Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

? Antwort auf die Eingangsfrage Die Europäische Weltraumorganisation ESA, bei der Österreich Mitglied ist, be- treibt in Französisch Guayana einen „Weltraumbahnhof“. Von dort bringen Rake- ten vom Typ Ariane 5 vor allem Fernmeldesatelliten (bis knapp 10 t Masse) in den Weltraum. Sie besitzen eine Hauptstufe mit Treibstofftank und Triebwerk, und eine Oberstufe, die die Nutzlast befördert und letzte Kurskorrekturen der auszusetzen- den Satelliten ermöglicht ( 14.1 ). Den Start unterstützen zwei Hilfsraketen (engl. booster ). Alle Raketenstufen werden nach Verbrauch ihres Treibstoffs abgeworfen und fallen in den Atlantik oder verglühen in der Erdatmosphäre. Von der Oberstufe aus können die Satelliten mit ihrem eigenen Triebwerk aus einer Bahn in etwa 500 km Höhe in eine geostationäre Bahn in 36 000 km Höhe über dem Äquator ge- bracht werden. Dort bewegen sie sich synchron zur Erde, scheinen also relativ zur Erdoberfläche still zu stehen. Mit einer Ariane 5 begann 2004 die 10-jährige Reise der Raumsonde Rosetta zu einem Kometen (Abb. 10.2 ), den sie bei seinem Flug um die Sonne zwei Jahre lang bis September 2016 begleitete und erforschte. (Das Insti- tut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist an diesem Projekt beteiligt und steuerte ein Gerät zur Größenbestimmung der Par- tikel des Kometenstaubs bei.) Raketen funktionieren nach dem Rückstoßprinzip: In der Brennkammer des Rake- tenmotors verbrennt der Treibstoff zu einem heißen Gas, das unter hohem Druck steht. Durch die Düse strömt es als gerichteter Strahl mit hoher Geschwindigkeit ins Freie aus und gewinnt dabei Impuls. Einen gleich großen entgegengesetzten Impulszuwachs ∆p erhält die Rakete, wodurch sie beschleunigt wird. Die Kraft des Motors auf die Rakete heißt Schub F S . Wenn in der Zeit ∆ t eine Masse ∆ m mit der Geschwindigkeit v G aus der Düse strömt, ist ihre Impulsänderung ∆ p = ∆ m · v G . Diese Impulsänderung entspricht dem Kraftstoß F S ·∆ t . Der Schub F S ergibt sich zu F S = ∆ m _ ∆ t · v G . Der Schub ist daher umso größer, je höher die Geschwin- digkeit des austretenden Gases ist und je mehr Gas pro Sekunde ausströmt. Einige Daten zur Ariane 5: Die Startmasse der mehr als 50m hohen Ariane 5 be- trägt ca. 775 t , davon sind über 650 t Treibstoff – die Nutzlast beträgt maximal 16 t . Bis auf die Nutzlast verglüht die gesamte Rakete: Satelliten ins All zu bringen ist sehr teuer! Die Differenz von Schub ( 11 800 kN ) und Startgewicht ( 7600 kN ) ergibt am Start eine Beschleunigung von ca. 5,5m/s 2 ! Die Masse der Rakete nimmt mit zunehmender Brenndauer ab, die Rakete wird leichter und die Beschleunigung nimmt zu. Für geostationäre Satelliten, die sich mit der Erde drehen und daher immer über demselben Punkt des Äquators stehen, ist Kourou in Französisch-Guayana nahe am Äquator ein idealer Startplatz: Durch die Erdrotation dreht sich Kourou mit 460m/s nach Osten und liefert damit automatisch ca. 15% der nötigen Satellitengeschwindigkeit von 3 km/s. Asteroideneinschlag auf der Erde Einschläge kleinerer Himmelskörper (Asteroiden) haben die Krater am Mond geschaffen. Auch auf der Erde finden sich Einschlagkrater. Einer der größten mit 180km Durchmesser ist der Chicxulub-Krater. Er befindet sich unter dem Meer vor der Halbinsel Yucatan (Mexiko). Er entstand vor 65Mio. Jahren, als ein etwa 10km großer Asteroid die Erde traf. Die Folgen waren katastrophal. Bei der Bildung des riesigen Kraters wurde viel Gestein fein verteilt in die Atmo- sphäre gebracht. Der Staub in der Atmosphäre verdunkelte die Erde monate- lang, eine Klimakatastrophe dürfte die Folge gewesen sein. Manche Forscher vermuten, dass die Dinosaurier deswegen ausgestorben sind. 14.3 Der Bosumtwi-Krater in Ghana ist einer der jüngsten bekannten Einschlagkrater. Vor ca. 1Mio. Jahren traf ein Asteroid von etwa 500m Durchmesser mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 40 km/s die Erde. Der Krater von 10 km Durchmesser ist heute ein abflussloser See. Beim Einschlag hoch geschleudertes Gestein ist in 1000 km Entfernung zu finden. Forscher der Univer- sität Wien haben in einem internationalen Projekt diesen Krater geologisch untersucht. Satellit 1 Satellit 2 Träger für Satellit 2 Oberstufe Booster ARIANE 5 ECA Treibstoffe O flüssig H flüssig fest fest 2 2 14.1 Schema der Ariane 5-Rakete mit Hauptrakete, zwei Boostern (Starthilfen) und Nutzlast (zwei Satelliten). Die Hauptstufe wird mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff an- getrieben. 14.2 Die Erwärmung der Oberfläche des Kome- ten Tschurjumow-Gerasimenko in Sonnennähe löst Gas- und Staubfontänen aus, deren Zu- sammensetzung von den Geräten der Rosetta- Sonde analysiert wurde. Kometen stammen aus der Entstehungszeit unseres Planeten- systems. 14 MECHANIK 2 Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv