Weltraum
Der Weltraum, im Allgemeinen kurz Weltraum genannt, ist die Fläche jenseits der Erde und ihrer Atmosphäre und zwischen den Himmelskörpern. Der Weltraum ist nicht völlig leer, sondern ein nahezu perfektes Vakuum mit einer geringen Teilchendichte, vor allem einem Plasma aus Wasserstoff und Helium, sowie elektromagnetischer Strahlung, Magnetfeldern, Neutrinos, Staub und kosmischer Strahlung. Die durch die Hintergrundstrahlung des Urknalls festgelegte Grundtemperatur des Weltraums beträgt 2,7255 Kelvin (-270,4245 °C; -454,7641 °F) +/-0,002 K. Man nimmt an, dass etwa die Hälfte der baryonischen (gewöhnlichen) Materie im Universum auf das Plasma zwischen den Galaxien entfällt, das eine Zahlendichte von weniger als einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter und eine Temperatur von Millionen Kelvin aufweist. Lokale Konzentrationen von Materie haben sich zu Sternen und Galaxien verdichtet. Studien deuten darauf hin, dass 90 % der Masse in den meisten Galaxien aus einer unbekannten Form, der so genannten dunklen Materie, besteht, die mit anderer Materie durch Gravitationskräfte, nicht aber durch elektromagnetische Kräfte wechselwirkt. Beobachtungen deuten darauf hin, dass der größte Teil der Masse-Energie im beobachtbaren Universum aus dunkler Energie besteht, einer Art Vakuumenergie, die nur unzureichend verstanden wird. Der intergalaktische Raum nimmt den größten Teil des Volumens des Universums ein, aber auch Galaxien und Sternsysteme bestehen fast vollständig aus leerem Raum. ⓘ
Der Weltraum beginnt nicht in einer bestimmten Höhe über der Erdoberfläche. Die Kármán-Linie, eine Höhe von 100 km über dem Meeresspiegel, wird in Weltraumverträgen und für Raumfahrtaufzeichnungen üblicherweise als Beginn des Weltraums verwendet. Der Rahmen für das internationale Weltraumrecht wurde durch den Weltraumvertrag geschaffen, der am 10. Oktober 1967 in Kraft trat. Dieser Vertrag schließt jegliche Ansprüche auf nationale Souveränität aus und erlaubt allen Staaten die freie Erforschung des Weltraums. Trotz der Ausarbeitung von UN-Resolutionen zur friedlichen Nutzung des Weltraums wurden in der Erdumlaufbahn Anti-Satellitenwaffen getestet. ⓘ
Die physische Erforschung des Weltraums durch den Menschen begann im 20. Jahrhundert mit der Einführung von Höhenballonflügen. Es folgten Raketenflüge mit Besatzung und schließlich die Erdumlaufbahn mit Besatzung, die 1961 erstmals von Juri Gagarin aus der Sowjetunion erreicht wurde. Aufgrund der hohen Kosten für die Beförderung ins All ist die bemannte Raumfahrt auf die niedrige Erdumlaufbahn und den Mond beschränkt. Andererseits haben unbemannte Raumfahrzeuge alle bekannten Planeten des Sonnensystems erreicht. ⓘ
Der Weltraum stellt aufgrund der Gefahren des Vakuums und der Strahlung eine große Herausforderung für die menschliche Erforschung dar. Die Mikrogravitation wirkt sich auch negativ auf die menschliche Physiologie aus und führt zu Muskelschwund und Knochenschwund. Abgesehen von diesen Gesundheits- und Umweltproblemen sind die wirtschaftlichen Kosten für die Beförderung von Objekten, einschließlich Menschen, in den Weltraum sehr hoch. ⓘ
Der Weltraum bezeichnet den Raum zwischen Himmelskörpern. Die Atmosphären von festen und gasförmigen Himmelskörpern (wie Sternen und Planeten) haben keine feste Grenze nach oben, sondern werden mit zunehmendem Abstand zum Himmelskörper allmählich immer dünner. Ab einer bestimmten Höhe spricht man vom Beginn des Weltraums. ⓘ
Der Begriff des Weltraums ist nicht gleichzusetzen mit dem Weltall, welches eine eingedeutschte Bezeichnung für das Universum insgesamt ist und somit alles, also auch die Sterne und Planeten selbst, mit einschließt. Dennoch wird das deutsche Wort „Weltall“ oder „All“ umgangssprachlich mit der Bedeutung „Weltraum“ verwendet. ⓘ
Die Erforschung des Weltraums wird Weltraumforschung genannt. Reisen oder Transporte in oder durch den Weltraum werden als Raumfahrt bezeichnet. ⓘ
Formation und Zustand
Die Größe des gesamten Universums ist unbekannt und könnte unendlich groß sein. Nach der Urknalltheorie befand sich das frühe Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einem extrem heißen und dichten Zustand, der sich rasch ausdehnte. Etwa 380 000 Jahre später hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoff verbinden konnten - die so genannte Rekombinationsepoche. Als dies geschah, wurden Materie und Energie entkoppelt, so dass sich Photonen frei durch den sich ständig ausdehnenden Raum bewegen konnten. Die nach der anfänglichen Ausdehnung verbliebene Materie ist seither durch die Schwerkraft kollabiert und hat Sterne, Galaxien und andere astronomische Objekte hervorgebracht, wobei ein tiefes Vakuum zurückblieb, das heute als Weltraum bezeichnet wird. Da Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, schränkt diese Theorie auch die Größe des direkt beobachtbaren Universums ein. ⓘ
Die heutige Form des Universums wurde durch Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mithilfe von Satelliten wie der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ermittelt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die räumliche Geometrie des beobachtbaren Universums "flach" ist, was bedeutet, dass Photonen, die sich an einem Punkt auf parallelen Bahnen befinden, auf ihrer Reise durch den Raum bis zur Grenze des beobachtbaren Universums parallel bleiben, mit Ausnahme der lokalen Schwerkraft. Das flache Universum in Verbindung mit der gemessenen Massendichte des Universums und der sich beschleunigenden Expansion des Universums deutet darauf hin, dass der Raum eine Vakuumenergie ungleich Null besitzt, die als dunkle Energie bezeichnet wird. ⓘ
Schätzungen zufolge entspricht die durchschnittliche Energiedichte des heutigen Universums 5,9 Protonen pro Kubikmeter, einschließlich dunkler Energie, dunkler Materie und baryonischer Materie (gewöhnliche Materie, die aus Atomen besteht). Die Atome machen nur 4,6 % der gesamten Energiedichte aus, was einer Dichte von einem Proton pro vier Kubikmeter entspricht. Die Dichte des Universums ist eindeutig nicht einheitlich; sie reicht von einer relativ hohen Dichte in Galaxien - einschließlich einer sehr hohen Dichte in Strukturen innerhalb von Galaxien wie Planeten, Sternen und schwarzen Löchern - bis hin zu Bedingungen in riesigen Leerräumen, die eine viel geringere Dichte aufweisen, zumindest in Bezug auf die sichtbare Materie. Im Gegensatz zu Materie und dunkler Materie scheint die dunkle Energie nicht in Galaxien konzentriert zu sein: Obwohl die dunkle Energie einen Großteil der Masse-Energie im Universum ausmacht, ist der Einfluss der dunklen Energie um fünf Größenordnungen geringer als der Einfluss der Schwerkraft von Materie und dunkler Materie innerhalb der Milchstraße. ⓘ
Umgebung
