreichenden Widerstand zu erzeugen, der sie abbremst. Dies führt dazu, dass die Raumstation um etwa 5 Zentimeter pro Sekunde abbremst, wodurch sie jeden Tag etwa 100 Meter an Höhe über der Erdoberfläche verliert.
Deshalb haben wir gesagt, dass die Umlaufhöhe der ISS „etwa“ 402 Kilometer beträgt, weil sie ständig an Höhe verliert. Jeden Monat oder so muss die ISS ihre Triebwerke zünden, um wieder auf die vorgesehene Umlaufbahnhöhe zu kommen. Wenn die ISS keine Möglichkeit hätte, ihre Umlaufbahn zu erhöhen, würde sie schließlich tiefer in die Atmosphäre fallen und schließlich wie ein riesiger Meteor verglühen.
Eines Tages werden wir jedoch gezwungen sein, die ISS aufzugeben – und dieser Tag wird relativ bald kommen. Mit dem Bau der Raumstation wurde 1998 begonnen, und die ältesten Teile der ISS sind inzwischen über ein Vierteljahrhundert alt und beginnen mit zunehmendem Alter ein wenig zu knarren. In wenigen Jahren wird die ISS ihren Nutzen überlebt haben, und wenn sie einmal aufgegeben wird, gibt es nichts mehr, was sie in der richtigen Höhe halten könnte.
Die enorme Größe der ISS, die 109 Meter lang und 73 Meter breit ist, bedeutet, dass es zu gefährlich ist, sie von selbst in die Atmosphäre zurückfallen zu lassen: Obwohl ein Großteil der Trümmer verglühen würde, könnten erhebliche Trümmerteile der ISS über das Land regnen, möglicherweise über ein bewohntes Gebiet.
Deshalb ist geplant, die ISS im Jahr 2031 über einer abgelegenen Region des Pazifischen Ozeans, dem so genannten „Raumschiff-Friedhof“, absichtlich zu deorbieren. Ein Raumschiff-Schlepper wird 2030 starten und an die ISS andocken. Zu diesem Zeitpunkt werden die letzten Besatzungsmitglieder die ISS verlassen und die Lichter gelöscht haben. Der Schlepper, der sich wie eine Klette an der ISS festhält, wird 12 bis 18 Monate warten, bis die Höhe der ISS auf natürliche Weise von 402 Kilometern auf 220 Kilometer (140 Meilen) gesunken ist. Dann zündet der Schlepper seine Triebwerke und drückt die ISS noch tiefer, auf 150 Kilometer. Ein letzter Triebwerksstart bringt die Raumstation dann in die Mesosphäre, die Schicht der Erdatmosphäre unterhalb der Thermosphäre.
Die Mesosphäre ist dichter als die Thermosphäre, und in der Mesosphäre verglühen Meteore aus dem Weltraum – wenn wir eine Sternschnuppe sehen, handelt es sich um ein kosmisches Staubkorn, das in der Mesosphäre zwischen 50 und 80 Kilometern über uns verglüht. (In der Mesosphäre bilden sich auch die nachtleuchtenden Wolken, die wir in den Sommermonaten sehen).
Die Dinge verglühen in der Mesosphäre aufgrund der Energie, die durch die Reibung zwischen dem Objekt, das durch die Mesosphäre fällt, und den Molekülen in der Mesosphäre entsteht. Meteore verglühen in der Regel vollständig, weil sie klein sind; es braucht schon einen großen Brocken Weltraumgestein, um den Durchgang durch die Mesosphäre zu überleben und als Meteorit die Oberfläche zu erreichen (und selbst dann ist das meiste davon verglüht).
Wie wir gesehen haben, ist die ISS riesig, und große Teile von ihr werden den flammenden Sturz durch die Mesosphäre unbeschadet überstehen. Die Aufgabe des Weltraumschleppers wird daher darin bestehen, die ISS in die Atmosphäre über dem Weltraumfriedhof im entlegensten Teil des Pazifischen Ozeans zu schieben, wo Trümmerteile fernab von Land, Schifffahrtswegen und Flugrouten ins Wasser platschen werden. Alle Teile der ISS, die den Wiedereintritt in die Atmosphäre überleben, sinken auf den Meeresboden und werden nie wieder gesehen.
