ISS International Space Station Den Internationale Rumstation Produceret af SKOLESERVICE Tycho Brahe Planetarium & Omnimaxteater skoleservice@tycho.dk, www.tycho.dk Forfatter: Niels Elbrønd Hansen Grafisk tilrettelæggelse: Susanne Armand Andersen
International Space Station Den Internationale Rumstation Menneskets trang til udforskning Udforskningen af vores omverden har til alle tider betaget mennesker. Vores forældre og bedsteforældre har været fascineret af de store opdagelsesrejser - Marco Polos rejser til Østen i sidste halvdel af 1200-tallet, Columbus opdagelse af Amerika i 1492, Magellans rejse omkring Jorden i 1519 og James Cooks udforskning af Stillehavet. Fra sit skib Endeavour iagttog Cook bl.a. i 1769 en Venuspassage, der gjorde ham i stand til at bestemme afstanden til Solen til 153,3 mio. km en værdi der ligger meget tæt på den afstand, som vi i dag kender. Den sidste Venuspassage fandt sted i 1882, og vi venter på den næste, der kommer i 2004. Danske opdagelsesrejsende, som fx Hans Egede, Ludvig Mylius-Erichsen og Knud Rasmussen, har bidraget til udforskning af de arktiske egne, ikke mindst Grønland. I 1785 foretog man den første ballonfærd over Kanalen, senere blev flyvemaskinen og ubåden opfundet. Mennesket havde nu så at sige erobret hele Jorden. Men menneskets nysgerrighed og trang til at forstå naturen og ikke mindst kappes med naturen vil hele tiden fortsætte denne udforskning af vores omverden. Lige siden Newton i 1687 bragte forudsætningerne i orden, er tanken om at sende raketter ud i rummet lige så stille blevet modnet. Først som science fiction hos forfattere som Jules Verne, men allerede tidligt i forrige århundrede tog den mere seriøse udvikling fart. I 1903 udgav en russisk skolelærer, Konstantin Tsiolkovsky, bogen En udforskning af det kosmiske rum ved hjælp af reaktionsapparater, hvor han sammenfatter sine teoretiske overvejelser af betydning for rumflyvning. Hermann Oberth udgav i 1923 bogen Die Rakete zu den Planetenräumen en bog der blev slugt af en 13-årig dreng ved navn Wernher von Braun. Han er, om nogen, raketternes fader. Udviklingen af raketter startede i Tyskland, og efter afslutningen af 2. verdenskrig indgik Wernher von Braun en aftale med amerikanerne, der gjorde ham til en frontfigur i NASA s rumprojekter. Første satellit i rummet blev dog russernes Sputnik I, der blev sendt i kredsløb omkring Jorden 4. oktober 1957, og amerikanerne fulgte trop et par måneder senere med Explorer I. Russeren Yuri Gagarin blev den 12. april 1961 første mand i rummet. Det fik den amerikanske præsident John F. Kennedy til at iværksætte et enormt prestigefyldt program for at få den første mand bragt til Månen inden udgangen af det samme årti og især før russerne. Det lykkedes 20. juli 1969, hvor Neil Armstrong forsigtigt satte sin NASA-støvle ned i det bløde månestøv og udtalte de berømte ord: That s one small step for man, one giant leap for mankind. 2