Der Weltraum ist die größte bekannte Annäherung an ein perfektes Vakuum. Hier gibt es praktisch keine Reibung, so dass sich Sterne, Planeten und Monde nach dem anfänglichen Entstehungsstadium frei auf ihren idealen Bahnen bewegen können. Das tiefe Vakuum des intergalaktischen Raums ist nicht frei von Materie, da es nur wenige Wasserstoffatome pro Kubikmeter enthält. Im Vergleich dazu enthält die Luft, die wir Menschen atmen, etwa 1025 Moleküle pro Kubikmeter. Die geringe Dichte der Materie im Weltraum bedeutet, dass elektromagnetische Strahlung große Entfernungen zurücklegen kann, ohne gestreut zu werden: Die mittlere freie Weglänge eines Photons im intergalaktischen Raum beträgt etwa 1023 km, das sind 10 Milliarden Lichtjahre. Trotzdem ist die Extinktion, d. h. die Absorption und Streuung von Photonen durch Staub und Gas, ein wichtiger Faktor in der galaktischen und intergalaktischen Astronomie. ⓘ
Sterne, Planeten und Monde behalten ihre Atmosphären durch die Anziehungskraft der Schwerkraft. Atmosphären haben keine klar definierte obere Grenze: Die Dichte des atmosphärischen Gases nimmt mit der Entfernung vom Objekt allmählich ab, bis es vom Weltraum nicht mehr zu unterscheiden ist. Der Atmosphärendruck auf der Erde sinkt in 100 Kilometern Höhe auf etwa 0,032 Pa, während er nach der Definition der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) bei 100.000 Pa liegt. Oberhalb dieser Höhe wird der isotrope Gasdruck im Vergleich zum Strahlungsdruck der Sonne und dem dynamischen Druck des Sonnenwindes schnell unbedeutend. Die Thermosphäre weist in diesem Bereich große Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungsgradienten auf und unterliegt aufgrund des Weltraumwetters starken Schwankungen. ⓘ
Die Temperatur des Weltraums wird, wie auf der Erde, anhand der kinetischen Aktivität des Gases gemessen. Die Strahlung des Weltraums hat eine andere Temperatur als die kinetische Temperatur des Gases, was bedeutet, dass sich Gas und Strahlung nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Das gesamte beobachtbare Universum ist mit Photonen gefüllt, die während des Urknalls entstanden sind, was als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) bekannt ist. (Wahrscheinlich gibt es auch eine entsprechend große Anzahl von Neutrinos, die als kosmischer Neutrino-Hintergrund bezeichnet werden). Die derzeitige Schwarzkörpertemperatur der Hintergrundstrahlung liegt bei etwa 3 K (-270 °C; -454 °F). Die Gastemperaturen im Weltraum können stark variieren. So liegt die Temperatur im Bumerangnebel bei 1 K, während die Sonnenkorona Temperaturen von 1,2 bis 2,6 Millionen K erreicht. ⓘ
Magnetfelder wurden in der Umgebung von nahezu jeder Klasse von Himmelsobjekten nachgewiesen. Die Sternentstehung in Spiralgalaxien kann kleine Dynamos erzeugen, die turbulente Magnetfeldstärken von etwa 5-10 μG erzeugen. Der Davis-Greenstein-Effekt bewirkt, dass sich langgestreckte Staubkörner am Magnetfeld einer Galaxie ausrichten, was zu einer schwachen optischen Polarisation führt. Dies wurde genutzt, um die Existenz geordneter Magnetfelder in mehreren nahen Galaxien nachzuweisen. Magneto-hydrodynamische Prozesse in aktiven elliptischen Galaxien erzeugen ihre charakteristischen Jets und Radiokeulen. Nicht-thermische Radioquellen wurden selbst in den entferntesten, hochzentral gelegenen Quellen entdeckt, was auf das Vorhandensein von Magnetfeldern hindeutet. ⓘ
Außerhalb einer schützenden Atmosphäre und eines Magnetfelds gibt es nur wenige Hindernisse für den Durchgang energiereicher subatomarer Teilchen, der so genannten kosmischen Strahlung, durch den Weltraum. Die Energie dieser Teilchen reicht von etwa 106 eV bis zu den extremen 1020 eV der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung. Der Spitzenwert des kosmischen Strahlungsflusses liegt bei Energien von etwa 109 eV, wobei etwa 87 % Protonen, 12 % Heliumkerne und 1 % schwerere Kerne enthalten sind. Im hohen Energiebereich beträgt der Elektronenfluss nur etwa 1 % des Protonenflusses. Die kosmische Strahlung kann elektronische Bauteile beschädigen und stellt eine gesundheitliche Bedrohung für Raumfahrer dar. Astronauten wie Don Pettit berichten, dass im Weltraum ein verbrannter/metallischer Geruch an ihren Anzügen und ihrer Ausrüstung haftet, ähnlich dem Geruch eines Lichtbogenschweißbrenners. ⓘ
Auswirkungen auf die Biologie und den menschlichen Körper
Trotz der rauen Umgebung wurden einige Lebensformen gefunden, die den extremen Bedingungen im Weltraum über längere Zeiträume standhalten können. Flechtenarten, die auf der BIOPAN-Anlage der ESA transportiert wurden, überlebten 2007 zehn Tage lang die Exposition. Samen von Arabidopsis thaliana und Nicotiana tabacum keimten, nachdem sie 1,5 Jahre lang im Weltraum ausgesetzt waren. Ein Stamm von Bacillus subtilis hat 559 Tage überlebt, nachdem er einer niedrigen Erdumlaufbahn oder einer simulierten Marsumgebung ausgesetzt war. Die Lithopanspermie-Hypothese besagt, dass Gesteinsbrocken, die von lebensfreundlichen Planeten in den Weltraum geschleudert werden, erfolgreich Lebensformen zu einer anderen bewohnbaren Welt transportieren können. Es wird vermutet, dass ein solches Szenario schon früh in der Geschichte des Sonnensystems auftrat, als möglicherweise Mikroorganismen enthaltende Gesteine zwischen Venus, Erde und Mars ausgetauscht wurden. ⓘ
Selbst in relativ geringen Höhen der Erdatmosphäre herrschen für den menschlichen Körper lebensfeindliche Bedingungen. Die Höhe, in der der Atmosphärendruck dem Dampfdruck von Wasser bei der Temperatur des menschlichen Körpers entspricht, wird als Armstrong-Linie bezeichnet, benannt nach dem amerikanischen Arzt Harry G. Armstrong. Sie befindet sich in einer Höhe von etwa 19,14 km (11,89 mi). An oder oberhalb der Armstrong-Linie kochen die Flüssigkeiten im Hals und in der Lunge weg. Genauer gesagt verdampfen Körperflüssigkeiten wie Speichel, Tränen und Flüssigkeiten in der Lunge. Daher erfordert das Überleben in dieser Höhe einen Druckanzug oder eine Druckkapsel. ⓘ
Im Weltraum kann die plötzliche Einwirkung eines sehr niedrigen Drucks auf einen ungeschützten Menschen, z. B. bei einer schnellen Dekompression, zu einem pulmonalen Barotrauma führen, d. h. zu einem Riss der Lunge aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Brustkorbs. Selbst wenn die Atemwege der Person vollständig geöffnet sind, kann der Luftstrom durch die Luftröhre zu langsam sein, um den Riss zu verhindern. Durch die rasche Dekompression können Trommelfelle und Nebenhöhlen reißen, es kann zu Blutergüssen und Blutaustritt in den Weichteilen kommen, und der Schock kann einen erhöhten Sauerstoffverbrauch verursachen, der zu Hypoxie führt. ⓘ
