Kurze Antwort Nein

Kurze Antwort: Nein

Es mag überraschend klingen, aber im Weltraum ist man nicht – zumindest nicht zwangsweise – schwerelos. Dass die Astronauten auf der ISS schwerelos sind, hat einen anderen Grund. Aber um das zu verstehen, müssen wir erst einmal definieren, was der Weltraum ist, und was Schwerelosigkeit ist.

Was ist der Weltraum?

Der Raum außerhalb der Atmosphärenhülle der Erde wird als Weltraum bezeichnet. Da die Atmosphäre allerdings keine scharfe Grenze besitzt, ist der Beginn des Weltraums letzten Endes Definitionssache. Oft wird die Grenze zum Weltraum mit 100 km über der Erdoberfläche angegeben [Quelle]. Die ISS hat übrigens eine Höhe von circa 400 km über der Erdoberfläche [Quelle].

Was ist Schwerelosigkeit?

Die Gravitationskraft (oder Schwerkraft) ist die Kraft, mit der sich Objekte aufgrund ihrer Masse gegenseitig anziehen. Eine Situation, in der diese Kraft nicht feststellbar ist, nennt man Schwerelosigkeit.

Wir müssen also überprüfen, ob man die Schwerkraft im Weltraum spüren kann.

Ein Gedankenexperiment

Stellen wir uns einmal vor, wir würden einen 400 km hohen Turm am Nordpol bauen. Warum gerade der Nordpol? Wir wollen vermeiden, dass unsere Betrachtung wegen der Erdrotation und der damit einhergehenden Fliehkraft zu kompliziert wird.

Nach der Definition des Weltraums (siehe oben), sind wir in den obersten Stockwerken des Turms längst im Weltraum. Spüren wir dort also die Schwerkraft? Ja.

Die Schwerkraft, die die Erde auf andere Objekte (Menschen, Tiere, Steine etc.) ausübt, nimmt mit dem Quadrat des Abstandes zum Erdmittelpunkt ab. Der Erdradius beträgt circa 6370 km [Quelle]. Wenn wir uns auf der Erdoberfläche befinden, sind wir also 6370 km vom Erdmittelpunkt entfernt. Wenn wir uns oben auf dem Turm befinden, sind wir 6770 km vom Erdmittelpunkt entfernt. Das sind nur 6% mehr. Wäre die Erde so groß wie ein Fußball, wäre unser Turm nur 2 cm hoch. Die Erdanziehungskraft fällt dabei nur um 4% ab. Das heißt, selbst ganz oben auf dem Turm fühlen wir uns nur ein ganz kleines bisschen leichter als auf der Erdoberfläche, und das, obwohl wir uns eindeutig im Weltraum befinden.

Wenn man sich natürlich möglichst weit von der Erde und auch allen anderen schweren Objekten im Weltraum entfernt, dann werden die Anziehungskräfte irgendwann so gering, dass man tatsächlich so gut wie schwerelos ist. Nur, die ISS befindet sich überhaupt nicht weit von der Erde entfernt. Sie kreist – wie oben schon erwähnt – in einer Höhe von circa 400 km um die Erde. Nur so hoch wie unser Turm also. Und eben haben wir ja herausgefunden, dass die Schwerkraft in dieser Höhe nur geringfügig schwächer ist. Doch warum sind die Astronauten auf der ISS trotzdem schwerelos? Um das zu verstehen, müssen wir uns überlegen, wie wir Schwerkraft überhaupt spüren.

Wie nehmen wir Schwerkraft wahr

Wenn wir auf dem Boden stehen, dann spüren wir die Schwerkraft vor allem an unseren Füßen. Wenn wir auf einem Stuhl sitzen, dann spüren wir sie vor allem auf an unserem Gesäß. Das liegt daran, dass wir die Schwerkraft selbst eigentlich gar nicht spüren. Was wir spüren ist die Gegenkraft, die der Boden oder der Stuhl auf uns ausübt. Stellen wir uns nun vor, wir stehen in Aufzugkabine unseres Turms (der Turm hat natürlich einen Aufzug, denn 400 km Treppen nach oben zu laufen, ist dann doch etwas zu anstrengend). Der Aufzug ist so gebaut, dass die Kabine oben ausgehängt wird, nach unten fällt und unten erst abgebremst wird. Nachdem wir den Aufzug betreten haben, spüren wir ganz normal die Schwerkraft, oder besser gesagt: Die Kraft, die der Boden der Aufzugkabine auf unsere Füße ausübt.

