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Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

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Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All - Forum Physik.


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  #1  
Old 03-30-2005, 03:36 AM
Esim Can
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All



Hi,

eines DER Probleme langer Weltraumreisen ist die Schwerelosigkeit und die
damit verbundenen Nachteile auf den Organismus.

Eine rotierende Raumstation als Vision ist ja bereits in Stanly Qubricks
2001 filmisch umgesetzt worden.

Meine Frage ist: Wie groß müsste der Radius (bzw Durchmesser) eines solchen
rotierenden Systems im All sein, damit es für 2m große Wesen (Menschen) auf
dauer mit keinerlei körperlichen Nachteilen verbunden ist? Keine Übelkeit,
kein Knochenschwund, keine merkbaren Unterschiede zwischen der Anziehung
(bei Rotation fliehkraft) an den Füßen und in Kopfhöhe.

Gibt es da einen standard Radius o. ä? Ich hatte da mal was über 1,5 km
durchmesser gehört. Aber vielleicht kennt hier jemand eine genauere Angabe
zum Radius oder Durchmesser eines solchen rotierenden Systems.

Das Problem der Schwerelosigkeit müsste doch dann relativ einfach durch ein
solches rotierendes System - aus dem das Raumschiff (z. B. für den Flug zum
Mars) inkl. Antrieb usw. besteht - zu beheben sein oder?

Grüße

Esim


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  #2  
Old 03-30-2005, 06:59 AM
Mark Rossi
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

Benno Hartwig wrote:

Ich denke sogar, daß sie relativ kleinen Durchmessers sein sollte, da
ansonsten ihre Masse deutlich größer sein müßte, um die 'Unwucht Mensch'
auszugleichen bzw. klein im Vergleich zur Masse des Rades sein zu
lassen. Ein Taumeln der Achse des Schiffes sollte sich sehr negativ auf
die Steuerbarkeit und allgemein die Stabilität auswirken...

Ein großer Radius (sehr groß) sollte es allerdings möglich machen, sogar
an dem 'Habitat-Ring' anzukoppeln (Versorgung/Personalwechsel etc.), da
hier die Rotationsgeschwindigkeit leichter angeglichen werden kann. Ein
komplexes Manöver allemal.
Natürlich kann man auch eine Versorgung über die Achse in Betracht
ziehen. Wahrscheinlich wäre das sogar besser, da nun kein plötzlicher
Massenzuwachs eine Korrektur der Rotationsgeschwindigkeit erfordert (tut
sie das?). Aber es scheint ein paar Gründe zu geben, warum das nicht
favorisiert wird (Michael McCollum: "Der Antares Krieg"; dort wird genau
das Problem angesprochen). McCollum ist nach der Kurzbiographie ein
NASA-Ingenieur, was sich auch in seinen detaillierten realitätsnahen
Schilderungen der Technik zeigt.


mark

--
Wenn ein Buch und ein Kopf zusammenstoßen und es klingt hohl,
ist das allemal im Buche?
-- Georg Christoph Lichtenberg
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  #3  
Old 03-30-2005, 08:16 AM
Thomas Luehmann
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

"Benno Hartwig" <[Only registered users see links. ]> schrieb:


Da man sowas wohl für Langzeitmissionen bauen würde, müsste man schon Wert drauf
legen, dass sich der Astronaut halbwegs wohlfühlt. Und das bedeutet, dass die
durch Rotation erzeugte Fliehkraft sich in Kopfhöhe nicht allzustark von der
in Fußhöhe(=Boden) unterscheidet. Unter der Annahme, dass 1% Unterschied auf
2 Meter noch akzeptabel (aber sicherlich spürbar) ist, komme ich so auf einen
Radius von 200 Metern.
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  #4  
Old 03-30-2005, 08:59 AM
Roland Damm
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

Moin,

Mark Rossi hat geschrieben:


Die ganze Rotiererei wirkt sich sehr negativ auf die
Manövrierbarkeit aus.