Als Folge der schnellen Dekompression entleert sich der im Blut gelöste Sauerstoff in die Lungen, um das Partialdruckgefälle auszugleichen. Sobald das sauerstoffarme Blut das Gehirn erreicht, verliert der Mensch nach wenigen Sekunden das Bewusstsein und stirbt innerhalb weniger Minuten an Sauerstoffmangel. Wenn der Druck unter 6,3 kPa sinkt, kochen Blut und andere Körperflüssigkeiten, was als Ebullismus bezeichnet wird. Der Dampf kann den Körper auf das Doppelte seiner normalen Größe aufblähen und den Blutkreislauf verlangsamen, aber das Gewebe ist elastisch und porös genug, um nicht zu reißen. Der Ebullismus wird durch den Druckabbau in den Blutgefäßen gebremst, so dass ein Teil des Blutes flüssig bleibt. Schwellungen und Ebullismus können durch einen Druckanzug reduziert werden. Der Crew Altitude Protection Suit (CAPS), ein in den 1960er Jahren für Astronauten entwickelter elastischer Anzug, verhindert Ebullismus bereits bei einem Druck von 2 kPa. In einer Höhe von 8 km wird zusätzlicher Sauerstoff benötigt, um genügend Sauerstoff zum Atmen bereitzustellen und Wasserverlust zu verhindern, während in einer Höhe von mehr als 20 km Druckanzüge erforderlich sind, um Ebullismus zu verhindern. Die meisten Raumanzüge arbeiten mit 30-39 kPa reinem Sauerstoff, was in etwa dem Druck auf der Erdoberfläche entspricht. Dieser Druck ist hoch genug, um Ebullismus zu verhindern, aber die Verdampfung des im Blut gelösten Stickstoffs könnte dennoch zu Dekompressionskrankheit und Gasembolien führen, wenn dies nicht kontrolliert wird. ⓘ
Der Mensch hat sich für ein Leben in der Schwerkraft der Erde entwickelt, und es ist erwiesen, dass die Schwerelosigkeit schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat. Zu Beginn leiden mehr als 50 % der Astronauten unter der Reisekrankheit im Weltraum. Dies kann zu Übelkeit und Erbrechen, Schwindel, Kopfschmerzen, Lethargie und allgemeinem Unwohlsein führen. Die Dauer der Weltraumkrankheit ist unterschiedlich, sie dauert jedoch in der Regel 1 bis 3 Tage, danach gewöhnt sich der Körper an die neue Umgebung. Längerer Aufenthalt in der Schwerelosigkeit führt zu Muskelschwund und Skelettverschlechterung, der so genannten Weltraumosteopenie. Diese Auswirkungen können durch ein Trainingsprogramm minimiert werden. Weitere Auswirkungen sind Flüssigkeitsumverteilung, Verlangsamung des Herz-Kreislauf-Systems, verminderte Produktion roter Blutkörperchen, Gleichgewichtsstörungen und eine Schwächung des Immunsystems. Zu den weniger ausgeprägten Symptomen gehören der Verlust von Körpermasse, verstopfte Nasen, Schlafstörungen und ein geschwollenes Gesicht. ⓘ
Bei Langzeit-Raumfahrten kann die Strahlung eine akute Gesundheitsgefahr darstellen. Die Exposition gegenüber hochenergetischer, ionisierender kosmischer Strahlung kann zu Müdigkeit, Übelkeit und Erbrechen sowie zu einer Schädigung des Immunsystems und Veränderungen der Anzahl der weißen Blutkörperchen führen. Bei längerer Einwirkung besteht ein erhöhtes Krebsrisiko sowie eine Schädigung der Augen, des Nervensystems, der Lunge und des Magen-Darm-Trakts. Bei einer drei Jahre dauernden Mars-Rundreise würde ein großer Teil der Zellen im Körper eines Astronauten von hochenergetischen Kernen durchquert und möglicherweise geschädigt. Die Energie dieser Teilchen wird durch die Abschirmung durch die Wände eines Raumfahrzeugs erheblich verringert und kann durch Wasserbehälter und andere Barrieren weiter verringert werden. Die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf die Abschirmung erzeugt zusätzliche Strahlung, die die Besatzung beeinträchtigen kann. Weitere Forschungsarbeiten sind erforderlich, um die Strahlungsgefahren zu bewerten und geeignete Gegenmaßnahmen zu bestimmen. ⓘ
Regionen
Der Weltraum ist ein Teilvakuum: Seine verschiedenen Regionen werden durch die verschiedenen Atmosphären und "Winde" definiert, die in ihnen vorherrschen und sich bis zu dem Punkt erstrecken, an dem diese Winde in die jenseitigen übergehen. Der Georaum erstreckt sich von der Erdatmosphäre bis zu den äußeren Grenzen des Erdmagnetfelds, wo er in den Sonnenwind des interplanetaren Raums übergeht. Der interplanetare Raum erstreckt sich bis zur Heliopause, von wo aus der Sonnenwind in die Winde des interstellaren Mediums übergeht. Der interstellare Raum setzt sich dann bis zu den Rändern der Galaxie fort, wo er in der intergalaktischen Leere verschwindet. ⓘ
Der Weltraum
Der Weltraum ist die Region des erdnahen Weltraums, einschließlich der oberen Atmosphäre und der Magnetosphäre. Die Van-Allen-Strahlungsgürtel liegen innerhalb des Georaums. Die äußere Grenze des Georaums ist die Magnetopause, die eine Schnittstelle zwischen der Magnetosphäre der Erde und dem Sonnenwind bildet. Die innere Begrenzung ist die Ionosphäre. Die variablen Weltraumwetterbedingungen des Georaums werden durch das Verhalten der Sonne und des Sonnenwinds beeinflusst; das Thema Georaum ist mit der Heliophysik - dem Studium der Sonne und ihrer Auswirkungen auf die Planeten des Sonnensystems - verknüpft. ⓘ
Die Magnetopause auf der Tagseite wird durch den Druck des Sonnenwindes komprimiert - der subsolare Abstand vom Erdmittelpunkt beträgt typischerweise 10 Erdradien. Auf der Nachtseite dehnt der Sonnenwind die Magnetosphäre aus und bildet einen Magnetschweif, der sich manchmal auf mehr als 100-200 Erdradien erstreckt. Etwa vier Tage im Monat ist die Mondoberfläche vom Sonnenwind abgeschirmt, wenn der Mond den Magnetschweif durchquert. ⓘ
Der Weltraum wird von elektrisch geladenen Teilchen mit sehr geringer Dichte bevölkert, deren Bewegungen durch das Magnetfeld der Erde gesteuert werden. Diese Plasmen bilden ein Medium, von dem aus sturmartige Störungen, die durch den Sonnenwind angetrieben werden, elektrische Ströme in die obere Erdatmosphäre treiben können. Geomagnetische Stürme können zwei Regionen der Erdatmosphäre stören, den Strahlungsgürtel und die Ionosphäre. Diese Stürme erhöhen die Flüsse energiereicher Elektronen, die die Satellitenelektronik dauerhaft beschädigen und den Kurzwellenfunk sowie die GPS-Ortung und -Zeitmessung stören können. Magnetische Stürme können auch eine Gefahr für Astronauten darstellen, selbst in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Sie erzeugen auch Polarlichter, die in hohen Breitengraden in einem Oval um die geomagnetischen Pole zu sehen sind. ⓘ
Obwohl es der Definition des Weltraums entspricht, ist die atmosphärische Dichte in den ersten paar hundert Kilometern oberhalb der Kármán-Linie immer noch ausreichend, um einen erheblichen Luftwiderstand an Satelliten zu erzeugen. Diese Region enthält Material, das von früheren Starts mit und ohne Besatzung übrig geblieben ist und eine potenzielle Gefahr für Raumfahrzeuge darstellt. Ein Teil dieser Trümmer tritt in regelmäßigen Abständen wieder in die Erdatmosphäre ein. ⓘ
Zislunarer Raum
Die Schwerkraft der Erde hält den Mond in einer durchschnittlichen Entfernung von 384.403 km auf seiner Umlaufbahn. Der Bereich außerhalb der Erdatmosphäre, der sich bis knapp über die Mondbahn hinaus erstreckt, einschließlich der Lagrange-Punkte, wird manchmal als cislunarer Raum bezeichnet. ⓘ
