Phänomene in der Schwerelosigkeit
Dass man nicht nur im Weltraum, sondern auch auf der Erde Forschung unter Schwerelosigkeit betreiben kann, ist für manche schwierig vorstellbar. Es geschieht aber täglich im Fallturm Bremen und im GraviTower Bremen Pro. Wenn wie hier nur ein Millionstel der Erdanziehungskraft herrscht, können Forschende den verschiedensten Phänomenen auf die Spur gehen, die unter normalen Gravitationsbedingungen nicht erkennbar sind. Doch was wird eigentlich untersucht und warum ist Forschung unter Schwerelosigkeit für uns so relevant?
WAS WIRD ERFORSCHT?
Wissenschaftsteams aus aller Welt kommen nach Bremen, um den Fallturm und den GraviTower für ihre Forschung zu nutzen. Die durchgeführten Experimente reichen von Astrophysik, Biologie, Chemie, Verbrennungsforschung, Strömungsmechanik, Materialwissenschaften bis hin zu Fundamentalphysik.
Interesse an konkreten Beispielen?
Ein Teil der Experimente in Schwerelosigkeit hat einen direkten Bezug zur Raumfahrt: So werden Technologien oder auch spezifische Hardware getestet, die später in Raumfahrtmissionen zum Einsatz kommen sollen. Für den „MASCOT Lander“, der 2018 erfolgreich auf einem Asteroiden gelandet ist, wurde vorab im Fallturm getestet, wie das Landemodul von der Sonde getrennt wird. Ein wichtiges Forschungsfeld ist auch das Verhalten von Flüssigkeiten in Schwerelosigkeit. Dieses ist für Fragen rund um das Betanken von Raumfahrtsystemen im Weltall oder den Betrieb von Lebenserhaltungssystemen relevant. Je konkreter wir mit dem Gedanken spielen, eine astronautische Mission zum Mars zu senden, desto intensiver beschäftigt sich die Wissenschaft auch mit Themen wie dem Pflanzenwachstum unter veränderten Gravitationsbedingungen.
Die Abwesenheit von Erdanziehungskraft lässt sich auch für Grundlagenforschung nutzen, die keinen direkten Raumfahrtbezug hat und trotzdem davon profitiert, Abläufe kurzzeitig ohne den „Störfaktor Gravitation“ zu untersuchen. Dies trifft zum Beispiel auf eine Forschungsgruppe am ZARM zu, die Teil eines großen deutschen Forschungskonsortiums ist. Die Forschenden generieren unter Mikrogravitation das „Bose-Einstein-Kondensat“ für einen deutlich längeren Zeitraum als es unter normalen Laborbedingungen möglich wäre.
Was für Forschung wird in Mikrogravitation durchgeführt?
Für ein Experiment im Fallturm machen sich die Wissenschaftler:innen ein einfaches Grundprinzip der Physik zu Nutze: Im freien Fall sind alle Körper nahezu schwerelos.
Die Versuchskapsel, in der das Experiment stattfindet, wird entweder in der ca. 120 Meter hohen luftleeren Fallröhre hochgezogen und fallen gelassen. Oder sie wird mit dem weltweit einzigartigen Katapultsystem bis unter die Spitze der Fallröhre hochgeschossen und wieder aufgefangen.
Der Fallturm Bremen ist das erfolgreichste Mikrogravitationslabor weltweit, weil die Forschenden hier kontinuierlich exzellente Rahmenbedingungen nutzen können: Bis zu drei Mal am Tag werden die Experimente einer Schwerelosigkeit von nur einem Millionstel der Erdanziehungskraft ausgesetzt.
Diese außergewöhnlich hohe Qualität wird dadurch erreicht, dass der freie Fall im Vakuum stattfindet. Vor der Durchführung eines Mikrogravitations-Experiments erzeugen 18 Hochleistungspumpen in der 120 Meter hohen Fallröhre ein Vakuum und eliminieren so den Luftwiderstand. Durch das 2004 eingebaute Katapultsystem kann eine Experimentdauer von 9,3 Sekunden zur Verfügung gestellt werden – das ist weltweit unerreicht.
Wollen Sie selbst ein Experiment in Fallturm durchführen? Klicken Sie hier.
Videos über den Bremer Fallturm
Der GraviTower Bremen Pro
Mit dem GraviTower Bremen Pro wird Wissenschaftler:innen ein komplett neuartiges (Weltraum-)Labor zur Verfügung gestellt. Er bietet dank innovativer Technik die Möglichkeit, bis zu 20 Mal pro Stunde wissenschaftliche Experimente unter Bedingungen der Mikrogravitation durchzuführen.
