Fragen zur Raumfahrt

[tommyboy]

Hallo,
Ich habe mehrere Fragen zu verschiedenen Themen der Raumfahrt:

1. Warum kann eine Raumfähre nciht wie ein normales Flugzeug immer höher bis in den Weltraum steigen? Liegt das daran, dass die Luft so dünn wir, dass der Auftrieb zu gering wird?

2. Warum benötigt eine Raumfähre ein Hitzeschild? Weil die Temperaturen beim Eintauchen durch die Luftreibung und die hohe Geschwindigkeit so hoch werden? Warum verringert man die Geschwindigkeit vorher nicht noch weiter?

3. Auf der Seite http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/
   ist die Position und der Verlauf der Raumfähre erkennbar. Warum macht die Raumfähre solche „Schlangenbewegungen“?

4. Die schraffierte Fläche stellt die „Dunkelheit“ durch die Nacht dar. Ich finde besonders beeindruckend, dass an hier erkennen kann, wie sich die Hell-Dunkel-Verhältnisse im Laufe eines Tages verändern, aber auch, dass es am Norpol derzeit Polartag und am Südpol derzeit Polarnacht ist und wo die Grenzen verlaufen. Dies verändert sich im Laufe eines Tages und im Laufe eines Jahres. Gibt es eine Animation, wo man diese Veränderungen rasch abspielen kann? Das wäre beispielsweise für einen Erdlundelehrer eine sehr schöne Methode um Polartag udn Polarnacht zu erklären.

Vielen Dank schonmal,
tommyboy

[Peter_TOO]

Hallo tommyboy,

1. Warum kann eine Raumfähre nciht wie ein normales Flugzeug
   immer höher bis in den Weltraum steigen? Liegt das daran, dass
   die Luft so dünn wir, dass der Auftrieb zu gering wird?

JA.

2. Warum benötigt eine Raumfähre ein Hitzeschild? Weil die
   Temperaturen beim Eintauchen durch die Luftreibung und die
   hohe Geschwindigkeit so hoch werden?

JA.

Warum verringert man die
Geschwindigkeit vorher nicht noch weiter?

Zum Bremsen würde man Treibstoff benötigen. Dadurch würde sich aber die Nutzlast entsprechend dem zusätzlichen Treibstoffgewicht verringern.

3. Auf der Seite
   http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/
   ist die Position und der Verlauf der Raumfähre erkennbar.
   Warum macht die Raumfähre solche „Schlangenbewegungen“?

Die Umlaufbahn liegt nicht in der Äquatorebene. Für eine Erdumrundung benötigt das Shuttle etwa 90 Minuten.

MfG Peter(TOO)

[Uwi]

Hallo,

Ich habe mehrere Fragen zu verschiedenen Themen der Raumfahrt:

1. Warum kann eine Raumfähre nciht wie ein normales Flugzeug
   immer höher bis in den Weltraum steigen? Liegt das daran, dass
   die Luft so dünn wir, dass der Auftrieb zu gering wird?

Ja, auch. In ca. 250…300km Höhe ist faktisch keine Luft mehr,
die einen merklichen Auftrieb erzeugen könnte.
Vorteil: Nur noch sehr geringe Reibung durch Luftwiderstand.
Man muß nicht ständig einen Motor anhaben, um nicht runterzufallen.

Wichtig ist aber auch, daß Flugzeugtriebwerke Sauerstoff
ansaugen müssen, um den Brennstoff im Motor oder Turbine zu
verbrennen.
Raketen müssen alle Reaktionsbestandteile mitnehmen.

2. Warum benötigt eine Raumfähre ein Hitzeschild? Weil die
   Temperaturen beim Eintauchen durch die Luftreibung und die
   hohe Geschwindigkeit so hoch werden? Warum verringert man die
   Geschwindigkeit vorher nicht noch weiter?

Die 1. kosmische Geschwindigkeit liegt bei ca. 7,9 km/Sekunde.
http://de.wikipedia.org/wiki/1._Kosmische_Geschwindi…
Das ist sehr viel schneller, als jedes heute bekannte Flugzeug.

Um wieder auf die Erde zurückzukehren muß man also diese hohe
Geschwindigkeit wieder abbauen. Das geschieht durch Reibung in
den oberen Atmosphärenschichten. Dabei wird die gewaltige
kinetische Energie in Wärme umgesetzt.

Das vorher aktiv mit Triebwerken zu machen, wäre Quatsch.
Man müßte annähernd so viel Treibstoff zum Bremsen mitnehmen,
wie man vorher zum Beschleunigen brauchte.
Man ist aber eher darauf bedacht, so viel Nutzmasse wie möglich
zu transportieren. Das Abbremsen bekommt man sozusagen geschenkt.

Außerdem würde man nach leichtem Bremsen sowieso auf eine
tiefere Bahn fallen und damit automatisch in die Atmosphäre
eintauchen, bevor man deutlich langsamer geworden ist.

3. Auf der Seite
   http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/
   ist die Position und der Verlauf der Raumfähre erkennbar.
   Warum macht die Raumfähre solche „Schlangenbewegungen“?

Wurde schon erklärt. Die Erde dreht sich schließlich auch.

Gruß Uwi

[tommyboy]

Vielen Dank für eure verständlichen Antworten.
Gerade war ich auf der Straße und habe die ISS als winzigen Stern vorbeifliegen sehen. Irre, einfach irre !!!
Noch Fragen hinterher:

1. Hat es in 330km Höhe tatsächlich 24°C? Ich dachte immer, dort oben wäre es saukalt…

2. Und wieviel kostet ein Teleskop, mit dem man beispielsweise die angedockte Raumfähre vom Boden aus erkennen könnte? Bei Aldi gibt´s doch manchmal Teleskope. Taugen die was?

tommyboy

[DrStupid]

1. Hat es in 330km Höhe tatsächlich 24°C?

Ja, aber nur im Shuttle und der ISS.

Ich dachte immer,
dort oben wäre es saukalt…

Nein, es ist sauheiß - so ungefähr 700-800°C. Deshalb bezeichnet man diesen Teil der Atmosphäre auch als Thermosphäre.

2. Und wieviel kostet ein Teleskop, mit dem man beispielsweise
   die angedockte Raumfähre vom Boden aus erkennen könnte? Bei
   Aldi gibt´s doch manchmal Teleskope. Taugen die was?

Dafür bräuchte man ein Teleskop mit hinreichend schneller Nachführung. Sowas gibt es ganz sicher nicht bei Aldi.

[tommyboy]

Nochamls Danke!!!
Gerade habe ich wieder die ISS vorbeifliegen sehen, aber jetzt war es so, dass ich sie sah und sie dann plötzlich von gelb nach rot verfärbte und sie dann ganz verschwand, obwohl es sternenkalr ist. Ist sie genau in diesem Moment in den Erdschatten eingetaucht?
Wow, bin gerade völlig irre, die Vorstellung, dass die ISS innerhalb 90 Minuten einmal die Erde umrundet hat…
tommyboy

[Ratloser_b79ec2]

na na …
Hallo DrStupid,

Ich dachte immer, dort oben wäre es saukalt…

Nein, es ist sauheiß - so ungefähr 700-800°C.
Deshalb bezeichnet man diesen Teil der Atmosphäre
auch als Thermosphäre.

jetzt verwirre den lieben tommyboy doch nicht )
Die Temperaturangabe beschreibt doch nur die Molekültemperatur. Also
den Bewegungszustand der hier vereinzelt herumschwirrenden Moleküle.
Wenn sich tommyboy dort aufhält, wird er eher durch
abstrahlungsbedingten Wärmeverlust erfrieren als durch 800°C „warme“
Hitze gebraten.
Mit einem lachenden Auge
R.

[tommyboy]

Hallo,
jetzt bin ich aber verwirrt,
ist es nun heiß oder kalt??? Oder beides?
tommyboy

[Stuffi_90751a]

Hallo,
jetzt bin ich aber verwirrt,
ist es nun heiß oder kalt??? Oder beides?

„Beides“.

Temperatur ist im physikalischen Sinn als Geschwindigkeit der vorhandenen Teilchen (Luftmoleküle) definiert.
Dort oben gibt es aber nur sehr wenige Luftmoleküle, welche aber sehr schnell sind -> hohe Temperatur.

Allerdings sind es so wenige, daß sie in Summe kaum Wärme an andere Körper abgeben können - das heißt, ein Körper verliert in diesen Regionen Wärme durch Abstrahlung, ohne über die Stöße der Moleküle Wärme in nennenswertem Ausmaß zugeführt zu bekommen.

LG
Stuffi

[Michael_Bauer_c1319c]

Hallo!

Hatten wir das nicht erst?

„Beides“.

Temperatur ist im physikalischen Sinn als Geschwindigkeit der
vorhandenen Teilchen (Luftmoleküle) definiert.

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei Gasen von hinreichend hohem Druck ist die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Gasteilchen (die ihrerseits mit der Geschwindigkeit zusammen hängt).

Wenn man es mit Gasen von sehr geringem Druck zu tun hat, kann sich - aufgrund der von Dir beschriebenen Effekte - kein thermodynamisches Gleichgewicht mehr einstellen. Wenn man also rein formal die Teilchenbewegung in Kelvin misst, ist diese Angabe keine Temperatur im eigentlichen Sinne. Ich weiß wohl, dass man das in der Experimentalphysik so macht. Da kann es auch mal vorkommen, dass ein und dasselbe Plasma vier oder fünf „Temperaturen“ hat, die sich eklatant von einander unterscheiden (je eine für die Strahlung, die Elektronen und alle positiven Ionen). Diese „Temperaturen“ sind jedoch nichts, was man mit einem Thermometer im herkömmlichen Sinne messen könnte.

Mit der Aussage, dass man im Orbit (im Schatten wohlgemerkt) eher friert als schwitzt, hast Du natürlich recht.

Michael

[deconstruct]

2. Und wieviel kostet ein Teleskop, mit dem man beispielsweise
   die angedockte Raumfähre vom Boden aus erkennen könnte? Bei
   Aldi gibt´s doch manchmal Teleskope. Taugen die was?

Wenn du von der Station auch wirklich was erkennen willst, d.h. die angedockte Fähre wirklich sehen können willst, dann brauchst du schon höherwertige Ausrüstung als ein Aldi-Teleskop, das höchstens zum Betrachten des Mondes reicht.

Du bräuchtest z.B. etwa ein 8-Zoll Spiegelteleskop mit einer guten Montierung und Nachführung. 1000 EUR kostet dich das schon. Mit so einer Ausrüstung könntest du dann solche Bilder machen:
http://www.martin-wagner.org/raumstation_durch_das_t…

[Ingo_von_Borstel]

Moin,

Hatten wir das nicht erst?

Ja.

Temperatur ist im physikalischen Sinn als Geschwindigkeit der
vorhandenen Teilchen (Luftmoleküle) definiert.

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die
das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei

Nein. Temperaturmessungen benötigen nicht notwendigerweise ein LTE. Nur muß man wissen, was man tut und vorsichtig mit den Interpretationen sein, wenn es nicht herrscht.
Aus dem Gerthsen:
„Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung. Wärmeenergie ist kinetische Energie dieser Bewegung. Temperatur ist ein lineares Maß für den Mittelwert dieser Energie“

Und damit ist Stuffis Definition vollkommen korrekt. Das ist unabhängig davon, daß man noch auf andere Weisen Temperatur messen kann. Diese Meßmethoden sind aber so zu kalibrieren, daß sie für einen schwarzen Körper dieser Definition genügen.

Gasen von hinreichend hohem Druck ist die Temperatur

definiere „hinreichend hoch“.

ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Gasteilchen
(die ihrerseits mit der Geschwindigkeit zusammen hängt).

was ist hieran der Unterschied zu Stuffis Ausführungen?

Wenn man es mit Gasen von sehr geringem Druck zu tun hat, kann
sich - aufgrund der von Dir beschriebenen Effekte - kein
thermodynamisches Gleichgewicht mehr einstellen. Wenn man also

Warum nicht?

rein formal die Teilchenbewegung in Kelvin misst, ist
diese Angabe keine Temperatur im eigentlichen Sinne. Ich weiß

Warum nicht?

wohl, dass man das in der Experimentalphysik so macht. Da kann

Aus gutem Grund.

es auch mal vorkommen, dass ein und dasselbe Plasma vier oder
fünf „Temperaturen“ hat, die sich eklatant von einander
unterscheiden (je eine für die Strahlung, die Elektronen und
alle positiven Ionen). Diese „Temperaturen“ sind jedoch
nichts, was man mit einem Thermometer im herkömmlichen Sinne
messen könnte.

Weil herkömmliche Thermometer auf Energieübertragung mittels Stoß beruhen oder - alternativ - über Vergleich mit Schwarzkörperstrahlung. Das hat aber ersteinmal nichts mit der Definition von Temperatur und der Gültigkeit einer Temperaturaussage auch für niedrig(st)e Drücke zu tun. Unberührt davon ist auch, daß verschiedene Meßmethoden immer zu abweichenden Ergebnissen führen können - im übrigen auch für die ganz normale Luft.

Gruß,
Ingo

[Michael_Bauer_c1319c]

Hallo!

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die
das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei

Nein. Temperaturmessungen benötigen nicht notwendigerweise ein
LTE. Nur muß man wissen, was man tut und vorsichtig mit den
Interpretationen sein, wenn es nicht herrscht.
Aus dem Gerthsen:
„Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung. Wärmeenergie ist
kinetische Energie dieser Bewegung. Temperatur ist ein
lineares Maß für den Mittelwert dieser Energie“

Vielleicht bin ich da einfach von meinem Prof zu sehr geprägt, der mal sinngemäß in einer Thermodynamik-Vorlesung sagte: „Der Temperatur-Begriff ist einer der schwierigsten in der gesamten Physik. Schauen Sie im Gerthsen nach: Selbst da steht es falsch drin.“

Ich finde ja die Überlegung, die Du zitierst, durchaus hilfreich. Aber nach allem was ich weiß, ist diese Geschichte nicht die Definition der Temperatur. Wenn Deine bzw. Stuffis Beschreibung über die Teilchenbewegung tatsächlich die vollständige Definition der Temperatur wäre, dann könnte man keine Temperatur für Hohlraumstrahlung angeben.

Ich sage ja nicht, dass das der Zusammenhang zwischen Temperatur und mittlerer kinetischer Energie und der Temperatur falsch ist, sondern dass es sich einfach um eine Eigenschaft der Temperatur handelt, aber nicht um ihre Definition.

Gasen von hinreichend hohem Druck ist die Temperatur

definiere „hinreichend hoch“.

ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Gasteilchen
(die ihrerseits mit der Geschwindigkeit zusammen hängt).

was ist hieran der Unterschied zu Stuffis Ausführungen?

Ich habe nicht gesagt, dass Stuffis Aussage falsch ist, sondern nur dass es nicht die Definition der Temperatur ist. Er hätte auch sagen können: „Masse ist definiert als molare Masse mal Stoffmenge.“ Die Formel ist zwar richtig, aber es ist nicht die Definition des Begriffs „Masse“.

Wenn man es mit Gasen von sehr geringem Druck zu tun hat, kann
sich - aufgrund der von Dir beschriebenen Effekte - kein
thermodynamisches Gleichgewicht mehr einstellen. Wenn man also

Warum nicht?

Lies nach.

rein formal die Teilchenbewegung in Kelvin misst, ist
diese Angabe keine Temperatur im eigentlichen Sinne. Ich weiß

Warum nicht?

s.o.

Michael

[Torsten]

Hallo,

Wenn man es mit Gasen von sehr geringem Druck zu tun hat, kann
sich - aufgrund der von Dir beschriebenen Effekte - kein
thermodynamisches Gleichgewicht mehr einstellen. Wenn man also

Warum nicht?