Der tiefe Weltraum wird von der Regierung der Vereinigten Staaten und anderen als jede Region jenseits des zislunaren Raums definiert. Die Internationale Fernmeldeunion, die für die Funkkommunikation (einschließlich Satelliten) zuständig ist, definiert den Beginn des tiefen Weltraums bei etwa dem Fünffachen dieser Entfernung (2×106 km). ⓘ
Der Bereich, in dem die Schwerkraft der Erde gegenüber den von der Sonne ausgehenden gravitativen Störungen dominant bleibt, wird als Hill-Sphäre bezeichnet. Diese erstreckt sich in den translunaren Raum bis zu einer Entfernung von etwa 1 % der mittleren Entfernung von der Erde zur Sonne, d. h. 1,5 Mio. km (0,93 Mio. Meilen). ⓘ
Interplanetarer Raum
Der interplanetare Raum wird durch den Sonnenwind bestimmt, einen kontinuierlichen Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausgeht und eine sehr dünne Atmosphäre (die Heliosphäre) über Milliarden von Kilometern im Weltraum erzeugt. Dieser Wind hat eine Teilchendichte von 5-10 Protonen/cm3 und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 350-400 km/s (780.000-890.000 mph). Der interplanetare Raum erstreckt sich bis zur Heliopause, wo der Einfluss der galaktischen Umgebung gegenüber dem Magnetfeld und dem Teilchenfluss der Sonne zu dominieren beginnt. Die Entfernung und Stärke der Heliopause variiert je nach Aktivitätsniveau des Sonnenwindes. Die Heliopause wiederum lenkt die niederenergetische galaktische kosmische Strahlung ab, wobei dieser Modulationseffekt während des Sonnenmaximums seinen Höhepunkt erreicht. ⓘ
Das Volumen des interplanetaren Raums ist ein nahezu vollständiges Vakuum, mit einer mittleren freien Weglänge von etwa einer astronomischen Einheit in der Umlaufbahn der Erde. Dieser Raum ist nicht völlig leer, sondern nur spärlich mit kosmischer Strahlung gefüllt, die ionisierte Atomkerne und verschiedene subatomare Teilchen enthält. Außerdem gibt es Gas, Plasma und Staub, kleine Meteoriten und mehrere Dutzend Arten organischer Moleküle, die bisher durch Mikrowellenspektroskopie entdeckt wurden. Eine Wolke aus interplanetarem Staub ist nachts als schwaches Band, das so genannte Zodiakallicht, sichtbar. ⓘ
Der interplanetare Raum enthält das von der Sonne erzeugte Magnetfeld. Außerdem gibt es Magnetosphären, die von Planeten wie Jupiter, Saturn, Merkur und der Erde erzeugt werden, die ihre eigenen Magnetfelder haben. Diese werden durch den Einfluss des Sonnenwindes zu einer tropfenförmigen Form geformt, wobei sich das lange Ende hinter dem Planeten nach außen erstreckt. Diese Magnetfelder können Teilchen aus dem Sonnenwind und anderen Quellen einfangen und so Gürtel aus geladenen Teilchen wie die Van-Allen-Strahlungsgürtel bilden. Bei Planeten ohne Magnetfelder, wie dem Mars, wird die Atmosphäre allmählich durch den Sonnenwind abgetragen. ⓘ
Interstellarer Raum
Der interstellare Raum ist der physikalische Raum innerhalb einer Galaxie jenseits des Einflusses, den jeder Stern auf das ihn umgebende Plasma hat. Der Inhalt des interstellaren Raums wird als interstellares Medium bezeichnet. Etwa 70 % der Masse des interstellaren Mediums besteht aus einzelnen Wasserstoffatomen; der Rest besteht zum größten Teil aus Heliumatomen. Der Rest besteht aus Heliumatomen, die mit Spuren von schwereren Atomen angereichert sind, die durch stellare Nukleosynthese entstanden sind. Diese Atome werden durch Sternwinde in das interstellare Medium geschleudert oder wenn entwickelte Sterne beginnen, ihre äußeren Hüllen abzustoßen, wie z. B. bei der Bildung eines planetarischen Nebels. Die kataklysmische Explosion einer Supernova erzeugt eine sich ausdehnende Schockwelle aus ausgestoßenen Materialien, die das Medium weiter anreichern. Die Dichte der Materie im interstellaren Medium kann sehr unterschiedlich sein: Der Durchschnitt liegt bei etwa 106 Teilchen pro m3, aber kalte Molekülwolken können 108-1012 pro m3 enthalten. ⓘ
Im interstellaren Raum gibt es eine Reihe von Molekülen, aber auch winzige 0,1 μm große Staubteilchen. Die Zahl der mit Hilfe der Radioastronomie entdeckten Moleküle nimmt stetig zu, und zwar mit einer Rate von etwa vier neuen Arten pro Jahr. Große Regionen mit Materie höherer Dichte, die als Molekülwolken bekannt sind, ermöglichen chemische Reaktionen, einschließlich der Bildung organischer polyatomarer Arten. Ein Großteil dieser chemischen Reaktionen wird durch Kollisionen angetrieben. Energetische kosmische Strahlung dringt in die kalten, dichten Wolken ein und ionisiert Wasserstoff und Helium, wodurch beispielsweise das Trihydrogenkation entsteht. Ein ionisiertes Heliumatom kann dann das relativ reichlich vorhandene Kohlenmonoxid spalten und ionisierten Kohlenstoff erzeugen, der wiederum zu organisch-chemischen Reaktionen führen kann. ⓘ
Das lokale interstellare Medium ist eine Region des Weltraums innerhalb von 100 Parsec (pc) von der Sonne, die sowohl wegen ihrer Nähe als auch wegen ihrer Wechselwirkung mit dem Sonnensystem von Interesse ist. Dieses Volumen deckt sich fast mit einer Region des Weltraums, die als lokale Blase bekannt ist und sich durch das Fehlen dichter, kalter Wolken auszeichnet. Sie bildet einen Hohlraum im Orionarm der Milchstraße, an dessen Rändern sich dichte Molekülwolken befinden, wie etwa in den Sternbildern Ophiuchus und Taurus. (Die tatsächliche Entfernung zum Rand dieses Hohlraums schwankt zwischen 60 und 250 pc oder mehr.) In diesem Volumen befinden sich etwa 104-105 Sterne, und das lokale interstellare Gas bildet das Gegengewicht zu den Astrosphären, die diese Sterne umgeben, wobei das Volumen der einzelnen Sphären je nach der lokalen Dichte des interstellaren Mediums variiert. Die lokale Blase enthält Dutzende von warmen interstellaren Wolken mit Temperaturen von bis zu 7.000 K und Radien von 0,5-5 pc. ⓘ
Wenn sich Sterne mit ausreichend hohen Eigengeschwindigkeiten bewegen, können ihre Astrosphären beim Zusammenstoß mit dem interstellaren Medium Bugschocks erzeugen. Jahrzehntelang wurde angenommen, dass die Sonne einen Bugschock hat. Im Jahr 2012 zeigten die Daten des Interstellar Boundary Explorer (IBEX) und der Voyager-Sonden der NASA, dass der Bugschock der Sonne nicht existiert. Stattdessen argumentieren diese Autoren, dass eine Unterschall-Bugwelle den Übergang von der Sonnenwindströmung zum interstellaren Medium definiert. Ein Bugschock ist die dritte Grenze einer Astrosphäre nach dem Endschock und der Astropause (im Sonnensystem Heliopause genannt). ⓘ
Es gibt im interstellaren Raum Regionen mit höherer Teilchendichte, die interstellare Wolken genannt werden. Man unterscheidet nach ihrer Dichte, Größe und Temperatur verschiedene Typen solcher Wolken: in H-I-Gebieten liegt der Wasserstoff neutral atomar vor, in H-II-Gebieten ionisiert atomar (ein Plasmazustand aus einzelnen Protonen), und in Molekülwolken als molekularer Wasserstoff (H2). Durch gravitative Zusammenziehung entstehen aus Molekülwolken neue Sternensysteme. Auch unser Sonnensystem ist aus einer solchen Wolke entstanden, der Urwolke. ⓘ
