Orbitalmechanik

Eine Währung wie keine andere

Delta-v (Δv) ist die gesamte Geschwindigkeitsänderung, die ein Fahrzeug für ein Manöver erzeugen muss — das Erreichen einer Umlaufbahn, eine Bahnneigungsänderung, den Flug zum Mars, das Abbremsen bei der Ankunft. Diese Bedarfe werden addiert, um die vollständige Energierechnung einer Mission zu erhalten. Ihr Nutzen ist grundlegend: Sie erlaubt den Vergleich sehr unterschiedlicher Missionen unabhängig von der Fahrzeuggrösse.

Delta-v-Budget für einige gängige Manöver

Indikative Grössenordnungen — das tatsächliche Budget hängt stark von der gewählten Flugbahn und dem Startfenster ab.

Warum bestehen Raketen hauptsächlich aus Treibstoff?

Der Logarithmus ist die Falle: Um mehr Delta-v zu erhalten, reicht es nicht, proportional mehr Treibstoff hinzuzufügen — jedes zusätzliche Kilo Treibstoff muss selbst beschleunigt werden, was dazu zwingt, noch mehr mitzuführen. Eine Rakete ist also kein Lastwagen, der ihren eigenen Treibstoff transportiert: Einen Grossteil der Reise transportiert sie einen Tank, dessen Aufgabe es ist, den Tank zu transportieren.

Drei Antriebsphilosophien

Weiterführend — ein Ionentriebwerk scheint nicht in der Lage, ein Auto zu bewegen, doch im Vakuum kann ein winziger, monatelang wirkender Schub ein beachtliches Delta-v erzeugen.

Zwei Wörter, die nicht dasselbe bedeuten

Masse misst die Menge an Materie eines Objekts: Sie ändert sich nie, egal wo Sie sind. Gewicht ist eine Kraft, die von der Masse und der lokalen Schwerkraft abhängt.

Ein Objekt von 70 kg bleibt auf der Erde, auf dem Mond oder auf Jupiter 70 kg. Sein Gewicht hingegen ändert sich komplett: etwa 687 N auf der Erde (g ≈ 9,81 m/s²), nur 113 N auf dem Mond (g ≈ 1,62 m/s², also 16,5 % des Erdgewichts), und 1735 N auf Jupiter (g ≈ 24,79 m/s² auf dem 1-bar-Referenzniveau — Jupiter hat keine feste Oberfläche).

Warum schweben Astronauten?

Nicht weil die Schwerkraft verschwunden wäre — in der Höhe der ISS ist sie fast so stark wie am Boden. Astronauten schweben, weil sich die gesamte Station in permanentem freiem Fall um die Erde befindet, wie ein Aufzug, dessen Seil gerade gerissen ist: Während des Falls drückt nichts mehr unter Ihren Füssen. Daher der treffendere Begriff „Mikrogravitation" statt „Schwerelosigkeit".

Weiterführend — ein Objekt wird im Weltraum nicht „leicht". Es wird schwer festzuhalten, weil der Boden nicht mehr da ist, um die Reaktionskraft zu liefern, die das Gefühl von Gewicht erzeugt.

Einheiten wechseln, wenn Kilometer absurd werden

Für das Sonnensystem verwendet die Astronomie die Astronomische Einheit (AE): die mittlere Entfernung Erde-Sonne, genau 149 597 870,7 km. Man rechnet auch in Lichtzeit — der Zeit, die das Licht mit 299 792 km/s braucht, um eine Strecke zurückzulegen. Eine AE entspricht etwa 8 Minuten 19 Sekunden Lichtzeit: Das Sonnenlicht, das Sie sehen, hat die Sonnenoberfläche vor mehr als acht Minuten verlassen.

Das Sonnensystem mit einer Uhr betrachtet

Erde-Mars, eine Entfernung, die nicht stillhalten will

Mars und Erde umkreisen die Sonne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, daher schwankt ihre Entfernung enorm — von einigen Dutzend bis zu mehreren hundert Millionen Kilometern. Beim Start der Sonde Mars Odyssey betrug die Entfernung Erde-Mars etwa 125 Millionen km, die tatsächlich zurückgelegte Flugbahn jedoch etwa 460 Millionen km: Eine Sonde zielt nicht dorthin, wo sich der Mars beim Start befindet, sondern dorthin, wo er bei der Ankunft sein wird — ein bisschen wie beim Zuwerfen eines Balls an jemanden, der rennt.

Weiterführend — die Sonne ist eine seltsame kosmische Uhr: Sie sehen sie nie „jetzt", sondern so, wie sie vor etwa 8 Minuten 19 Sekunden war.

Wenn der Kilometer nicht mehr nützlich ist

Zwischen Sternen wird der Kilometer unlesbar. Man verwendet das Lichtjahr — die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, etwa 9460 Milliarden km — und das Parsec, etwa 3,26 Lichtjahre (30 900 Milliarden km).

Von Proxima bis Andromeda

Der der Sonne nächstgelegene Stern, Proxima Centauri, ist 4,25 Lichtjahre entfernt: Das Licht, das wir von ihm empfangen, hat den Stern vor 4,25 Jahren verlassen. Unsere Galaxie, die Milchstrasse, misst etwa 100 000 Lichtjahre im Durchmesser und zählt zwischen 100 und 400 Milliarden Sterne — selbst das Licht braucht 100 000 Jahre, um sie von einem Rand zum anderen zu durchqueren. Noch weiter entfernt liegt die Andromedagalaxie (M31), 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt: Was wir heute von ihr beobachten, brauchte 2,5 Millionen Jahre, um uns zu erreichen.

Und wo bleibt da das Delta-v?

Weiterführend — Proxima ist 4,25 Lichtjahre entfernt, die Milchstrasse misst 100 000 Lichtjahre im Durchmesser: Im Universum bedeutet ein Massstabswechsel nicht nur, Nullen hinzuzufügen — er verändert, was eine Entfernung überhaupt bedeutet.