Næste trin i udviklingen er rumfærgerne, som kan bringes til landing igen og genbruges. Her dukker navnet Endeavour atter op, nu som navnet på en af de rumfærger, der transporterer udstyr og personer til og fra Den Internationale Rumstation. En rumstation kan betragtes som en kæmpemæssig jordsatellit, der kredser omkring Jorden ganske som andre satellitter et kæmpemæssigt hotel i verdensrummet med plads til en hel stab af teknikere og forskere. Wernher von Braun tænkte sig en rumstation bygget som et stort roterende hjul, hvor laboratorierne, opholds- og arbejdsrummene ligger yderst i hjulkransen. I midten af hjulet skal der så være start og landingspladser for rumskibe med kurs mod Jorden, Månen eller planeterne. Von Braun forestillede sig en sådan rumstation anbragt i kredsløb om Jorden i en bane på 500-1.000 km højde. Rumstationens hastighed i denne bane skulle være omkring 8 km/s. 300 års udvikling efter Newton inden for fysik og teknologi har gjort opsendelsen af Den Internationale Rumstation mulig. Udseendet blev ikke som von Braun forestillede sig, men drømmen er gået i opfyldelse. Med Den Internationale Rumstation er der føjet endnu et led til kæden af store opdagelser og udforskninger af omverdenen. Et led, der forhåbentlig fører til ny viden og erkendelse. Den Internationale Rumstation er et samarbejde, der bygger på videnskabelig og teknologisk erfaring i ikke mindre end 16 lande. Den næste store drøm er et storstilet internationalt samarbejde. Der kræves omfattende studier af langtidsvirkninger ved påvirkning af mikrogravitation, før det første skridt til en bemandet flyvning til Mars og tilbage igen kan realiseres. 3
International Space Station Fra beslutning til virkelighed 1984 USA s præsident Ronald Reagan inviterer Japan, Canada og 10 af ESA s medlemslande heriblandt Danmark til at planlægge en rumstation med navnet Freedom 1987 Projektet bliver godkendt af Kongressen og Senatet 1988 Samarbejdet landene imellem bliver formaliseret 1991 Projektet redesignes og godkendes i Kongressen med stort flertal. Europa genovervejer sin deltagelse 1993 Projektet redesignes på ny til en modulær rumstation. På præsident Clintons anbefaling inviteres Rusland med i samarbejdet, og de accepterer. 1994 Russernes deltagelse og deres erfaringer med Mir sikrer måske godkendelsen af rumstations budgettet i Kongressen med få stemmers flertal. Canada genovervejer sin deltagelse 1995 Projektet får navnet International Space Station. Europa bekræfter sin deltagelse i Rumstatio nen. 1998 Zarya - det første modul opsendes 20. november med en russisk Proton raket Unity - det andet modul opsendes 4. december med rumfærgen Endeavour 1999 Værktøj og kraner sendes op med Discovery 27. maj 2000 Rumfærgen Atlantis opsendes 19. maj der laves forberedelser til ankomsten af den første permanente stab Zvezda servicemodulet opsendes 12. juli 8. september Atlantis opsendes, der laves yderligere forberedelser 11. oktober Discovery transporterer rammeværket Z1, et integreret sammenkoblingssystem, samt et servosystem til styring af solpanelerne 31. oktober, første stab bestående af Willliam M. Sheppard, Yuri Pavolich Gidzenko og Sergei K. Krikalev opsendes med en russisk Soyuz raket fra Baikonur i Kazakhstan 30. november bringer Endeavour 17 ton udstyr til Rumstationen, bl.a. et 73 m langt solpanel 2001 Destiny det amerikanske laboratorium opsendes med Atlantis 7. februar 8. marts opsendes 2. stab bestående af Yury Usachev, James Voss og Susan Helms 19. april opsendes Endeavour med robotarmen Canadarm2 12. juli opsendes Atlantis med den fælles luftsluse 10. august opsendes Discovery med den 3. stab bestående af Frank Culbertson, Vladimir Dezhuroy og Mikhail Tyurin 16. september ankommer det russiske sammenkoblingsmodul 5. december afløses besætningen af 4. stab 2002 8. april medbringer Atlantis bærebjælker (S0) I løbet af juni måned ankommer 4. stab til Rumstationen 5. juni afløser den femte besætning kollegerne på Rumstationen 24. november opsendes den sjette besætning og den tredje del til hovedbommen 2003 1. februar forulykker rumfærgen Columbia over Texas umiddelbart før landing 26. april 2003 opsendes den syvende besætning fra Baikonur-rumcenteret Der har desuden været en del forsyningsflyvninger. En mere detaljeret beskrivelse kan findes på http://cph.ing.dk/tema/iss/index.html 4