Mal ausgeholt: Eine Raumstation die um die Erde kreist, wird wenn
sie dermaßen rotiert ihre Rotationsachse raumfest behalten.
Eventuell kann es glücken, daß die Rotationsachse immer Richtung
Sonne zeigt was sicher praktisch wäre wegen Solarzellen, Kühlung
und so. Dennoch wird die Station mal mit dem einen Ende voran, mal
mit dem anderen um die Erde kreisen. Wenn man jetzt die Bahn
erhöhen will, was immer mal wieder vorkommt, dann muß man das
energiesparenderweise mit einem Hohmannübergang machen, also zwei
Schubimpulsen in Flugrichtung die n+1/2 Umkreisungen nacheinander
passieren. Also muß man zwischen den beiden Schüben entweder die
Station umdrehen, oder man braucht zwei Haupttriebwerke, eines
vorne das andere hinten. Beides nicht gerade erwünschte Sachen. Und
obendrein, wieso sollte man eine Forschungsstation im Weltraum
betreiben, auf der man noch nicht einmal in Schwerelosigkeit
forschen kann.

Bei einem Raumschiff, das zum Mars fliegen soll ist die Sache schon
eher sinnvoll. Das Problem mit den Schubrichtungen gibt es da zwar
auch, aber das wäre im Anbetracht der Vorteile vielleicht zu
verschmerzen. Die Drehung der Rotationsachse wäre dabei aber
bestimmt nicht mehr mit Hilfe von Gezeitenkräften oder so machbar,
sondern muß mit Triebwerksschub erbracht werden.


Wohl eine ausgesprochen dumme Idee. Das Raumschiff müßte dafür für
eine Zeit so viel Schub aufbringen, wie der Erdschwerkraft
entspricht. Das schaffen derzeitige Raumflugsysteme gerademal beim
Start und zu großen Kosten. Des weiteren müßte die Ankopplung
stabil genug sein, das Gewicht der Raumfähre zu tragen. Mächtig
viel überflüssiger Ballast.


Das wäre noch das geringste Problem.

Übrigens kann so eine rotierende Raumstation nicht ins Eiern geraten
und hat keine Probleme mit einer Umwucht. Sie rotiert einfach um
ihrer Schwereachse die dann eventuell nicht mehr die Symmetrieachse
ist, aber was solls.

CU Rollo
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  #5  
Old 03-30-2005, 09:03 AM
Roland Damm
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

Moin,

Esim Can hat geschrieben:


Das menschliche Empfinden für den Betrag der Schwerkraft ist sehr
schlecht. Das machen sich Flugsimulatoren zu Nutze, indem sie
seitliche Kurvenfliehkräfte einfach durch Schrägstellung der Kanzel
simulieren. Man sitzt dann quasi schief im Sitz, merkt aber
garnicht, daß die Gesamtbeschleunigung die man erfährt geringer
ist, als eine echte Addition von Schwerkraft plus Fliehkraft.
Wie stark sie also die Schwerkraft zwischen Kopf und Fuß
unterscheidet, ist IMO gar nicht so ein Problem. Viel kritischer
sind die Corioliskräfte. Man will ja nicht jedesmal, wenn man sich
zum Schuhe-Zubinden bückt, auf dem Kopf oder den Hintern fallen -
je nachdem in welche Richtung man gerade mit der Nase zeigt. Die
elendige Diskussion mit für oder wieder Pinkeln im Stehen dürfte
sich auch schnell erledigen...

Jedenfalls würde Mensch diese Corioliskräfte viel deutlicher spüren,
als die unterschiedliche Schwerkraft je nach Höhe.

CU Rollo
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  #6  
Old 03-30-2005, 09:34 AM
Alexander Pollok
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All



Die Fliehkraft wirkt doch nur auf die Füße, oder?
Von da wird sie dann auf den ganzen Körper verteilt,
wobei die Füße etwas mehr abbekommen, aber das tun sie ja auf der Erde
auch (da tragen die Füße auch 70 kg und der Hals 15 kg).

Davon abgesehen stelle ich mir das spaßig vor, in der Mitte so einer
rotierenden Scheibe zu schweben und meinen Kollegen beim Arbeiten
zuzuschauen.
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  #7  
Old 03-30-2005, 09:48 AM
Gernot Zander
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

Hi,

in de.sci.physik Thomas Luehmann <[Only registered users see links. ].de> wrote:

Wobei ich tippe, dass nicht die geringere Fliehkraft in Kopfhöhe
die entscheidende Rolle spielt, sondern die Corioliskraft, die
einen auf die Schnauze oder auf den Hintern fallen lässt beim
Aufstehen/Hinsetzen, je nachdem, in welche Richtung man gerade
schaut. Und eben weil sich die Kopf-Beschleunigungs-Richtung je
nach Körperrichtung ändert, kann man sich vermutlich auch nicht
gut daran gewöhnen.
Aber auch das dürfte bei den 200 m dann akzeptabel sein.