Dann wird die Kabine ausgehakt und beginnt samt uns nach unten zu fallen. Wenn keine anderen Kräfte wie z.B. Luftwiderstand wirken, dann befindet sich die Aufzugkabine (und wir darin) im freien Fall. Die Aufzugkabine beschleunigt dabei genauso schnell wie wir, die sich in der Kabine befinden. Das heißt auch, dass der Kabinenboden jetzt keine Kraft mehr auf unsere Füße ausübt, und das bedeutet wiederum, dass wir keine Schwerkraft wahrnehmen. Wir können nicht unterscheiden, ob wir uns gerade im freien Fall Richtung Erdboden befinden, oder ob wir uns an einem Punkt im Universum fernab von jeglichem Himmelskörper und dessen Anziehungskraft befinden, also an einem Punkt, an dem wirklich keine Schwerkraft herrscht.

Es ist tatsächlich nicht nur für uns Menschen unmöglich, zwischen diesen beiden Situationen zu unterscheiden, sondern es ist physikalisch unmöglich. Also kein Messgerät der Welt könnte feststellen, ob man frei fällt, oder ob man sich an einem Ort fernab von jeglichem gravitativen Einfluss befindet. Dahinter steckt ein tieferliegendes Prinzip, auf das ich für die Interessierten am Ende nochmal eingehe. Aber jetzt erstmal zur ISS.

Die ISS befindet sich im (fast) freien Fall

Auch die ISS befindet sich im freien Fall. Das heißt, die Astronauten in ihr sind schwerelos, da sie sich mit ihr im freien Fall befinden. Der Begriff „Fall“ ist hier vielleicht etwas irreführend, denn die ISS fällt ja nicht auf den Boden zu. Das liegt daran, dass sie eine hohe Geschwindigkeit parallel zur Erdoberfläche besitzt. Sie fällt zwar ständig auf die Erde zu, bewegt sich aber gleichzeitig parallel zur Erdoberfläche, sodass sich die Erde unter ihr wegkrümmt und sie nie den Boden erreicht.

Übrigens handelt es sich nur fast um einen freien Fall. Wie anfangs schon erwähnt, hat die Erdatmosphäre keine scharfe Grenze, sondern wird mit zunehmender Höhe nur immer dünner. Das heißt, in einer Höhe von 400 km gibt es immer noch ein paar wenige Luftmoleküle und dadurch auch einen sehr geringen Luftwiderstand. Damit sie nicht zu langsam wird, muss die ISS deshalb immer mal wieder ihren Orbit korrigieren.

Wir fassen also zusammen: Im Weltraum ist man nicht schwerelos, da die Gravitationskraft z.B. der Erde auch im Weltraum noch zu spüren ist. Dass die Astronauten auf der ISS trotzdem schwerelos sind, liegt daran, dass die ISS sich im freien Fall befindet und man im freien Fall schwerelos ist.

Noch ein bisschen tiefer…

Zum Schluss möchte ich die tieferliegende Physik noch kurz anreißen. Das hier ausführlich zu besprechen, würde den Rahmen sprengen, aber wir können zumindest mal ein wenig an der Oberfläche streicheln („kratzen“ wäre vielleicht schon zu viel gesagt).

Gekrümmte Raumzeit

Die Gravitation wird durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. In der Relativitätstheorie werden die drei räumlichen Dimensionen und die Zeit zu einem Objekt zusammengefasst, der sogenannten Raumzeit. Massen (z.B. die Erde) krümmen die Raumzeit. Es ist schwierig (vielleicht sogar unmöglich), sich das wirklich vorzustellen, insbesondere, da ja nicht nur der Raum, sondern auch die Zeit gekrümmt wird. Die Gravitationskraft ist nun keine Kraft mehr, sondern ein Effekt dieser Krümmung.

