Wie simuliert die NASA die Schwerelosigkeit auf der Erde, um Geräte zu testen?

Bevor Geräte oder Hardware in den Weltraum geschickt werden, werden sie normalerweise gründlich getestet, um sicherzustellen, dass sie den extremen Bedingungen im Weltraum standhalten. Von kalten Temperaturen bis hin zu Strahlung – der Weltraum ist eine harte Belastung für die Ausrüstung, aber auch die Hardware funktioniert im Weltraum aufgrund der unterschiedlichen Schwerkraft anders als auf der Erde. Wie simulieren Organisationen wie die NASA dann die Schwerelosigkeit auf der Erde?

Astronauten testen ihr Können im Neutral Buoyancy Laboratory (NBL), einem riesigen Becken mit 6,2 Milliarden Gallonen Wasser. Dank der Größe können Astronauten mit lebensgroßen Modellen arbeiten, um sich auf ihre Reise ins All vorzubereiten. Aber das NBL dient nur dem Astronautentraining und nicht dem Testen von Ausrüstung, um zu sehen, wie sie sich im Weltraum schlagen würde.

Das wirft die Frage auf: Können wir auf der Erde Schwerelosigkeit erzeugen? Und wie zuverlässig ist es für Testgeräte, die in den Weltraum geschickt werden? Lass es uns herausfinden.

Parabelflüge helfen dabei, die Bedingungen der Schwerelosigkeit auf der Erde nachzubilden, indem sie bis zu 40 Sekunden „freien Fall“ ermöglichen. Die Ursprünge des Parabelflugs zur Simulation der Schwerelosigkeit reichen bis ins Jahr 1950 zurück, als er erstmals von Forschern der Brooks Air Force Base in Texas vorgeschlagen wurde. Bis 1959 konnten Piloten in einem C-131B-Frachttransporter, der groß genug war, um sowohl Astronauten auszubilden als auch Ausrüstung zu testen, einen freien Fall von 10 bis 15 Sekunden erreichen. Dies war Teil des Reduced Gravity Program der Air Force, das 1957 begann und seit 1973 von der NASA durchgeführt wird.

Diese Flüge funktionieren, indem sie in Form einer Parabel fliegen. Das Flugzeug beginnt zu beschleunigen, und dann hält der Pilot an. Wenn das Flugzeug mit ausreichend hoher Geschwindigkeit steigt, führt der Pilot einen Pushover durch, der den Schub reduziert, wodurch die Insassen und die Ausrüstung im Flugzeug mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Flugzeug absinken können.

Der Parabelflug ist eine kostengünstige und häufig verwendete Methode zur Simulation der Schwerelosigkeit auf der Erde (oder zur Simulation der Schwerkraft auf dem Mond oder dem Mars), ist jedoch durch die Dauer begrenzt.

Bei Systemen zur Schwerkraftentlastung wird ein kranähnliches Gerät verwendet, um das Gewicht eines Menschen oder einer Ausrüstung abzuladen und so die Schwerelosigkeit, die Schwerkraft des Mondes und die Schwerkraft auf dem Mars zu simulieren. Das Active Response Gravity Offload System (ARGOS) ist ein großes Gerät im Johnson Space Center der NASA. Mithilfe eines Kabelwinkelsensors verfolgt und verfolgt es aktiv Bewegungen. Dies bedeutet, dass Ausrüstung und Raumfahrzeuge bewegt und mit ihnen interagiert werden können und ARGOS das simulierte Schwerkraftniveau beibehält. Ähnliche Effekte können mit einem komplexen Gewichts- und Flaschenzugsystem erzielt werden, um die Auswirkungen der Schwerkraft der Erde abzufedern – ein System, das Ingenieure zum Testen des James Webb-Weltraumteleskops verwendeten.

Während es sich bei ARGOS um ein großes Gerät handelt, gibt es kleinere Schwerkraftentlastungstische, die sich perfekt zum Testen von Geräten eignen. Das Goddard Space Flight Center der NASA verfügt über einen Tisch, der aus einem großen Stück polierten und geebneten Granits besteht. Dank des Schlittens, auf dem sie platziert sind, sind sie tatsächlich in der Lage, Testgeräte auf dem Tisch „schweben“ zu lassen – Luftlager erzeugen eine dünne Luftschicht unter dem Schlitten, die ihn auf dem Tisch schweben lässt. „Es ist im Grunde wie ein umgekehrter Airhockey-Tisch“, sagte Joe Easley, Robotik-Demonstrations- und Testingenieur von NASA Goddard.

Der Nachteil von Schwerkraft-Entladesystemen besteht darin, dass sie nicht immer die sechs Richtungen bieten, in die man Dinge in der Schwerelosigkeit bewegen kann – der Schwerkraft-Entladetisch bietet beispielsweise nur drei Freiheitsgrade, was die Genauigkeit einschränken kann.

Die NASA verfügt außerdem über eine spezielle Zero-Gravity-Forschungsanlage am Glenn Research Center, die seit 1966 in Betrieb ist. Sie arbeitet mit einer 467 Fuß langen Vakuumkammer aus Stahl. Eine Vakuumpumpe reduziert den Druck auf 0,05 Torr. (Zum Vergleich: Der Standardatmosphärendruck beträgt 760 Torr.) Anschließend lässt ein Kran die Ausrüstung oder das Experiment in die Vakuumkammer fallen, und die Forscher haben 5,18 Sekunden Zeit, um es im freien Fall zu untersuchen. Der Nachteil dieser Methode ist wie beim Parabelflug die kurze verfügbare Zeit sowie die Gewichtsbeschränkung von 2.500 Pfund.

Forscher suchen immer nach neuen Möglichkeiten, Hardware und Experimente zu testen, bevor sie in den Weltraum geschickt werden. Aber heutzutage, da die Kosten für den Zugang zum Weltraum sinken, wird die Internationale Raumstation oft als Testumgebung für Hardware genutzt, anstatt herauszufinden, wie wir auf der Erde Schwerelosigkeit erzeugen können.

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