mfg.
Gernot

--
<[Only registered users see links. ]> (Gernot Zander) [Only registered users see links. ] *Keine Mailkopien bitte!*
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`---------------' Widerstand ist zwecklos! (Martin Wysada)
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  #8  
Old 03-30-2005, 10:09 AM
Mark Rossi
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Roland Damm wrote:


Bitte? Wenn die Achse Richtung Sonne zeigt, dann ist immer dieselbe
(Halb-)Seite des Habitatringes der Sonne zugewandt. So etwas versucht
man _immer_ zu vermeiden. Die Temperatur- und Strahlenbelastung des
Materials sowie der Personen direkt dahinter wäre viel zu hoch. Deshalb
rotieren m.W. auch die zylindrischen Stationen.
Sinnvoller wäre doch eine tangentiale Lage der Achse zur Sonne, damit
-- aufgrund der 'hohen' Rotationsgeschwindigkeit des Ringes -- die
Wärmebelastung der aktuell bestrahlten Ringsegmentsoberfläche nur von
kurzer Dauer ist.



Du vergißt, daß es hier um den Habitatring geht. Forschen kann man
immernoch in der schwerelosen Achse. Aber Langzeitaufenthalte werden für
die Astronauten nicht mehr zum Gesundheitsrisiko.



Interessehalber: wie drehe ich einen rotierendes Schiff mittels der
(welcher?) Gezeitenkräfte?



Den Punkt sehe ich jetzt zwar nicht, wenn ich von einer Annäherung aus
Achsrichtung ausgehe, dann muß das Versorghungsschiff 'lediglich' in
eine Spiralbahn gebracht werden, deren Schnittpunkt mit der Ringfläche
gerade am Ringradius liegen muß und mit möglichst wenig
Überschußgeschwindigkeit. Also ein zu komplexes Manöver...



Das ist ein Punkt. Der würde aber auch bei kleinen Radien und hohen
Rotationsgeschwindigkeiten auftreten... Also ist prinzipiell nur ein
Ankoppeln an der Achse nötig. Dort muß lediglich die Längsdrehung des
Versorgers an die der Achse angepaßt werden, was beim Bedienungspersonal
dort sicherlich einige Übelkeit erzeugen sollte (negative
Beschleunigung?; oder auf der Schiffsinnenhülle stehen).



Damit dürfte ein Schiff aber endgültig unsteuerbar werden. Immerhin
sollte der Antrieb möglichst senkrecht zum Ring und in dessen
Rotationsachse angreifen um unkontrolliertes Trudeln zu vermeiden.

Also hilft wohl nur (wie bereits oben erwähnt): (a) keine Andockmanöver
am Ring (b) hinreichend große Masse des Ringes, damit es durch
'bewegliche Masse' aka Astronauten nicht zu Schwerpunktsverschiebungen
kommt.

mark

--
Q: How do you save a drowning lawyer?
A: Throw him a rock.
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  #9  
Old 03-30-2005, 11:18 AM
Roland Damm
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Default Rotation zur aufhebung der Schwerelosigkeit im All

Moin,

Mark Rossi hat geschrieben:


Und die bepinselt man dann mit reflektierender Farbe.


Man braucht dann den Strahlenschutzschild nur dort anzubringen und
nicht überall.


Welche? Skylab? ISS? MIR? alle rotationsfrei. Hatten alle schön die
Sonnenkollektoren zur einen Seite, die Radiatoren (Wärmeabfuhr)
senkrecht dazu. Bei einer rotierenden Station passt das nicht mehr.


Wechselnde Wärmebelastung. Mag nicht so in Gewicht fallen bei der
hohen Frequenz, aber Wechselbelastungen sind nicht so beliebt.


Es ist auch bei der ISS schon so, daß allein die Anwesenheit von
Menschen wegen der damit einhergehenden Erschütterungen einem so
manches Experiment versaut. Wie viel mehr gilt das dann, wenn eine
große Mechanik vor sich hin rotiert? Ach ja, ich gehe mal davon
aus, daß wenigstens ein Teil der Station nicht rotiert.