International Space Station Teknisk beskrivelse Start på ISS ISS forventes færdig Opsendelser i alt 20. november 1998 2008 45 Længde Bredde Masse Banevinkel Banehøjde Hastighed Omløbstid Atm. tryk Volumen under tryk Besætning Solpanelets areal Energiforsyning Inden ISS er færdigbygget skal der opsendes mere end tyve moduler: 8 russiske moduler Kontrolmodulet Zarya (russisk for morgenrøde/begyndelse), Servicemodul (SM), 2 sammenkoblingsenheder (DC), Energimodul (SPP), Generel sammenkoblingsmodul (UDM), 2 lagringsmoduler (DSM), Forskningsmodul (RM), Nødforsyningsmodul (LSM) 108,6 m 79,9 m 450 ton 51,6 370-460 km 7,7 km/s 90 min 101,3 kpa 1303 m3 7 2508 m2 110 kw 2 japanske laboratoriemoduler (JEM EF og JEM PLM) 1 canadisk modul (CANADARM) 1 europæisk modul - Columbus-laboratoriet (COF) 11 amerikanske moduler - Laboratoriemodul (Lab), Elementer med sammenkoblingsporte (node), Fælles luftsluse, Bærebjælker, Observationskupler, Boligmodul (Hab), Centrifugemodul (CAM), 2 sæt solpaneler samt 3 trykmoduler (Leorardo, Rafaelo og Donatello). 5
International Space Station Modulerne Zarya - det russiske kontrolmodul, der som det første element i ISS blev opsendt 20. november 1998. Zarya er rygraden i den russiske del af rumstationen. Den har været kommandocentral i første del af byggefasen, hvor enheden tillige fungerede som brændstofdepot (16 udvendigt monterede tanke) og energiforsyning (3 kw solpanel med et areal på 70 m 2 ). Zvezda det russiske servicemodul blev sammenkoblet med Zarya 26. juli 2000. Enheden fungerede som opholdsmodul for det første mandskab. Der er sovefaciliteter, toilet og køkken. Destiny det amerikanske laboratoriemodul, hvor størstedelen af den amerikanske forskning vil blive gennemført. Desuden er Destiny knudepunkt for rumstationens styrings- og kontrolsystemer, strømfordeling og miljøkontrol. Hibo det japanske laboratoriemodul forventes opsendt i 2004 Herefter følger: Columbus det europæiske forskningslaboratorium JEM EF et japansk eksperimentmodul Habitation Module et beboelsesmodul Research Module 1 og 2 to russiske forskningsmoduler CAM centrifugemodulet Solpanelerne har et samlet areal på 2.508 m 2, og de vil kunne producere i alt 110 kw. Den samlede masse er på 1.500 kg. For at opnå den størst mulig produktion skal panelerne hele tiden, mens ISS kredser omkring Jorden, drejes så de vender mod Solen. Det sker ved et styringssystem, der kontrolleres med servomotorer. 6
Andre rumstationer Amerikanerne har kun haft en enkelt rumstation opsendt forud for International Space Station, nemlig SkyLab, der blev opsendt i 1973 og besøgt af 3 besætninger. Det længste ophold varede 84 døgn. Russerne har haft mange rumstationer, hovedsagelig med militært formål. Mange af dem har været ramt af uheld og er helt eller delvist mislykkedes. Saluyt 1 19. april 1971 23 dages besøg, besætningen døde Saluyt 2 3. april 1973 militær station, mislykkedes Cosmos 557 11. maj 1973 fejlede efter 11 dage Skylab 14. maj 1973 delvist beskadiget ved opsendelsen, besøgt 