Wieso die Erde ein Gefängnis ist und wie wir da rauskommen

Die Erde ist unser Gefängnis.

Das Universum scheint uns mit all seinen unerreichbaren Orten

zu verspotten.

Wenn wir als Spezies aber eine langfristige Zukunft haben wollen,

werden wir aus diesem Gefängnis ausbrechen müssen.

Aber wieso sind wir überhaupt hier gefangen?

Tja, so wie's aussieht,

haben wir seit 4,5 Mrd Jahren Schulden beim Universum.

*Intro*

Ein Gefängnis aus Energie.

Im Universum gilt:

Alles, was Masse hat, zieht sich gegenseitig an.

Das nennt man Schwerkraft oder Gravitation.

Je näher du einem großen, massereichen Objekt bist,

umso stärker wirst du angezogen.

Dadurch sitzen wir auf der Erde fest

wie Gefangene in einem Gravitations-Gefängnis

oder einem Schwerkraft-Schacht.

Kein wirklicher Schacht natürlich,

aber eine gute Metapher, um zu verstehen, was gemeint ist.

Im Gravitations-Gefängnis zu sitzen heißt,

der Schwerkraft Energie zu schulden.

Aber wie können wir Energie schulden?

Dinge im Universum mögen es nicht,

ihr Tempo oder die Richtung zu ändern.

Um sie zu bewegen, müssen wir Energie aufbringen.

Vor Milliarden von Jahren

formten Billionen von Staubkörnern unseren Planeten,

als die Anziehungskraft sie zueinander zog.

Dieser Prozess benötigte Energie und bildete den Gravitations-Schacht,

in dem wir jetzt sitzen.

Je tiefer im Schwerkraft-Schacht du bist,

umso mehr Energie schuldest du der Schwerkraft.

Kriegst du nicht genug Energie zusammen, kommst du da nicht raus,

egal was du machst.

Weil deine Atome einst Teil des Staubes waren,

für den das Universum Energie ausgegeben hat,

um ihn hierher zu bewegen.

Okay, lasst uns das noch mal zusammenfassen:

Objekte im Universum bewegen sich nicht gern.

Du bringst sie dazu, indem du Energie ausgibst.

Unser Planet besteht aus Teilchen,

die die Schwerkraft zueinander bewegt hat.

Das hat Energie gekostet.

Es entstand das Gravitations- Gefängnis in dem wir sitzen.

Um ihm zu entkommen, müssen wir Energie zurückzahlen.

Okay, aber wie?

Raus aus dem Gravitations-Gefängnis.

Ins Weltall gelangen wir nur

mit einem ganz schön komplizierten Energie-Austausch.

Dafür bauen wir Minus-Potential- Energie-Rückzahlungs-Maschinen.

Oder wie Laien sagen: Raketen.

Raketen nutzen mit die energie- reichsten chemischen Reaktionen,

die wir kennen.

Damit lassen sie eigentlich Brennstoff kontrolliert explodieren

und verwandeln die chemische Energie in Bewegungsenergie.

Die nach außen gerichtete Düse treibt die Rakete an.

Indem wir Energie aufwenden,

steigern wir unsere potentielle Gravitationsenergie.

D.h. eigentlich nur,

dass wir unsere Energieschulden an die Schwerkraft zurückzahlen.

Aber das ist ziemlich schwierig.

Verbrennen wir Treibstoff, um in den Orbit zu gelangen,

geht Energie verloren.

Durch die Hitze, die Düse und den Luftwiderstand.

Also braucht es mehr davon.

Wir können aber auch nicht einfach Berge

von hochexplosivem Treibstoff direkt unter der Ladung anzünden.

Es braucht eine kontrollierte Verbrennung.

Das ist schwieriger und gibt der Rakete mehr Gewicht,

also mehr Masse.

Und je mehr Masse etwas hat, umso mehr Energie wird benötigt,

um es zu bewegen.

Und damit ist mehr Energie nötig, um die Rakete anzuheben.

Dafür braucht es mehr Treibstoff, also mehr Rakete,

um den Treibstoff zu tragen.

Das macht die Rakete wieder schwerer,

braucht also noch mehr Treibstoff,

also noch mehr Rakete für den Treibstoff usw.

Am Ende hat man fast das Hundertfache des Gewichts

der Nutzlast, um überhaupt abzuheben.

Die europäische Rakete Ariane 6 z.B. wird 800 t wiegen

und soll 10 t Ladung in den geostationären Erd-Orbit bringen,

oder 20 t in den mittleren Erd-Orbit.

Eine Rakete kann aber nicht unendlich viel Antrieb produzieren.

Es gibt deshalb ein Maximalgewicht.

Mehr kann gar nicht abheben.

Ist die Rakete zu schwer, fliegt sie nicht,

also können wir nicht einfach größere Tanks bauen.

Das ist der Fluch der Raketen-Gleichung.

Deshalb wird Raumfahrt niemals einfach sein.

Und noch schlimmer:

Einfach ins All zu gelangen, reicht noch nicht.

Wir stecken auch im Weltall noch im Gravitations-Gefängnis fest

und fallen zur Erde zurück.

Im All zu bleiben,

ist tatsächlich noch schwieriger als dahin zu gelangen.

Um eine stabile Position zu erreichen und dort zu bleiben,

muss eine Rakete den unteren Erd-Orbit erreichen.

Dafür werden riesige Mengen Bewegungsenergie benötigt.

D.h., man muss sehr, sehr schnell sein.

Auf einer Höhe von etwa 100 km sind das 8 km pro Sekunde.

28.000 km pro Stunde.

Schnell genug, um die Erde in 90 Minuten zu umrunden.

Dafür gibt es einen Trick.

Anstatt gerade hoch zu fliegen, fliegen wir einfach seitwärts.

Die Erde ist eine Kugel.

Wenn du schnell genug zur Seite fliegst,

fällst du zwar immer noch zur Erde hin,

aber der Boden krümmt sich unter dir weg.

Solange du also über der Atmosphäre bleibst,

etwa 100 km hoch, kannst du da oben im Orbit bleiben.

Das tut auch die ISS:

Sie fällt eigentlich um die Erde herum

und investiert hin und wieder etwas Energie,

um schnell genug zu bleiben.

Im Verhältnis gesehen,

ist der niedrige Erd-Orbit lächerlich nahe an der Erde.

Um Satelliten zu stationieren oder zu fremden Planeten aufzubrechen,

müssen wir noch mehr Energieschulden zurückzahlen.

In den Orbit zu kommen,

ist aktuell die größte Schwierigkeit der Raumfahrt.

Wollen wir eine Rakete zum Mars schicken,

benötigen wir die Hälfte der Energie nur dafür,

den Orbit zu erreichen.

Die andere Hälfte reicht dann für die 55 Mio km zum Mars.

Effiziente Raketen bestehen deshalb nicht aus einem einzigen Teil.

Stattdessen sind sie mehrstufig.

Leere Tanks mitzuschleppen bringt nichts,

also werfen die Raketen sie ab.

Moderne Raketen lassen beim Aufstieg Antrieb und Hauptstufe fallen.

Jede Stufe ist eine vollständige Rakete,

mit eigenem Antrieb und Treibstoff.

Deshalb ist es also so schwierig, ins All zu gelangen.

Wenn dir das alles sehr kompliziert vorkommt, keine Sorge,

Es ist sehr kompliziert.

Untertitel: ARD Text im Auftrag von Funk (2020)