Schwerkraft, 1 G, was ist das?

Im täglichen Leben erfahren wir Schwerkraft als das eher spaßbremsende Etwas, das uns am Boden hält. Unser Planet kreiert ein Gravitationsfeld, und dieses zieht Objekte an – die jeweilige Ausprägung dieser Kraft ist abhängig von der Distanz zwischen dem Mittelpunkt der Erde und der Mitte des jeweiligen Objektes. Die Schwerkraft, die auf der Erdoberfläche auf uns wirkt, bezeichnen wir üblicherweise als 1 G (also 1x die Erdschwerkraft, wobei G die universelle Gravitationskonstante ist).  Etwas detaillierter ist 1G die Beschleunigung eines Objekts Richtung Erdmittelpunkt, die durch die Schwerkraft entsteht.

Das gilt für die Situation auf Meereshöhe – gehe ich zum Beispiel an einem Atlantikstrand spazieren, zieht mich die Schwerkraft mit einem Wert von 1 G nach unten, das sind in etwa 9.8 Meter pro Sekunde². Je weiter ich mich vom Erdmittelpunkt entferne, desto kleiner wird diese Kraft. Würde ich am Mount Everest stehen, würden dort nur noch 0.9972 G auf meinen Körper einwirken. Was den Aufstieg allerdings nur gering erleichtert.

Menschen und Schwerkraft

Unser Körper ist ein Zusammenspiel verschiedenster physiologischer Systeme. Alle sind exakt an die Naturbedingungen angepasst, die wir auf der Erde vorfinden – also auch den Grad der Schwerkraft.

Unsere Körper sind dafür gebaut, dass wir uns im Schwerkraftfeld relativ mühelos bewegen können. Unbewusst arbeiten wir jedoch ständig dagegen an. Stehen Sie in der Früh aus dem Bett auf, muss Ihr Herz beispielsweise plötzlich gegen die Schwerkraft arbeiten, um Blut „nach oben“, also Richtung Gehirn, zu manövrieren. Gleichermaßen muss das Blut auch irgendwie aus den Beinen wieder zurück zum Herzen finden. Um zu ermöglichen, dass Sie aufrecht stehen können, brauchen Sie die Unterstützung Ihrer Antischwerkraft-Muskeln. Diese befinden sich hauptsächlich in Ihren Beinen und im Rücken: Der Quadrizeps (im Oberschenkel, winkelt das Knie ab und an), die Glutealmuskeln (das Gesäß), die Wadenmuskulatur, zusammen mit Muskeln rechts und links der Wirbelsäule (der Erector spinae), sind die Wichtigsten davon. Sie sind, solange wir uns aufrecht halten, in einem Zustand ständiger Aktivität. Der Quadrizeps ist deswegen auch einer der Muskeln, die am schnellsten an Masse und Funktion verlieren, wenn man sie nicht benutzt (wenn man zum Beispiel längere Zeit einen Gips trägt oder im Bett liegt).

Ebenso sind unsere Knochen von Schwerkraft geprägt. Die nur mikroskopisch erkennbaren Strukturen in ihnen folgen dynamischen Vorgängen: die Struktur ändert sich permanent, um sich den Gegebenheiten anzupassen – um sich der Schwerkraft anzupassen. Kleine Erschütterungen, die zum Beispiel beim Gehen entstehen, sind wichtig für die Knochendichte: der Knochen fühlt die Belastungen und will sich davor schützen. Somit baut er mehr Substanz ein. Das ist einer der Gründe, warum bettlägerige Menschen rasch an Knochensubstanz verlieren.

Selbst unser Innenohr – zuständig für Koordination und Orientation – ist abhängig von der Schwerkraft. Die Otolithen, mit deren Hilfe wir Beschleunigungen wahrnehmen, kalibrieren sich nach der Schwerkraft.

Mikrogravitation

Stellen Sie sich vor, Sie besteigen ein Raumschiff und lassen sich ins Weltall schleudern. Eines der ersten Dinge, die Ihnen auffallen wird: die Schwerelosigkeit bewirkt, dass Sie schweben!

Statt den Begriffen Schwerelosigkeit oder zerogravity bevorzugen viele Forscher den Begriff Mikrogravitation (vom griechischen Wort mikros – klein), da selbst im Weltall die Schwerkraft nie tatsächlich bei null liegt, sondern lediglich sehr, sehr klein ist. Auf der ISS (die Internationale Raumstation) zum Beispiel wirken immer noch G-Kräfte auf die Astronauten, ausgehend von den Gezeiten der Erde, den anderen Astronauten, dem Raumschiff, der Sonne, etc..

Die Funktion eines Systems lässt sich oft besonders gut erforschen, wenn man dieses ausschaltet.

Um die Schwerkraft und ihre Auswirkungen zu studieren, brauchen wir also Mikrogravitation. Sie kann auf zwei Arten erzeugt werden:

Einerseits vermindert die Schwerkraft sich mit zunehmender Distanz der beiden Objekte, zwischen denen sie wirkt. Nehmen wir als Beispiel die Erde und Sie selbst. Um sich von dem Planeten zu entfernen, könnten Sie sich in ein Raumschiff setzen und ihm entfliegen. Wenn Sie den Punkt erreichen möchten, an dem die Erdschwerkraft ein Millionstel geringer ist als auf der Erdoberfläche, müssten Sie mit diesem Raumschiff eine Distanz von 6.37 Millionen Kilometer zurücklegen. Das ist 17 Mal weiter als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Eine relativ unpraktische Lösung.

Als zweite Möglichkeit bietet sich der freie Fall an. Mit diesem können wir Mikrogravitation direkt auf der Erde erzeugen: zum Beispiel in Falltürmen, während Parabelflügen oder auch auf Achterbahnfahrten. Diese Methoden allerdings haben einen Haken: Nach einigen Sekunden der Schwerelosigkeit ist unser Planet im Weg und stoppt den freien Fall.

Um längere Perioden von Mikrogravitation zu erleben, benötigt man ein Raumschiff oder eine Raumstation. Bewegen diese sich im Orbit um die Erde, und zwar mit der exakt richtigen Geschwindigkeit und in einer konstanten Entfernung, verharren sie im freien Fall um den Planeten. Die ISS befindet sich etwa 400 Kilometer von der Erde entfernt, fällt um den Planeten, und ermöglicht so schwerelose Bedingungen. Befände sie sich nicht im freien Fall, würden selbst dort noch etwa 0.9 G auf die Crew wirken.

Die ISS ist also das beste Schwerelosigkeitslabor, das uns derzeit zur Verfügung steht. Der Nachteil ist offensichtlich: Die Station beherbergt eine relativ kleine Crew, die haben natürlich ein begrenztes Arbeitspensum (Zeit muss bleiben für 1.5 Stunden Sport pro Tag!), dem gegenüber steht eine Masse an Wissenschaftlern, die ihre Forschung gerne schwerlos sähen. Es wird also genauestens ausgewählt, welche Experimente tatsächlich ins All geflogen werden. Glücklicherweise gibt es Alternativen: Für Studien der Weltraumphysiologie eignen sich zum Beispiel Bettruhestudien, Parabelflüge, oder in manchen Fällen auch Analogmissionen auf der Erde.