An den Grenzen der Astropausen können, wenn die Geschwindigkeit des Sterns relativ zum interstellaren Medium groß genug ist, Stoßfronten (englisch bow shocks) auftreten. Im Fall der Sonne ist die Geschwindigkeit hierfür vermutlich zu gering, so dass statt einer Bugstoßwelle nur eine relativ sanfte Bugwelle angenommen wird. ⓘ
Am 12. September 2013 verkündete die NASA, dass die Raumsonde Voyager 1 am 25. August 2012 die Heliosphäre verlassen habe, als sie einen plötzlichen Anstieg der Plasmadichte registrierte. Voyager 1 hat demnach als erstes menschengeschaffenes Objekt den interstellaren Raum erreicht. Die Schwestersonde Voyager 2 verließ die Heliosphäre als zweites Objekt am 5. November 2018. ⓘ
Intergalaktischer Raum
Der intergalaktische Raum ist der physikalische Raum zwischen den Galaxien. Untersuchungen der großräumigen Verteilung von Galaxien zeigen, dass das Universum eine schaumartige Struktur aufweist, mit Gruppen und Haufen von Galaxien, die entlang von Filamenten liegen, die etwa ein Zehntel des gesamten Raums einnehmen. Der Rest bildet riesige Leerräume, in denen es meist keine Galaxien gibt. Typischerweise erstreckt sich eine Leere über eine Entfernung von (10-40) h-1 Mpc, wobei h die Hubble-Konstante in Einheiten von 100 km s-1 Mpc-1 oder die dimensionslose Hubble-Konstante ist. ⓘ
In der Umgebung von Galaxien und zwischen ihnen befindet sich ein verdünntes Plasma, das in einer galaktischen Fadenstruktur organisiert ist. Dieses Material wird als intergalaktisches Medium (IGM) bezeichnet. Die Dichte des IGM beträgt das 5-200fache der durchschnittlichen Dichte des Universums. Es besteht größtenteils aus ionisiertem Wasserstoff, d. h. aus einem Plasma, das aus einer gleichen Anzahl von Elektronen und Protonen besteht. Wenn Gas aus den Hohlräumen in das intergalaktische Medium fällt, erwärmt es sich auf Temperaturen von 105 K bis 107 K. Diese Temperatur ist hoch genug, um bei Zusammenstößen zwischen den Atomen genügend Energie zu haben, damit die gebundenen Elektronen aus den Wasserstoffkernen entweichen können; deshalb ist das IGM ionisiert. Bei diesen Temperaturen spricht man vom warm-heißen intergalaktischen Medium (WHIM). (Obwohl das Plasma nach irdischen Maßstäben sehr heiß ist, werden 105 K in der Astrophysik oft als "warm" bezeichnet.) Computersimulationen und Beobachtungen deuten darauf hin, dass bis zur Hälfte der atomaren Materie im Universum in diesem warm-heißen, verdünnten Zustand existieren könnte. Wenn Gas aus den filamentären Strukturen des WHIM in die Galaxienhaufen an den Kreuzungspunkten der kosmischen Filamente fällt, kann es sich noch stärker aufheizen und im so genannten Intracluster-Medium (ICM) Temperaturen von 108 K und mehr erreichen. ⓘ
Erdumlaufbahn
Ein Raumfahrzeug befindet sich in einer Umlaufbahn, wenn seine Zentripetalbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft kleiner oder gleich der Zentrifugalbeschleunigung aufgrund der horizontalen Komponente seiner Geschwindigkeit ist. Für eine niedrige Erdumlaufbahn beträgt diese Geschwindigkeit etwa 7.800 m/s (28.100 km/h; 17.400 mph); im Gegensatz dazu betrug die schnellste jemals erreichte Geschwindigkeit eines bemannten Flugzeugs (ohne die Geschwindigkeiten, die von deorbitierenden Raumfahrzeugen erreicht wurden) 2.200 m/s (7.900 km/h; 4.900 mph) im Jahr 1967 durch die nordamerikanische X-15. ⓘ
Um eine Erdumlaufbahn zu erreichen, muss ein Raumfahrzeug schneller fliegen als bei einem suborbitalen Raumflug. Die Energie, die erforderlich ist, um die Erdumlaufgeschwindigkeit in 600 km Höhe zu erreichen, beträgt etwa 36 MJ/kg, also das Sechsfache der Energie, die für den bloßen Aufstieg auf die entsprechende Höhe erforderlich ist. Raumfahrzeuge mit einem Perigäum unterhalb von etwa 2.000 km sind dem Luftwiderstand der Erdatmosphäre ausgesetzt, wodurch sich die Umlaufhöhe verringert. Die Geschwindigkeit des Orbitalabfalls hängt von der Querschnittsfläche und der Masse des Satelliten sowie von Schwankungen der Luftdichte in der oberen Atmosphäre ab. Unterhalb von etwa 300 km (190 Meilen) wird der Zerfall schneller und die Lebensdauer wird in Tagen gemessen. Sobald ein Satellit auf 180 km gesunken ist, hat er nur noch Stunden Zeit, bevor er in der Atmosphäre verdampft. Die Fluchtgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um sich ganz aus dem Schwerefeld der Erde zu lösen und in den interplanetaren Raum vorzudringen, beträgt etwa 11.200 m/s (40.300 km/h). ⓘ
Übergang zum Weltraum
Der Übergang zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum ist fließend. Die Fédération Aéronautique Internationale (FAI) definiert die Grenze zum Weltraum bei 100 Kilometern Höhe über dem Meeresspiegel, der Kármán-Linie. In dieser Höhe ist die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um Auftrieb zum Fliegen zu erhalten, gleich hoch wie die Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten, so dass man oberhalb dieser Linie nicht mehr sinnvoll von Luftfahrt sprechen kann. Davon abweichend definieren die US-amerikanische NASA und die US Air Force bereits die Höhe von 50 Meilen (circa 80 km) als Beginn des Weltraums. Beide als Grenzen vorgeschlagenen Höhen liegen in der Hochatmosphäre. ⓘ
Eine andere Höhendefinition, die diskutiert wird, ist die niedrigstmögliche Perigäumshöhe eines Erdsatelliten, da die dünne Atmosphäre auch oberhalb von 100 Kilometern noch eine nicht zu vernachlässigende Bremswirkung hat. Bei einem die Erde elliptisch umkreisenden Raumflugkörper mit Antrieb liegt die niedrigstmögliche Perigäumshöhe bei etwa 130 Kilometern. Bei einem Raumflugkörper ohne Antrieb liegt sie bei ungefähr 150 Kilometern. Aber selbst in 400 Kilometern, der Flughöhe der Internationalen Raumstation, ist noch eine Bremswirkung der Atmosphäre spürbar, durch die die ISS ständig leicht an Höhe verliert und immer wieder von angedockten Raumschiffen auf eine höhere Umlaufbahn zurückgeschoben werden muss. ⓘ
Die Kármán-Linie der Venus befindet sich bei ungefähr 250 Kilometern Höhe, die des Mars bei etwa 80 Kilometern. Bei Himmelskörpern, die keine oder fast keine Atmosphäre haben, wie etwa dem Merkur, dem Erdmond oder Asteroiden, beginnt der Weltraum direkt an der Oberfläche des Körpers. ⓘ
Beim Wiedereintritt von Raumflugkörpern in die Atmosphäre wird für die Berechnung der Flugbahn eine Wiedereintrittshöhe so festgelegt, dass bis zum Wiedereintrittspunkt der Einfluss der Atmosphäre praktisch vernachlässigbar ist; ab diesem Punkt muss er einkalkuliert werden. Üblicherweise ist die Wiedereintrittshöhe gleich oder höher der Kármán-Linie. Die NASA verwendet bei der Erde als Wiedereintrittshöhe den Wert von 400.000 Fuß (ca. 122 Kilometer). ⓘ
In der bemannten Raumfahrt wird die Grenze physikalisch durch das Erreichen der für eine Erdumlaufbahn nötigen ersten kosmischen Geschwindigkeit definiert, welche erforderlich ist, um die Erde wirklich verlassen zu können. ⓘ