3 gange i hhv. 28, 59 og 84 dage Saluyt 3 25. juni 1974 militær station Saluyt 4 26. dec. 1974 Saluyt 5 22. juni 1976 militær station Saluyt 6 29. sept. 1977 ny generation af russiske rumstationer Saluyt 7 19. april 1982 flere fejl, sidste besøg i 1986 Mir 20. feb. 1986 469 dages besøg, fungerede i mange år, trods uheld, styrtede ned 23. maj 2001 ISS 20. nov. 1998 modulopbygget, forventes færdig i 2008 : Find billeder af rumstationer både virkelige rumstationer (overnstående) og fantasirumstationer. Brug bøger, tegneserier, Internet mm. : Sammenlign fx Mir eller ISS med nogle af Science Fiction rumstationerne (StarWar etc.). Hvad er forskelligt og hvilke ligheder er der? : Gør dig nogle overvejelser, og lav en liste over de ting, som du mener er nødvendige for at få en rumstation til at fungere elektricitet, vand, varme, luft, kommunikation mm. 7
Hvorfor udforske rummet? Nedenstående påstande er tænkt som optakt til en gruppediskussion for og imod udforskning af rummet. Du kan selv komme med flere påstande inden for hver gruppe. Nysgerrighed Rumforskning giver os ny erkendelse og viden om Universets opbygning Rumforskning forøger vores viden og forståelse inden for videnskab, menneskelig formåen og miljø. Rumforskning giver svar på Hvordan blev Solsystemet dannet?, Hvorfor er vi her?, Hvor kommer vi fra? og Hvor bevæger vi os hen? Rumforskning behøver ikke at have noget klart formål. Ren grundforskning vil altid senere vise sig at kunne anvendes, som fx udviklingen i 1960 af laseren, der i dag findes i hvert eneste hjem. Kolonisering Rumforskning kan skabe nye kulturer og samfund og nye måder at samarbejde på. Rumforskning vil styrke forståelsen af vores placering i Universet, og at Jorden (måske) er unik. Rumforskning kan løse problemet med overbefolkning og krig. Rumforskning kan bedre styre Jordens tilstand ved at overvåge Jorden udefra fx fra Månen. indse noget, som ingen andre har gjort tidligere. Rumforskningen er fyldt med så mange positive billeder, fx stolthed, undren, spænding og tro, at det vil være en inspiration for kommende generationer. Samarbejde i rummet er med til at nedbryde kulturelle barrierer. Naturlig udvikling Udforskning er noget fundamentalt for mennesket, det ligger dybt i den menneskelige tankegang. Udforskning betyder at være med til at opdage noget eller 8
Liv i Universet? Hvis liv eksisterer andre steder i Universet, vil vi kunne drage fordel af at udforske og samle erfaringer fra andre samfund. At finde ud af, at vi er alene, vil være lige så vigtigt som at finde ud af, at der er liv andre steder. At finde liv andre steder i Universet vil være en kæmpestor udfordring for alle mulige religioner på Jorden. At finde liv andre stede i Universet vil være den største opdagelse nogensinde. Økonomisk fordel? Rumforskning er med til at skabe vækst i de fleste landes økonomier. Penge der anvendes til Rumforskning bruges på Jorden og er med til at skabe nye jobs, følgevirksomheder og udvikling af nye teknologier. Ude i rummet vil man finde nye værdifulde materialer, som ikke eksisterer på Jorden. Det er i virkeligheden gratis at sende International Space Station op, da værdien af den forskning og udvikling, som projektet medfører, langt overstiger kost-prisen for rumstationen. Rumforskning er overflødig! Udforskning af rummet er alt for dyrt. Den gevinst, der evt. kan komme er så usikker, at man helt bør stoppe. Mennesket er bestemt til kun at leve på Jorden. Det er ufornuftigt at bruge så mange penge på rumforskning, når der er så meget her på Jorden, vi ikke ved nok om. At mennesket har en trang til at udforske omgivelserne, betyder ikke nødvendigvis, at det er godt. Historien viser jo, at kolonisering har ødelagt mange kulturer udforskning af rummet indebærer den samme risiko. 9