Um das ganze mal zusammenzufassen:
Die Geschwindigkeitsverteilung gleicher Teilchen im Gas folgt auch bei geringe Drücken der Maxwell-Verteilung.
In einem Niederdruck-Plasma sind Geschwindigkeiten der Gasteilchen und Ionen ebenfalls annährend maxwellverteilt. Ebenso annährend die der Elektronen, diese ist jedoch deutlich höher. Man hat also verschiedene Teilchenarten mit verschiedenen Temperaturen, wenn sich das Ganze nicht im thermischen Gleichgewicht befindet.
Rechnerisch kann man natürlich auch bei Gasen von wenigen mbar Druck von einer Temperatur sprechen.
Aber in der Thermosphäre von Außen- oder Lufttemperatur zu sprechen wie der Ausgangsposter halte ich nicht für sinnvoll.

Gruß
Torsten

[Ingo_von_Borstel]

Moin,
(… beschreibung der kin. Temperatur eines Mehr-Komponenten-Plasmas…)

Rechnerisch kann man natürlich auch bei Gasen von wenigen mbar
Druck von einer Temperatur sprechen.
Aber in der Thermosphäre von Außen- oder Lufttemperatur zu
sprechen wie der Ausgangsposter halte ich nicht für sinnvoll.

Es ist so sinnvoll wie die reellen Zahlen auf die komplexe Ebene zu erweitern. Es geht vieles ohne, für manche Sachen ist’s überflüssig, aber für andere ist’s einfacher, die molekularkinetische Definition der Temperatur zu verwenden.

Gruß,
Ingo

[Ingo_von_Borstel]

Moin,

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die
das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei

Mein TD-Skript definiert sie so:
„Für jedes thermodyn. System existiert eine intensive (Skalare) Zustandsgröße, die Temperatur genannt wird. Ihre Gleichheit ist notwendige und hinreichede Voraussetzung für das thermische Gleichgewicht zweir Systeme oder zweir Teile des gleichen Systems.“
http://www.tpi.uni-jena.de/qophysics/td/td.html

Ich finde ja die Überlegung, die Du zitierst, durchaus
hilfreich. Aber nach allem was ich weiß, ist diese Geschichte
nicht die Definition der Temperatur. Wenn Deine bzw.
Stuffis Beschreibung über die Teilchenbewegung tatsächlich die
vollständige Definition der Temperatur wäre, dann könnte man
keine Temperatur für Hohlraumstrahlung angeben.

Ich sage ja nicht, dass das der Zusammenhang zwischen
Temperatur und mittlerer kinetischer Energie und der
Temperatur falsch ist, sondern dass es sich einfach um eine
Eigenschaft der Temperatur handelt, aber nicht um ihre
Definition.

Vielleicht. Aber man muß etwas messen. Und dazu muß man eine Meßvorschrift definieren. Für Gase bieten sich hier, logischerweise, Gasthermometer an. Diese werden aber umso genauer je geringer der Druck ist. Die ideale Gastemperatur (und damit die Kelvin-Skala) ist definiert für den Limes verschwindenden Drucks (siehe obiges Skriptum). Und das schließt m.E. die Aussage aus, daß für geringe Drücke eine Temperatur nicht mehr ordentlich definiert werden kann.

Gruß,
Ingo

[Michael_Bauer_c1319c]

Hallo!

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die
das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei

Mein TD-Skript definiert sie so:
„Für jedes thermodyn. System existiert eine intensive
(Skalare) Zustandsgröße, die Temperatur genannt wird. Ihre
Gleichheit ist notwendige und hinreichede Voraussetzung für
das thermische Gleichgewicht zweir Systeme oder zweir Teile
des gleichen Systems.“
http://www.tpi.uni-jena.de/qophysics/td/td.html

Genau so meinte ich es.

Ich finde ja die Überlegung, die Du zitierst, durchaus
hilfreich. Aber nach allem was ich weiß, ist diese Geschichte
nicht die Definition der Temperatur. Wenn Deine bzw.
Stuffis Beschreibung über die Teilchenbewegung tatsächlich die
vollständige Definition der Temperatur wäre, dann könnte man
keine Temperatur für Hohlraumstrahlung angeben.

Ich sage ja nicht, dass das der Zusammenhang zwischen
Temperatur und mittlerer kinetischer Energie und der
Temperatur falsch ist, sondern dass es sich einfach um eine
Eigenschaft der Temperatur handelt, aber nicht um ihre
Definition.