Im Jahr 2009 berichteten Wissenschaftler über detaillierte Messungen mit einem Supra-Thermal Ion Imager (einem Instrument, das die Richtung und Geschwindigkeit von Ionen misst), die es ihnen ermöglichten, eine Grenze bei 118 km über der Erde zu bestimmen. Die Grenze stellt den Mittelpunkt eines allmählichen Übergangs über Dutzende von Kilometern von den relativ sanften Winden der Erdatmosphäre zu den heftigeren Strömen geladener Teilchen im Weltraum dar, die Geschwindigkeiten von weit über 268 m/s erreichen können. ⓘ
Rechtlicher Status
Der Weltraumvertrag bildet den grundlegenden Rahmen für das internationale Weltraumrecht. Er regelt die legale Nutzung des Weltraums durch Nationalstaaten und schließt in seine Definition des Weltraums auch den Mond und andere Himmelskörper ein. Der Vertrag besagt, dass der Weltraum von allen Nationalstaaten frei erforscht werden kann und keinen nationalen Souveränitätsansprüchen unterliegt, und bezeichnet den Weltraum als "Provinz der gesamten Menschheit". Dieser Status als gemeinsames Erbe der Menschheit wurde, wenn auch nicht ohne Widerstand, genutzt, um das Recht auf Zugang und gemeinsame Nutzung des Weltraums für alle Nationen gleichermaßen durchzusetzen, insbesondere für nicht raumfahrende Nationen. Er verbietet auch die Entwicklung von Kernwaffen im Weltraum. Der Vertrag wurde 1963 von der Generalversammlung der Vereinten Nationen verabschiedet und 1967 von der UdSSR, den Vereinigten Staaten von Amerika und dem Vereinigten Königreich unterzeichnet. Bis 2017 haben 105 Vertragsstaaten den Vertrag entweder ratifiziert oder sind ihm beigetreten. Weitere 25 Staaten haben den Vertrag unterzeichnet, ohne ihn zu ratifizieren. ⓘ
Seit 1958 ist der Weltraum Gegenstand zahlreicher Resolutionen der Vereinten Nationen. Mehr als 50 davon betreffen die internationale Zusammenarbeit bei der friedlichen Nutzung des Weltraums und die Verhinderung eines Wettrüstens im Weltraum. Vier weitere weltraumrechtliche Verträge wurden vom UN-Ausschuss für die friedliche Nutzung des Weltraums ausgehandelt und ausgearbeitet. Dennoch gibt es nach wie vor kein gesetzliches Verbot für den Einsatz konventioneller Waffen im Weltraum, und Anti-Satellitenwaffen wurden von den USA, der UdSSR, China und 2019 auch von Indien erfolgreich getestet. Mit dem Mondvertrag von 1979 wurde die Zuständigkeit für alle Himmelskörper (einschließlich der Umlaufbahnen um diese Körper) an die internationale Gemeinschaft übertragen. Der Vertrag wurde von keiner Nation ratifiziert, die derzeit bemannte Raumfahrt betreibt. ⓘ
Im Jahr 1976 trafen sich acht Äquatorialstaaten (Ecuador, Kolumbien, Brasilien, Kongo, Zaire, Uganda, Kenia und Indonesien) in Bogotá, Kolumbien. Mit ihrer "Erklärung des ersten Treffens der Äquatorialländer", der "Erklärung von Bogotá", beanspruchten sie die Kontrolle über das jedem Land entsprechende Segment der geosynchronen Umlaufbahn. Diese Ansprüche sind international nicht anerkannt. ⓘ
Der Teilbereich des Rechts, der einen Bezug zu nationalen und internationalen Aktivitäten im Weltraum hat, wird Weltraumrecht genannt. ⓘ
Der von den Vereinten Nationen 1967 verabschiedete Weltraumvertrag (Vertrag über die Grundsätze zur Regelung der Tätigkeiten von Staaten bei der Erforschung und Nutzung des Weltraums einschließlich des Mondes und anderer Himmelskörper – Treaty on Principles Governing the Activities of States in the Exploration and Use of Outer Space, including the Moon and Other Celestial Bodies) ist das grundlegende Vertragswerk des Weltraumrechts. ⓘ
Entdeckung, Erforschung und Anwendungen
Entdeckung
350 v. Chr. stellte der griechische Philosoph Aristoteles die These auf, dass die Natur ein Vakuum verabscheut, ein Grundsatz, der als horror vacui bekannt wurde. Dieses Konzept baute auf einem ontologischen Argument des griechischen Philosophen Parmenides aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. auf, der die mögliche Existenz einer Leere im Raum bestritt. Auf der Grundlage dieser Idee, dass ein Vakuum nicht existieren kann, wurde im Westen viele Jahrhunderte lang die Auffassung vertreten, dass der Raum nicht leer sein kann. Noch im 17. Jahrhundert vertrat der französische Philosoph René Descartes die Ansicht, dass der gesamte Raum gefüllt sein müsse. ⓘ
Im alten China war der Astronom Zhang Heng aus dem 2. Jahrhundert davon überzeugt, dass der Raum unendlich sein muss und sich weit über den Mechanismus hinaus erstreckt, der die Sonne und die Sterne trägt. In den überlieferten Büchern der Hsüan-Yeh-Schule heißt es, der Himmel sei grenzenlos, "leer und substanzlos". Ebenso "schweben Sonne, Mond und die Schar der Sterne im leeren Raum, bewegen sich oder stehen still". ⓘ
Der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei wusste, dass Luft eine Masse hat und somit der Schwerkraft unterliegt. Im Jahr 1640 wies er nach, dass eine etablierte Kraft der Entstehung eines Vakuums widersteht. Es sollte seinem Schüler Evangelista Torricelli vorbehalten bleiben, 1643 einen Apparat zu entwickeln, mit dem ein Teilvakuum erzeugt werden konnte. Dieses Experiment führte zum ersten Quecksilberbarometer und sorgte in Europa für eine wissenschaftliche Sensation. Der französische Mathematiker Blaise Pascal kam zu dem Schluss, dass die Quecksilbersäule in größerer Höhe, wo der Luftdruck geringer ist, kürzer sein müsste, wenn sie von der Luft getragen würde. Im Jahr 1648 wiederholte sein Schwager Florin Périer das Experiment auf dem Berg Puy de Dôme in Zentralfrankreich und stellte fest, dass die Säule um drei Zoll kürzer war. Dieser Druckabfall wurde auch dadurch nachgewiesen, dass man einen halb gefüllten Ballon auf einen Berg trug und beobachtete, wie er sich allmählich ausdehnte und dann beim Abstieg wieder zusammenzog. ⓘ
Im Jahr 1650 konstruierte der deutsche Wissenschaftler Otto von Guericke die erste Vakuumpumpe: ein Gerät, das das Prinzip des horror vacui weiter widerlegen sollte. Er stellte richtig fest, dass die Erdatmosphäre den Planeten wie eine Schale umgibt, wobei die Dichte mit der Höhe allmählich abnimmt. Daraus schloss er, dass zwischen der Erde und dem Mond ein Vakuum herrschen muss. ⓘ
Im 15. Jahrhundert spekulierte der deutsche Theologe Nicolaus Cusanus darüber, dass das Universum weder einen Mittelpunkt noch einen Umfang hat. Er glaubte, dass das Universum zwar nicht unendlich ist, aber auch nicht als endlich angesehen werden kann, da es keine Grenzen hat, innerhalb derer es sich bewegen könnte. Diese Ideen führten im 16. Jahrhundert zu Spekulationen über die unendliche Dimension des Raums durch den italienischen Philosophen Giordano Bruno. Er erweiterte die kopernikanische heliozentrische Kosmologie um das Konzept eines unendlichen Universums, das mit einer Substanz gefüllt ist, die er Äther nannte und die sich der Bewegung der Himmelskörper nicht widersetzte. Der englische Philosoph William Gilbert kam zu einer ähnlichen Schlussfolgerung und argumentierte, dass die Sterne für uns nur deshalb sichtbar sind, weil sie von einem dünnen Äther oder einer Leere umgeben sind. Das Konzept des Äthers stammt von den griechischen Philosophen der Antike, darunter Aristoteles, der ihn als das Medium betrachtete, durch das sich die Himmelskörper bewegen. ⓘ