Forskningsområder på ISS Biologisk forskning Forskningen inden for biologi vil hovedsagelig fokusere på forhold, som påvirker besætningens sundhed. Det skal undersøges, hvordan et længere ophold i rummet påvirker udførelsen af forskellige opgaver. Forskning inden for hjerte- og karsygdomme og muskelsygdomme vil forhåbentlig være med til at udvikle nye metoder, som kan bruges til at forbygge og bekæmpe disse sygdomme her på Jorden. Forskningen vil måske også være med til at finde nye svar på mange andre sygdomme, fx sukkersyge, kræft og knogleskørhed. Forskning i mikrogravitation I et område med mikrogravitation vil forskerne have enestående muligheder for at studere processer, som vanskeligt lader sig gennemføre her på Jorden. Der bliver mulighed for at studere fænomener over meget længere tid, end det hidtil har været muligt. Det drejer sig om: Forskningsområder på ISS Materialeforskning udvikling af elektroniske komponenter og optiske fibre til kommunikation. Forbrænding en bedre forståelse af forbrændingsprocesserne vil kunne være med til at reducere udslip af forurenende gasser har på Jorden. Grundforskning der forventes resultater inden for områderne superledning, vejrprognoser og matematik. Bioteknologi der forventes bedre viden om vævsudvikling samt udvikling af bedre medicin med færre bivirkninger. Udforskning af rummet Astronomien har et væld af uløste problemer, som observationer uden en forstyrrende atmosfære vil kunne være med til at give svaret på Solsystemet skal udforskes, ligesom der skal ledes efter planeter omkring andre stjerner og i det hele taget liv uden for Jorden. Jordobservationer Med en banehældning på 51,6 vil ISS dække 75% af Jordens overflade (med 95% af Jordens befolkning). Det er formålet at studere, hvordan Jorden reagerer på såvel naturlige som menneskeskabte påvirkninger. Det vil kunne være med til at finde løsninger på diverse miljøproblemer. Produktudvikling Udvikling af nye produkter og processer, der kan skabe økonomisk vækst. Der er tale om en kommercielt produktudvikling for at øge interessen for private sponsorer. Teknologiudvikling Rumstationen giver rige muligheder for afprøvning og test af nye teknologier under ekstreme forhold. 10
At bo på en rumstation! Krav til ilt, vand, mad mm. Livet om bord på Den Internationale Rumstation er beskrevet i en lang række artikler, der findes på Ingeniørens hjemmeside om ISS: http://cph.ing.dk/tema/iss/index.html. Artiklerne kan nås direkte ved følgende dybe links til http://cph.ing.dk/tema/iss/baggrund/ efterfulgt af: At leve og bo i rummet leve_i_rummet/leve_bo_i_rummet.html Luft og atmosfæren leve_i_rummet/luft_og_atmosf.html Vand og dets genbrug leve_i_rummet/vand_genbrug.html Rumtoiletter leve_i_rummet/rumtoiletter.html Bad og hygiejne leve_i_rummet/bad_hygiejne.html Søvn og sovefaciliteter leve_i_rummet/sove_soevn.html Mad og spisning leve_i_rummet/mad_spisning.html Tøj og beklædning leve_i_rummet/toj.html Fritid, traditioner og kontakt til familien leve_i_rummet/fritid.html Dagligdagen på ISS leve_i_rummet/dagligdagen.html Pakning