Für die Durchführung der Experimente nutzt der GraviTower ein Schienensystem. Das Besondere daran: Mit Hilfe eines Seilantriebs wird ein sogenannter Slider als Träger der Experimentkapsel auf exakt die Geschwindigkeit beschleunigt, die er theoretisch während eines Katapultfluges im Vakuum des Fallturms erreichen würde.
Der GraviTower benötigt also kein Vakuum, weil er den Luftwiderstand über einen Seilantrieb kompensiert. Durch den Slider wird die Experimentkapsel von der Umgebungsluft abgeschirmt. Zum Erreichen der Schwerelosigkeitsphase wird sie vom Slider abgekoppelt. Anschließend befindet sich die Experimentkapsel für 2,5 Sekunden als berührungsloses Objekt im freien Fall. In dieser Zeit gibt es innerhalb des Sliders keine Luftbewegung, die den freien Fall der Experimentkapsel bremsen würde, sodass wir eine ähnlich hohe Qualität der Schwerelosigkeit erreichen wie im Fallturm. Gegen Ende des freien Falls wird die Experimentkapsel schließlich wieder an den Slider gekoppelt und beide werden durch den Seilantrieb abgebremst.
Bis zu 20 Experimente pro Stunde können mit dem GraviTower durchgeführt werden. Nach jedem einzelnen Experiment können die Wissenschaftler:innen auf den Versuchsaufbau zugreifen und ihn bei Bedarf variieren oder bereits erste Daten auswerten. Diese Kombination aus sehr hoher Qualität von Mikrogravitation und dem direkten und uneingeschränkten Zugriff auf das Experiment nach jedem 2,5 Sekunden dauernden Experimentflug ist einzigartig.
Das ist aber noch nicht alles: Die Beschleunigung über den Seilantrieb ermöglicht nicht nur, die Versuchskapseln in Schwerelosigkeit zu versetzen, sondern auch in die Gravitationsbedingungen von Mond, Mars und anderen Planeten oder Himmelskörpern. Um also beispielsweise Ausrüstung für den Einsatz auf dem Mars zu testen, liefert der GraviTower während des Experiments ein Drittel der Erdanziehungskraft (1/3 g), entsprechend der Anziehungskraft auf dem Mars.
Videos rund um den GraviTower Bremen Pro
Schwerelosigkeit verstehen
Die Erdanziehungkraft wirkt auf alle Objekte, die sich in der Erdumlaufbahn befinden und sorgt dafür, dass ein Apfel, wenn er sich vom Baum löst, zu Boden fällt (oder: eine Scheibe Toastbrot, wenn sie uns aus der Hand fällt, auf dem Boden landet). Wie kann man trotzdem auf der Erde schwerelos sein?
Gravitation ist eine universelle physikalische Kraft, die zwischen Massen wirkt und sich als Anziehungskraft äußert. Sie ist die Kraft, die zum Beispiel unser Sonnensystem zusammenhält, die Bahnen der Planeten bestimmt und dafür verantwortlich ist, dass auf der Erde alle Körper zum Erdmittelpunkt, also zu Boden fallen. Die Gravitation der Erde wirkt zu jeder Zeit auf uns alle. Wir nehmen sie als selbstverständlich wahr.
Je größer die Masse eines Körpers, desto größer ist die von ihm ausgehende Gravitations- oder Schwerkraft. Demnach haben alle Körper eine spezifische Anziehungskraft. Unsere Erde besitzt eine Anziehungskraft („Kraft pro Masse“), die als 1 g beschrieben wird (g entspricht ca. 9,81 m/s²). Doch was passiert mit Körpern, wenn keine oder nur sehr geringe Gravitationskräfte auf sie wirken oder die Wirkung der Gravitationskraft durch den Einfluss anderer Kräfte minimiert wird? Dieses Phänomen nennt man Schwerelosigkeit oder präziser formuliert „Mikrogravitation“. Dabei wirkt eine Anziehungskraft von nahezu 0 g. Schwerelosigkeit zeigt sich zum Beispiel auf der ISS oder bei Satelliten, die um die Erde kreisen. Für Experimente in den Mikrogravitationslaboren des ZARM machen sich Wissenschaftler:innen das Prinzip des freien Falls zu Nutze, um unter Bedingungen der Schwerelosigkeit zu forschen.
Schwerelos im freien Fall
Ein Körper befindet sich fallend im schwerelosen Zustand, weil ihn die Schwerkraft ohne Einwirkung einer Gegenkraft in eine beschleunigte Bewegung versetzt. Er ist genau dann schwerelos, wenn die Schwerkraft ungehindert auf ihn einwirkt. Wenn wir nicht fallen, wirkt auf uns stetig die Gegenkraft der Erdoberfläche, die uns „bremst“. Das, was wir als „Schwere“ wahrnehmen, ist also unser beschleunigter, vom Erdmittelpunkt angezogener Körper, der durch die Gegenkraft der Erdoberfläche gestoppt wird. Befinden wir uns hingegen im freien Fall, können wir unser Gewicht nicht wahrnehmen, da die Gegenkraft fehlt. Somit fühlen wir uns nicht nur „schwerelos“ – wir sind es auch nahezu.