Vielleicht. Aber man muß etwas messen. Und dazu muß man eine
Meßvorschrift definieren. Für Gase bieten sich hier,
logischerweise, Gasthermometer an. Diese werden aber umso
genauer je geringer der Druck ist. Die ideale
Gastemperatur (und damit die Kelvin-Skala) ist definiert
für den Limes verschwindenden Drucks (siehe obiges Skriptum).
Und das schließt m.E. die Aussage aus, daß für geringe Drücke
eine Temperatur nicht mehr ordentlich definiert werden kann.

Das Gasthermometer zeigt aber der Temperatur seines Füllgases an. Wenn der Druck des zu messenden Gases zu gering ist, dann stellt sich kein thermodynamisches Gleichgewicht mehr zwischen dem Thermometer und seiner Umgebung her. Und genau darin liegt die Schwierigkeit, auf die ich hinweisen wollte.

Ich denke, damit können wir die Diskussion abschließen. Dass die Aussage „die Thermosphäre hat eine Temperatur von bis zu 800°C“ irgendeine praktische Bedeutung hat, stand ja ohnhin außer Frage. Nur sollte man nicht vergessen, dass wegen des geringen Drucks diese Temperatur nicht dieselben Erscheinungen zeigt, wie bei Normaldruck. (Blei wird z. B. in den obersten Schichten der Atmosphäre durch das sehr heiße Restgas niemals bis zu seinem Schmelzpunkt erwärmt werden).

Michael

[DrStupid]

Moin,

Ist sie nicht. Die Temperatur ist als die Größe definiert, die
das thermodynamische Gleichgewicht charakterisiert. Bei

Mein TD-Skript definiert sie so:
„Für jedes thermodyn. System existiert eine intensive
(Skalare) Zustandsgröße, die Temperatur genannt wird. Ihre
Gleichheit ist notwendige und hinreichede Voraussetzung für
das thermische Gleichgewicht zweir Systeme oder zweir Teile
des gleichen Systems.“
http://www.tpi.uni-jena.de/qophysics/td/td.html

Ja, so habe ich das auch mal gelernt. Leider hilft das auch nicht wirklich weiter, wenn in einem System verschiedene unabhängige thermische Gleichgewichte nebeneiander vorliegen, wie es beispielsweise im Plasma der Fall ist. Da führt auch diese Definition zu mehreren unterschiedlichen Temperaturen für dasselbe System.

[Torsten]

Hallo

Es ist so sinnvoll wie die reellen Zahlen auf die komplexe
Ebene zu erweitern. Es geht vieles ohne, für manche Sachen
ist’s überflüssig, aber für andere ist’s einfacher, die
molekularkinetische Definition der Temperatur zu verwenden.

Natürlich macht es physikalisch Sinn, die mittlere kinetische Energie verschiedener Komponenten im Plasma in Joule oder Kelvin anzugeben. Nur hinsichtlich der Ausgangsfrage
Hat es in 330km Höhe tatsächlich 24°C? Ich dachte immer, dort oben wäre es saukalt…
eher nicht, da man bei geringem Druck eigetlich nicht von „Lufttemperatur“ sprechen kann. Darauf wollte ich eigentlich hinaus.

Gruß
Torsten

[Ingo_von_Borstel]

Moin,

Ich denke, damit können wir die Diskussion abschließen. Dass
die Aussage „die Thermosphäre hat eine Temperatur von bis zu
800°C“ irgendeine praktische Bedeutung hat, stand ja ohnhin
außer Frage. Nur sollte man nicht vergessen, dass wegen des
geringen Drucks diese Temperatur nicht dieselben Erscheinungen
zeigt, wie bei Normaldruck. (Blei wird z. B. in den obersten
Schichten der Atmosphäre durch das sehr heiße Restgas niemals
bis zu seinem Schmelzpunkt erwärmt werden).

Richtig. Der Unterschied liegt aber eben nicht in der Temperatur sondern in der Energiedichte (die wg. der geringen Massendichte gering ist).

Gruß,
Ingo