Weiß nicht, ob das geht. Ich weiß, daß es für Satelliten eine sog.
Sonnensynchrone Bahn gibt, also eine Bahn die z.B. immer das ganze
Jahr über den gleichen Winkel zur Sonnenrichtung hat. Dafür muß die
Bahn mit einer Inklination (Winkel Bahn zu Äquator) größer 90°
sein, der Sattelit also ein bischen regenläufig gegen die Erde
rotieren. Dann wird die Bahn des Sat durch die Unrundheit (den
Äquatorwulst) der Erde stetig so gekippt, daß sie sich synchron mit
der Sonne um die Erde dreht also eine Drehung pro Jahr. Ob man bei
so einer rotierenden Raumstation sowas auch hinbekommt, weiß ich
nicht. Das Problem ist immerhin ein anderes (es geht ja um die
Rotation der Station um sich selbst und nicht um die um die Erde).
Ich könnt's mit aber vorstellen.


Ein tangentialer Vorbeiflug. Und dann im richtigen Augenblick an der
richtigen Stelle sein und ganz doll festhalten. Na ja, wenn man das
vermeiden kann, dann würde man es wohl vermeiden wollen.


Wenn der Schub für sagen wir genau eine Umdrehung aufrechterhalten
wird? Unter Annahme eines kleinen Schubes mitteln sich dann die
Abweichungen heraus. Und so perfekt ausbalanciert bekommt man die
Station sowieso nicht, egal ob sie sich dreht oder nicht. Auch beim
Schub bei einer nicht-rotierenden Station wirken sich
unausgeglichene Massen (= Schub nicht in Richtung Schwerpunkt) so
aus, daß sie die Station in Rotation versetzen.


Ich glaube kaum, daß man zusätzliche Massen einbauen wird, nur um
ein Problem zu verringern, daß man durch ein paar Quadratmilimeter
mehr gut programmiertem Silizium verhindern kann. Sprich
Steuerdüsen braucht man sowieso einige. Der Rest ist
Regelungstechnik.

CU Rollo
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  #10  
Old 03-30-2005, 01:44 PM
Mark Rossi
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Roland Damm wrote:


Das ist allerdings ein Argument. Hm.



Hmm, das ist jetzt nicht förderlich für meine Argumentation (;-), aber:
Hab ich mal in einem Bericht gesehen und die Kommentare der Astronauten
dazu gehört. Und dann nicht mal den Namen des Raumfahrzeugs gemerkt. Ohje.



Ja eben. Die Frequenz der Wechsel wäre relativ hoch und da Abkühlung und
Aufheizung Prozesse mit endlichem \Delta t sind, sollte sowas wie eine
um einen Mittelwert schwankende Temperaturkurve (im Material)
herauskommen. Wenn nur eine Seite stark erwärmt wird und die andere
Seite garnicht -- das \Delta T also sehr groß ist: sollten dann die
Materialspannungen nicht derart extrem sein, daß ein Mikrometeorid das
Ding platzen lassen würde, wie ... naja, man denke sich was Adäquates ;-) ?



Achso, Du gehst vom Antrieb im Ring aus? Mein Ansatz war (aus Platz- und
anderen Gründen), daß der Antrieb in der Achse steckt. Dann würde ein
nichtaxialer Schwerpunkt bei einem Schubvektor in Achsrichtung
unweigerlich zu einer Kippbewegung führen (nicht nur zu einem Taumeln).
In Kombination mit der Drehbewegung ist Stabilisierung dann sicher ein
nichttriviales Problem.

Eine prinzipielle Frage wirft sich dabei auch auf: Die Rotation sollte
ja stabilisierend wirken (siehe Kreiselsysteme in Satelliten). Ist das
Ringraumschiff wirklich so anfällig gegen 'kurzzeitige' Unwuchten, bei
einem dermaßen massereichen 'Kreisel'?



Das auf jeden Fall. Man darf nur nicht vergessen, daß zwischen Erde und
Mars nicht viel Treibstoff (oder Gas zum Ausstoßen) am Wegesrand liegt
und es ein v... sehr langer Weg ist...


Welche Ansätze verfolgt man denn bei der ESA/NASA diesbezüglich? Gibt es
da Quellen? Wie stellen die sich die interplanetare Raumfahrt vor? Denn
das Schwerkraftproblem ist wirklich eines. Waren nicht auch schwere
Depressionen eine der 'Entzugserscheinungen'? Von dem bereits genannten
physiologischen Problemkreis einmal abgesehen.


mark

--
Ich würde ein Eis essen gehen.
-- Erkan Yanar in d.c.o.u.l.m
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Tags
aufhebung , der , rotation , schwerelosigkeit , zur


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