Der Effekt der Schwerelosigkeit beschränkt sich nicht nur auf den senkrechten freien Fall. Auch wenn man einen Ball in die Luft wirft und er in einem parabelförmigen Bogen zu Boden fällt, befindet er sich über den größten Teil der Strecke in Schwerelosigkeit. Der Effekt der Schwerelosigkeit wirkt also gleichermaßen auf ein Objekt, das sich durch den vorherigen Antrieb gerade auf dem Weg nach oben befindet, wie auf eines, das durch die Erdanziehung wieder auf dem Weg nach unten ist.
Wenn wir auf einem Trampolin springen, sind wir von dem Moment an, in dem wir das Trampolin nicht mehr berühren und in die Luft springen, bis zu dem Moment, in dem wir wieder auf dem Trampolin landen, fast schwerelos. Das Besondere daran: Würden wir das mit verbundenen Augen machen, wüssten wir nicht, ob wir uns gerade aufwärts oder abwärts bewegen. Auch den Umkehrpunkt würden wir nicht spüren, weil die ganze Zeit genau die gleiche Kraft auf uns wirkt..
Das Äquivalenzprinzip
Es mag überraschen, aber prinzipiell fallen alle Körper gleich schnell. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass auf der Erde – innerhalb eines Vakuums – alle Objekte mit der exakt gleichen Geschwindigkeit fallen. Zwar fällt eine Feder langsamer zu Boden als ein Hammer, das lässt sich jedoch auf die Reibungskräfte zwischen den Körpern und dem sie umgebenden Medium (hier auf der Erde meist Luft) zurückführen. Die Luft bremst eine Feder durch ihre größere Oberfläche stärker ab als einen Hammer. Deswegen fällt der Hammer schneller.
Für Forschende stellt der bremsende Effekt der Umgebungsluft ein Problem dar, das es bei Experimenten in Schwerelosigkeit zu umgehen gilt, sonst würde das Ergebnis ihrer Experimente verfälscht. Die Lösung: Entweder sie verhindern Reibungskräfte, indem sie das Experiment im Vakuum, also im luftleeren Raum, durchführen – wie im Fallturm Bremen. Oder der freie Fall durch die Luft wird zusätzlich beschleunigt – wie mit dem Schienensystem des GraviTowers.
Videos über die Physik hinter der Magie
Tierische Fallturmbewohner:innen
Auch wenn man sie nicht immer zu Gesicht bekommt, hat der Fallturm Bremen häufig tierische Bewohner: Auf 100 Metern Höhe befindet sich ein Nistkasten und wird meist von Wanderfalken bewohnt. Damit gehört das jeweilige Gebäude automatisch zum Jagdgebiet des Falken. Wer Glück hat, kann ihn an manchen Tagen auf dem Außengeländer des Fallturms beobachten.
Der Fallturm wiegt sich im Wind
Kann der Fallturm eigentlich umknicken, wenn Bremen mal von einem starken Sturm heimgesucht wird? Keine Sorge! Hanseatische Wetterverhältnisse wurden beim Bau berücksichtigt. Genauer gesagt ist der Wetterschutz sogar seine Hauptaufgabe, denn das markante Fallturmgebäude fungiert eigentlich nur als Schutzhülle für die Fallröhre im Inneren. Bei starkem Wind und Böen kann der Turm nämlich bis zu 10 Zentimeter in jede Richtung schwanken. Da der Turm die innere Fallröhre aber nur an seinem Fuß berührt, beeinflusst das die Fallröhre kaum. Der Experimentbetrieb im Katapultmodus ist tatsächlich bei jedem Wetter möglich. Im Abwurfmodus wird der Experimentbetrieb allerdings ab einer Windgeschwindigkeit von 16 Metern pro Sekunde eingestellt.
Die Fallturmspitze
Wussten Sie, dass sich in der Spitze des Bremer Fallturms Veranstaltungsräume befinden? Beim Bau des Fallturms wurde als krönender Abschluss die gläserne Fallturmspitze mit dem größten Kran Deutschlands auf den Turm gesetzt. Darin befindet sich heute unsere Panorama-Lounge. Aufgrund strenger Sicherheitsvorkehrungen ist die Fallturmspitze leider nicht ohne weiteres für die Öffentlichkeit zugänglich. Auf Anfrage werden die Räumlichkeiten jedoch für standesamtliche Hochzeiten und kleinere Gruppen auf Anfrage zur Verfügung gestellt.
Immer noch neugierig? Das ZARM bietet veschiedene Arten von Besichtigungen an. Mehr Informationen finden Sie hier.