Das Konzept eines Universums, das mit einem leuchtenden Äther gefüllt ist, wurde von einigen Wissenschaftlern bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts vertreten. Diese Form des Äthers wurde als das Medium betrachtet, durch das sich das Licht ausbreiten konnte. Im Jahr 1887 wurde mit dem Michelson-Morley-Experiment versucht, die Bewegung der Erde durch dieses Medium nachzuweisen, indem man nach Änderungen der Lichtgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Planeten suchte. Das Nullergebnis wies darauf hin, dass mit dem Konzept etwas nicht stimmte. Die Idee des lichtdurchlässigen Äthers wurde daraufhin aufgegeben. An ihre Stelle trat Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie, die besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine feste Konstante ist, unabhängig von der Bewegung des Beobachters oder seinem Bezugssystem. ⓘ
Der erste professionelle Astronom, der das Konzept eines unendlichen Universums vertrat, war der Engländer Thomas Digges im Jahr 1576. Die Größe des Universums blieb jedoch unbekannt, bis der deutsche Astronom Friedrich Bessel im Jahr 1838 die erste erfolgreiche Messung der Entfernung zu einem nahen Stern vornahm. Er zeigte, dass das Sternsystem 61 Cygni eine Parallaxe von nur 0,31 Bogensekunden aufwies (verglichen mit dem modernen Wert von 0,287″). Dies entspricht einer Entfernung von über 10 Lichtjahren. Im Jahr 1917 stellte Heber Curtis fest, dass Novae in Spiralnebeln im Durchschnitt um 10 Magnituden schwächer sind als galaktische Novae, was darauf schließen lässt, dass erstere 100 Mal weiter entfernt sind. Die Entfernung zur Andromeda-Galaxie wurde 1923 von dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble durch Messung der Helligkeit von Cepheiden-Variablen in dieser Galaxie bestimmt, eine neue Technik, die von Henrietta Leavitt entdeckt wurde. Damit wurde festgestellt, dass die Andromeda-Galaxie und damit alle Galaxien weit außerhalb der Milchstraße liegen. ⓘ
Das moderne Konzept des Weltalls basiert auf der "Urknall"-Kosmologie, die erstmals 1931 von dem belgischen Physiker Georges Lemaître vorgeschlagen wurde. Diese Theorie besagt, dass das Universum aus einem sehr dichten Gebilde entstanden ist, das sich seitdem kontinuierlich ausdehnt. ⓘ
Die früheste bekannte Schätzung der Temperatur des Weltraums stammt von dem Schweizer Physiker Charles É. Guillaume im Jahr 1896. Anhand der geschätzten Strahlung der Hintergrundsterne kam er zu dem Schluss, dass der Weltraum auf eine Temperatur von 5-6 K aufgeheizt sein muss. Der britische Physiker Arthur Eddington führte 1926 eine ähnliche Berechnung durch und kam auf eine Temperatur von 3,18 K. Der deutsche Physiker Erich Regener verwendete die gesamte gemessene Energie der kosmischen Strahlung, um 1933 eine intergalaktische Temperatur von 2,8 K zu schätzen. Die amerikanischen Physiker Ralph Alpher und Robert Herman sagten 1948 eine Temperatur von 5 K für den Weltraum voraus und stützten sich dabei auf die allmähliche Abnahme der Hintergrundenergie nach der damals neuen Urknalltheorie. Die moderne Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds liegt bei etwa 2,7 K. ⓘ
Der Begriff "outer space" wurde 1842 von der englischen Dichterin Lady Emmeline Stuart-Wortley in ihrem Gedicht "The Maiden of Moscow" verwendet. Der Ausdruck outer space wurde 1845 von Alexander von Humboldt als astronomischer Begriff verwendet. Er wurde später in den Schriften von H. G. Wells im Jahr 1901 populär gemacht. Der kürzere Begriff Weltraum ist älter und wurde erstmals 1667 in John Miltons Paradise Lost (Das verlorene Paradies) als Bezeichnung für die Region jenseits des Erdhimmels verwendet. "Spaceborne" bedeutet, dass es sich im Weltraum befindet, insbesondere wenn es von einem Raumschiff getragen wird; ähnlich bedeutet "space-based", dass es im Weltraum angesiedelt ist oder Weltraumtechnologie verwendet. ⓘ
Erforschung und Anwendung
Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte wurde der Weltraum durch Beobachtungen von der Erdoberfläche aus erforscht - zunächst mit dem bloßen Auge, dann mit dem Teleskop. Vor der Entwicklung zuverlässiger Raketentechnologie kamen die Menschen dem Weltraum am nächsten, indem sie mit Ballons flogen. Im Jahr 1935 erreichte die US-Ballonfahrt Explorer II mit Besatzung eine Höhe von 22 km. Dies wurde 1942 weit übertroffen, als der dritte Start der deutschen A-4-Rakete eine Höhe von etwa 80 km erreichte. Im Jahr 1957 wurde der unbemannte Satellit Sputnik 1 von einer russischen R-7-Rakete gestartet und erreichte eine Erdumlaufbahn in 215-939 km Höhe (134-583 mi). Im Jahr 1961 folgte der erste bemannte Raumflug, als Juri Gagarin mit Wostok 1 in die Erdumlaufbahn geschickt wurde. Die ersten Menschen, die die erdnahe Umlaufbahn verließen, waren Frank Borman, Jim Lovell und William Anders 1968 an Bord der US-Raumfähre Apollo 8, die eine Mondumlaufbahn erreichte und eine maximale Entfernung von 377.349 km von der Erde erreichte. ⓘ
Das erste Raumschiff, das die Fluchtgeschwindigkeit erreichte, war die sowjetische Luna 1, die 1959 den Mond im Vorbeiflug umrundete. 1961 wurde Venera 1 die erste Planetensonde. Sie wies das Vorhandensein des Sonnenwindes nach und führte den ersten Vorbeiflug an der Venus durch, obwohl der Kontakt abbrach, bevor sie die Venus erreichte. Die erste erfolgreiche Planetenmission war 1962 der Vorbeiflug von Mariner 2 an der Venus. Der erste Vorbeiflug am Mars wurde von Mariner 4 im Jahr 1964 durchgeführt. Seitdem haben unbemannte Raumsonden alle Planeten des Sonnensystems sowie deren Monde und viele Kleinplaneten und Kometen erfolgreich untersucht. Sie sind nach wie vor ein wichtiges Instrument für die Erforschung des Weltraums und die Beobachtung der Erde. Im August 2012 verließ Voyager 1 als erstes von Menschenhand geschaffenes Objekt das Sonnensystem und drang in den interstellaren Raum ein. ⓘ
Das Fehlen von Luft macht den Weltraum zu einem idealen Ort für die Astronomie bei allen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. Das beweisen die spektakulären Bilder des Hubble-Weltraumteleskops, mit denen Licht von vor mehr als 13 Milliarden Jahren - fast bis zur Zeit des Urknalls - beobachtet werden kann. Nicht jeder Ort im Weltraum ist ideal für ein Teleskop. Der interplanetare Zodiakalstaub emittiert eine diffuse Strahlung im nahen Infrarot, die die Emission schwacher Quellen wie extrasolarer Planeten verdecken kann. Wird ein Infrarot-Teleskop am Staub vorbeigeführt, erhöht sich seine Effizienz. Ebenso könnte ein Standort wie der Daedalus-Krater auf der anderen Seite des Mondes ein Radioteleskop vor den Radiofrequenzstörungen abschirmen, die die Beobachtungen auf der Erde behindern. ⓘ