og opbevaring af udstyr på rumstationen leve_i_rummet/pakning_af_udstyr.html Rumdragten et minirumskib eva/rumdragten.html Udstillingen Det Aktive Univers eller artiklerne ovenfor kan bruges til at få svar på følgende spørgsmål: Hvad er nødvendigt for at mennesker kan opholde sig i rummet i kortere eller længere tid? Hvilke problemer giver den manglende tyngdekraft for indeklimaet? Hvad gør man for at undgå livstruende situationer, hvis iltforsyningen eller luftrensningen svigter? : Du trækker vejret ca. 15 gange i minuttet. Hver gang indånder du 2 L luft med et iltindhold på 21% og udånder det igen med et iltindhold på 16%. Hvor mange liter ren ilt har du brug for på et døgn? : 1 L ilt har massen 1,3 g. Hvor mange gram ilt har du brug for på et døgn? : Ved elektrolyse af 1 L vand dannes der knap 900 g ilt. Hvor mange liter vand har en astronaut brug for pr. døgn? Stemmer det med oplysningerne i artiklen? Hvordan er sammensætningen af luften på ISS? Hvor stort er trykket? Og temperaturen? Hvilke metoder benytter man til at skaffe sig ilt nok ombord på ISS? Hvad er elektrolyse? Beskriv evt. de kemiske processer. 11
Hvordan renser man luften på ISS? Hvilke stoffer skal fjernes? Hvor leder astronauterne først efter tabte ting? Og hvorfor ender de tabte ting lige netop der? Hvor meget vand bruger en astronaut i alt på et døgn? Hvordan genbruges vandet på rumstationen? Hvor stor en brøkdel af det samlede vandforbrug bruges til iltproduktion ifølge NASAs standarder? Hvordan er et rumtoilet opbygget så det virker i rummet? Hvilke problemer er der med at bruge et rumtoilet sammenlignet med et toilet på Jorden? Hvad genbruger man fx urin til? Hvordan vasker man sig i rummet? Hvordan barberer man sig i rummet? Hvordan foregår en klipning i rummet? Hvordan sover man i rummer? Hvordan ser en arbejdsdag ud for astronauterne? Hvilken tidsregning bruger man ombord på ISS? Og hvorfor har man valgt at følge lige netop denne tidszone? Hvilken velkendt metode fra fx et supermarked bruger astronauterne til at holde styr på tingene ombord? Hvornår fandt den første rumvandring sted? Hvem foretog rumvandringen, og hvorfor var det lige ved at gå galt? Hvorfor er det nødvendigt at bære rumdragt? Hvilken forskel er der på de russiske og de amerikanske rumdragter? Hvorfor skal astronauterne indånde ren ilt i et stykke tid før en rumvandring? Hvor lang tid er astronauterne i stand til at arbejde ude i rummet? Hvorfor er de russiske astronauter stort set alle sammen lige store? Hvor tung er en rumdragt (på Jorden)? Og hvad er prisen for en rumdragt? Hvordan spiser astronauterne på en moderne rumstation sammenlignet med de første flyvninger i rummet? Hvilke forskellige behandlingsmetoder gør man brug af når der fremstilles rummad? Hvor mange sæt undertøj får en astronaut udleveret til et halvt års flyvning? Hvor ofte har astronauterne mulighed for at tale med deres familie på Jorden? 12