Gerade Bahnen in der gekrümmten Raumzeit

Wir und auch alle anderen Massen bewegen sich auf geraden Bahnen durch die Raumzeit. Auch, wenn wir einfach nur still dasitzen, denn durch die Zeit bewegen wir uns ja trotzdem. Was genau genau „gerade Bahnen“ in einer gekrümmten Raumzeit sind, lässt sich mathematisch durch die sogenannte Geodätengleichung genau definieren. Zur Veranschaulichung hilft es, sich die Erde vorzustellen. Auch die Erdoberfläche ist ja gekrümmt trotzdem können wir auf der Erde geradeaus gehen. Wir legen jetzt zwei Massen ein paar Meter voneinander entfernt auf den Äquator und stellen uns vor, die Bewegung nach Norden wäre die Bewegung durch die Zeit und die Bewegung nach Osten und Westen, wäre die Bewegung durch den Raum. Die Massen sollen nun einfach ruhen, sich also entlang der Zeitachse bewegen. Sie bewegen sich also entlang der jeweiligen Längengrade immer geradeaus Richtung Norden (bzw. Richtung Zukunft). Obwohl sich beide in dieselbe Richtung bewegen (Richtung Norden bzw. Richtung Zukunft), kommen sie sich allmählich näher, da die Längengrade ja immer enger zusammenrücken, je weiter man nach Norden geht.

Und genau das passiert auch in der gekrümmten Raumzeit, nur dass die Krümmung etwas anders aussieht als die einer Kugeloberfläche. Im freien Fall bewegen wir uns also auf einer geraden Bahn durch die Raumzeit, aber aufgrund der Krümmung kommen wir der Erde immer näher. Es ist also keine Kraft mehr, die uns anzieht, sondern einfach der Weg, den uns die gekrümmte Raumzeit vorgibt.

Ob wir uns auf geraden Bahnen durch die ungekrümmte (flache) Raumzeit oder auf geraden Bahnen durch die gekrümmte Raumzeit bewegen, lässt sich lokal nicht unterscheiden. Der einzige Unterschied ist, dass sich Objekte auf geraden Bahnen in der gekrümmten Raumzeit aufeinander zubewegen, in der flachen Raumzeit aber nicht. Um das festzustellen, muss man allerdings nach nach anderen Objekten Ausschau halten. Wenn der frei fallende Aufzug im Turm aber keine Fenster hat, dann geht das nicht. Und der Effekt für zwei Objekte, die sich beide im Aufzug befinden, ist extrem klein, da die Größe des Aufzugs klein im Vergleich zu der Krümmung ist. In unserem Garten merken wir ja auch nicht von der Erdkrümmung, da unser Garten klein gegenüber der Erdkrümmung ist.

Der Grund, warum man im freien Fall schwerelos ist, ist also, dass man sich auf geraden Bahnen durch die (gekrümmte) Raumzeit bewegt.

Was wir statt der Schwerkraft eigentlich spüren

Wenn wir auf der Erdoberfläche stehen, bewegen wir uns nicht mehr auf einer geraden Bahn durch die gekrümmte Raumzeit, denn der Boden hindert uns daran, weiter frei Richtung Erdmittelpunkt zu fallen. Der Boden übt eine Kraft auf uns aus, die uns zwingt, sich nicht mehr auf einer geraden Bahn durch die Raumzweit zu bewegen. Und diese Kraft ist das, was wir spüren. Das, was wir scheinbar als Schwerkraft wahrnehmen, ist also eigentlich die Kraft des Bodens, die uns auf eine ungerade Bahn durch die Raumzeit zwingt.

Dazu gibt es übrigens auch eine einleuchtende Analogie aus dem Alltag. Im Karussell nehmen wir scheinbar eine Kraft wahr, die uns in die Sitzlehne drückt. Das ist die sogenannte Fliehkraft. Doch die eigentliche Kraft ist die Kraft, die die Lehne auf uns ausübt, um uns auf die Kreisbahn – also auf eine ungerade Bahn – zu zwingen.