Unbemannte Raumfahrzeuge in der Erdumlaufbahn sind eine wesentliche Technologie der modernen Zivilisation. Sie ermöglichen die direkte Überwachung des Wetters, die Übertragung von Langstreckenkommunikationen wie dem Fernsehen, eine präzise Navigation und die Fernerkundung der Erde. Die letztgenannte Funktion dient einer Vielzahl von Zwecken, z. B. der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit für die Landwirtschaft, der Vorhersage des Wasserabflusses aus saisonalen Schneepaketen, der Erkennung von Krankheiten bei Pflanzen und Bäumen und der Überwachung militärischer Aktivitäten. ⓘ
Das tiefe Vakuum des Weltraums könnte ihn zu einer attraktiven Umgebung für bestimmte industrielle Prozesse machen, etwa für solche, die ultrareine Oberflächen erfordern. Wie der Asteroidenabbau würde auch die Herstellung im Weltraum eine große finanzielle Investition mit geringen Aussichten auf eine sofortige Rendite erfordern. Ein wichtiger Faktor bei den Gesamtkosten sind die hohen Kosten für das Einbringen von Masse in die Erdumlaufbahn: 8.000 bis 27.000 Dollar pro Kilogramm, so eine Schätzung aus dem Jahr 2006 (unter Berücksichtigung der seitdem eingetretenen Inflation). Die Kosten für den Zugang zum Weltraum sind seit 2013 gesunken. Teilweise wiederverwendbare Raketen wie die Falcon 9 haben den Zugang zum Weltraum auf unter 3500 Dollar pro Kilogramm gesenkt. Mit diesen neuen Raketen bleiben die Kosten für den Transport von Materialien ins All für viele Branchen unerschwinglich hoch. Zu den vorgeschlagenen Konzepten zur Lösung dieses Problems gehören vollständig wiederverwendbare Trägersysteme, raketenlose Weltraumstarts, Impulsaustauschseile und Weltraumaufzüge. ⓘ
Interstellare Reisen für eine menschliche Besatzung sind gegenwärtig nur eine theoretische Möglichkeit. Die Entfernungen zu den nächstgelegenen Sternen erfordern neue technologische Entwicklungen und die Fähigkeit, die Besatzungen über mehrere Jahrzehnte hinweg sicher zu unterhalten. Die Studie des Daedalus-Projekts, in der ein Raumschiff vorgeschlagen wird, das durch die Fusion von Deuterium und Helium-3 angetrieben wird, würde beispielsweise 36 Jahre benötigen, um das "nahe" Alpha Centauri-System zu erreichen. Andere vorgeschlagene interstellare Antriebssysteme umfassen Lichtsegel, Staustrahltriebwerke und Strahlantriebe. Fortschrittlichere Antriebssysteme könnten Antimaterie als Treibstoff verwenden und damit möglicherweise relativistische Geschwindigkeiten erreichen. ⓘ
Unter der Leitung Wernher von Brauns wurde für die zivile US-Bundesbehörde NASA im Rahmen des US-amerikanischen Apollo-Programms die Familie der Saturn-Raketen entwickelt. Mit diesen leistungsstarken Trägerraketen, deren Einsatz 1961 begann und 1975 endete, wurden zum ersten und bisher einzigen Mal Menschen weiter als in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht. Insgesamt wurden mit Saturn-Raketen 24 Astronauten zum Mond geflogen, von denen 12 die Mondoberfläche betraten. Das sowjetische bemannte Mondprogramm wurde nach 4 Fehlstarts der großen N1-Rakete eingestellt, ohne dass ein Kosmonaut den Mond betreten hat. ⓘ
In der bemannten Raumfahrt kommen Trägerraketen, Raumschiffe, Raumfähren, Raumflugzeuge und Raumstationen zum Einsatz. ⓘ
Weltraum und Schwerelosigkeit
Entgegen einer häufigen Laienvorstellung herrscht im Weltraum keinesfalls pauschal Schwerelosigkeit. Die Gravitationskraft der gegenseitigen Anziehung von Massen wirkt überall und über weiteste Distanzen. Schwerelosigkeit tritt im Weltall immer dann auf, wenn ein Körper ausschließlich gravitative Beschleunigungen erfährt, so dass er im freien Fall ist. Gegebenenfalls führt der freie Fall den Körper auf einer Umlaufbahn um einen Himmelskörper herum. ⓘ
Immer dann, wenn ein Raumflugkörper aus eigenem Antrieb beschleunigt oder bremst, ist er nicht mehr im freien Fall und es wird eine Beschleunigungskraft (g-Kraft) spürbar. Ein rotierender Körper erfährt außerdem eine seiner Größe und Rotationsgeschwindigkeit entsprechende Zentrifugalkraft. Beide Kräfte werden durch die Trägheit des Körpers verursacht. ⓘ
Auch immer dann, wenn ein Körper in seinem Fall gehemmt wird, erfährt er durch eine Gegenkraft Schwere. Bei einem Planeten oder Mond ohne Atmosphäre (etwa dem Erdmond) reicht der Weltraum bis zum Boden. Alle Objekte auf der Oberfläche des Himmelskörpers befinden sich somit auch zugleich im Weltraum. Da ihr Fall durch den Boden gehemmt wird, erfahren sie keine Schwerelosigkeit, sondern die normale Schwerkraft des Himmelskörpers. ⓘ
Der Mensch im Weltraum
- Siehe auch Weltraumhaftung, Weltraumkolonisierung, Weltraumtourismus, Weltraumtruppen, Weltraumwaffe, Weltraumzeitalter ⓘ
Raumfahrt
Die Geschichte der Raumfahrt beginnt mit der Entwicklung der Rakete und der Raketentechnik, insbesondere von Raketentriebwerken. Siehe Liste der Listen von Trägerraketenstarts. ⓘ
Erschließung von Rohstoffen
Es wird davon ausgegangen, dass auf bzw. in Himmelskörpern im Weltraum Rohstoffe wie Gesteine, Edelmetalle oder seltene Erden in großem Ausmaß und mit großem wirtschaftlichen Wert zu finden sind. Erdnahe Asteroiden beispielsweise bestehen zu 30 % aus Metallen wie Eisen und Nickel, in kleineren Anteilen auch Kobalt, Gold oder Platin. ⓘ
Noch ist Bergbau im Weltraum nicht mehr als ein Sammelbegriff für entsprechende Zukunftsvisionen und Konzepte. ⓘ
2014 stellten ESA-Forscher auf der ESOF-Wissenschaftskonferenz in Kopenhagen Ideen zur wirtschaftlichen Erschließung des Mondes vor. ⓘ
Die USA beschlossen 2015 ein Gesetz zur kommerziellen Nutzung von Gesteinen im Weltraum für ihre Bürger. Das US-Unternehmen Deep Space Industries (DSI), das diesen potenziellen Sektor erschließen möchte, zog im Jahr 2016 Parallelen zur historischen Landnahme im Wilden Westen und dem kalifornischen Goldrausch im 19. Jahrhundert, um Investoren anzuziehen. ⓘ
Der EU-Kleinstaat Luxemburg legte im November 2016 einen Gesetzentwurf zur Förderung von Rohstoffen im Weltraum vor, der Forschern und Investoren Rechtssicherheit über etwaiges Eigentum an Material aus dem Weltall geben soll. Die von Luxemburg gegründete Initiative Space Resources soll Rohstoffe wie Metalle und Mineralien, aber auch Wasser von erdnahen Himmelskörpern abbauen. Diese sollen vor allem im Weltraum für die Raumfahrt genutzt werden und eine neue Weltraumindustrie ermöglichen: Wasser- und Sauerstoff könnten als Treibstoff für Raumfahrzeuge genutzt oder Astronauten mit auf Asteroiden gefundenem Wasser versorgt werden. US-Unternehmen wie DSI und Planetary Resources (PR) haben in Luxemburg bereits Europa-Niederlassungen etabliert. Luxemburgs Regierung selbst fördert den „Weltraumbergbau“ zunächst mit 200 Millionen Euro. ⓘ