µg - Mikrogravitation Fakta om vægtløshed Massetiltrækning Massetiltrækning eller tyngdekraft er en fundamental vekselvirkning mellem stofmængder, og den eksisterer overalt i Universet. Fysikerne betragter denne kraft som en af i alt fire fundamentale kræfter i naturen. I 1687 gjorde Isaac Newton i sit hovedværk Principia rede for den matematiske sammenhæng, der generelt kan beskrives ved F = G M m / r 2 I vores tilfælde, hvor der er tale om en bevægelse omkring Jorden, betyder symbolerne følgende: F er tyngdekraften (= vægten) i enheden Newton (N) G = 6,6726 10-11 Nm 2 /kg 2 er gravitationskonstanten M = 5,976 10 24 kg er Jordens masse m er genstandens masse (astronauten, rumstationen, osv.) r er afstanden fra Jordens centrum til genstanden (r = 6.371 km (= Jordens radius) hvis genstanden befinder sig ved Jordens overflade) Indsætter vi de kendte værdier ved Jordens overflade kan Newtons formel for massetiltrækning i dette specialtilfælde omskrives til F = (G M / r 2 ) m = (6,67 10-11 Nm 2 /kg 2 5,98 10 24 kg/6,37 10 6 m 2 ) m = 9,82 N/kg m Jordens tilstedeværelse skaber et tyngdefelt (gravitationsfelt), der bevirker, at enhver genstand, der befinder sig et eller andet sted over Jorden bliver påvirket af en kraft rettet nedad mod Jordens centrum. Denne kraft er i virkeligheden blot det, som vi i daglig tale forstår ved genstandens vægt eller tyngdekraften. Jo mere stof genstanden indeholder, jo større er tyngdekraften. Der er proportionalitet mellem stofmængden (målt i kg) og tyngdekraften (målt i N), dvs. dobbelt så meget stof vejer også dobbelt så meget osv. Der er derimod omvendt proportionalitet mellem tyngdekraften og kvadratet på afstanden til Jordens centrum. Det betyder at tyngdekraften falder til en fjerdedel hvis genstanden flyttes dobbelt så langt væk fra Jordens centrum en niendedel hvis afstand bliver tre gange så stor osv. Ved Jordens overflade kan denne sammenhæng nemt beskrives ved F = m g hvor F er tyngdekraften (vægten i N), m er stofmængden (massen i kg) og g = 9,82 m/s 2 er tyngdeaccelerationen. Tyngdeaccelerationen bevirker, at hvis vi ikke har fast grund under fødderne, så vil vi blive trukket nedad mod Jordens overflade med stigende hastighed. Vi er påvirket af en acceleration på én g. Dvs. F = g m g = 9,82 N/kg = 9,82 m/s 2 kaldes tyngdeaccelerationen. 13
Hvis vi helt kunne fjerne denne påvirkning på én g, ville vi ikke blive påvirket af en kraft nedad, hvorfor vi blot vil svæve over jorden uden at falde overhovedet (og vi vil heller ikke have den samme fornemmelse af, hvad nedad betyder). Vi kan selvfølgelig ikke fjerne denne påvirkning, da det er en naturlovmæssighed, men vi kan foretage os forskellige ting som modvirker denne kraftpåvirkning, så vi får en fornemmelse af, at påvirkningen er ophørt. I virkeligheden er påvirkning blot ophævet af en ligeså stor og modsat rettet påvirkning. Vi kan bevæge os væk fra Jorden, hvorved påvirkning aftager Denne metode til at opnå vægtløshed er dog ikke særlig anvendelig, da vi som opgaverne viser skal meget længere væk fra Jorden end svarende til afstanden til Månen (384.000 km). Brug udtrykket for g i Newtons gravitationsformel til at bestemme den afstand fra Jordens centrum, som vi skal befindes os i, hvis g skal være reduceret til en 1% af værdien ved Jordens overflade. På ISS er der tale om mikrogravitation, dvs. en påvirkning på omkring 1 µg = 10-6 g. Hvor langt skal vi væk fra Jorden før påvirkningen er nede på en milliontedel af værdien her på Jorden? Hvor mange gange længere væk fra os er det sammenlignet med afstanden til Månen? Frit fald En tur i Det Gyldne Tårn i Tivoli kan i et kort øjeblik give fornemmelsen af vægtløshed. For at forstå hvorfor, kan vi forestille os, at vi befinder os i en elevator, hvor vi står på en badevægt. Hvis elevatoren står stille kan vi aflæse vores normalvægt. Når elevatoren accelererer opad, vil vi observere en stigning i vægten, og når bevægelsen opad aftager eller vi begynder at bevæge os nedad, så vil vi se et fald i vægten. Hvis uheldet er ude i den situation hvor vi står på badevægten, og 14
Sammenhængen mellem tilbagelagt afstand og tid i et frit fald er givet ved s = 1 2 g t 2 hvor s er faldvejen i meter, g = 9,82 m/s 2 kaldes tyngdeaccelerationen, og t er tiden i sekunder. Ved at indsætte en faldvej på s = 5 m i dette udtryk, kan vi beregne, at det tager ca. 1 sekund at falde 5 meter. Flyvetur i en lodret parabelformet bane Med et fly kan de ombordværende i en periode på ca. 15 sekunder opleve en kraftig reduktion i tyngdekraften (til ca. en tusindedel af den normale tyngdekraft). Dette opnås når et fly med stor fart og en stigning på 45 (pull up) går ind i en lodret parabelformet bane (pushover) for derpå at gå ned igen med en vinkel på 45 (pulout). I pushover -fasen er g-påvirkningen nede på ca. 1 % i op til 25 sekunder og under 1 i ca. 15 sekunder. Til gengæld er der en påvirkning på 2g i pull up - og pull out -faserne. tovet, der bærer elevatoren pludselig brister, så vil vi se et udslag på badevægten på 0 indtil vi rammer gulvet. Vi vejer altså ingenting i den situation, hvor vi følges ad nedad sammen med elevatoren i et frit fald. Katastrofen indtræffer først når vi møder gulvet! I Tivolis tårn har man sørget for at der sker en opbremsning forinden. Hvor lang tid tager det at falde 5 meter, hvis tyngdeaccelerationen blev påvirket til 1% af g? Hvor lang tid vil det tage at falde 5 meter, hvis vi befinder os i et område med mikrogravitation (tyngdeaccelerationen er reduceret til en milliontedel af g)? I stedet for fly kan der benyttes raketter, hvor varigheden af vægtløshed kan komme op på flere minutter. Den største faldtid, som det i dag er muligt at opnå, kan opleves i en lodret mineskakt i Japan, der er blevet indrettet til et fritfaldsområde. Mineskakten er 490 m dyb. Hvor stor er faldtiden i den japanske mineskakt? 15
Rumfartøjer i kredsløb omkring Jorden Et rumfartøj, der kredser omkring Jorden, er hele tiden i et frit fald mod Jorden, men på grund af rumfartøjets banehastighed (parallelt med jordoverfladen) falder det så at sige ved siden af Jorden med det resultat at banen bliver en ellipse (evt. en cirkel). Ombord på et rumfartøj i kredsløb vil man derfor opleve vægtløshed. I modsætning til de tidligere eksempler kan dette foregå til stadighed, og ikke blot i nogle få sekunder eller minutter. Newton gav i 1687 den fysiske forklaring på hvordan sådan et kredsløb finder sted, se fx Newtons originale tegning fra Principia. Wernher von Braun forestillede sig en rumstation i form af et roterende cykelhjul. Forestil dig, at cykelhjulet har en radius på 1 km. Med hvilken hastighed skal hjulet rotere for at kraftpåvirkningen bliver den samme som her på Jorden? Hvad bliver rotationstiden? Betingelserne for at et rumfartøj kredser i en (cirkulær) bane omkring Jorden er, at den kraft, der er nødvendig for at der foretages en cirkelformet bevægelse lige netop svarer til Newtons massetiltrækningskraft. Uden at gå i detaljer, betyder det, at ISS kredser i en bane ca. 400 km over Jordens overflade. Find farten i banen. Brug banens omkreds (O = 2 π r ) og farten til at bestemme omløbstiden for ISS. Samme spørgsmål blot med en radius på 10 km. m v2/r = G M m/r2 hvor v er rumfartøjets fart og r er baneradius (med Jordens midtpunkt i centrum). En lille omskrivning kan give os et udtryk for farten: v2= G M/r 16