Orbit
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ESA/Trimaran Kapitel 3 Die Reporterbande im ESA 2002 / D. Ducros ORBIT ZEITUNG SONDERAUSGABE S ORBIT © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkas Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 1 Orbit Ein neues Abenteuer für die Reporterbande Orbit machen? Evu erzählt mal wieder Astronautengarn … Was ist denn ein Orbit? Und kurz nachdem ich die Weltraumprinzessin befreit hatte, war ich im Orbit gefangen! Es war grausam: Ich drehte mich immer im Kreis, im Kreis, im Kreis … Du weißt nicht, was ein Orbit ist? WAS-IST-EIN-ORBIT? Tja, äh, also, hmmm ... ... eine Umlaufbahn um einen Planeten! Da will ich mehr wissen! Lasst uns eine Sonderausgabe zum Thema ... Sag ich doch: Umlaufbahn um einen Planeten. ORBIT MACHEN! © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 2 Orbit Die Reporterbande entdeckt Orbit, Kreis und Umlaufbahn Der Orbit ist die Umlaufbahn. Solch eine Umlaufbahn sieht fast aus wie ein Kreis. Deswegen heißt der Orbit auch Orbit. Das Wort kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „Kreis“. Der niedrige Erdorbit (LEO) Viele Satelliten fliegen im niedrigen Erdorbit, dem so genannten LEO. Von dort aus kann man die Erde gut beobachten. Jeder Planet hat verschiedene Umlaufbahnen. Einige sind näher, andere sind weiter weg. Wenn Wissenschaftler zum Beispiel von der Erde aus einen Satelliten ins All schicken, können sie sich verschiedene Umlaufbahnen aussuchen. Sie können einen Orbit wählen, der um den Äquator verläuft, oder einen, der über den Nord- und Südpol verläuft, oder irgendeinen dazwischen. Sie können auch zwischen einem nahen oder fernen Orbit wählen. Die Wahl des Orbits hängt von der Aufgabe des Satelliten ab. ESA Orbit ist nicht Orbit New York City, aus dem n ) gesehe Low Earth Orbit (LEO Orbit? Sehr anziehend! Wenn ich einen Magneten habe, bin ich auch sehr anziehend. Der Orbit ist eine Umlaufbahn. Solche Umlaufbahnen gibt es um jeden Planeten und Stern. Planeten und Sterne haben alle ihre eigene Anziehungskraft – die Erde auch. Alles, was sich in einem Orbit der Erde befindet, verliert die Erde nicht. Es wird immer noch von ihr angezogen. Die Erde besitzt selbst in großer Entfernung noch ihre Anziehungskraft. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 3 Orbit Mal nachgefragt Ein Blick in den Himmel Bernd Brinkmann arbeitet in der Volkssternwarte in Herne. Das ist ein Gebäude, in dem Sterne, die Sonne, Planeten und der Mond mit Teleskopen beobachtet werden. Darf jeder durch ein Teleskop den Himmel beobachten? Bernd Brinkmann Jeder darf durch das Teleskop der Sternwarte sehen. Aber das geht nicht immer. Die Sterne könnt ihr nur bei klarem, Was istt mit den Satelliten und der dunklem Himmel sehen. Im Sommer ist das erst spät abends möglich. Übrigens internationalen Raumstation ISS? entdecken Kinder immer mehr als ErEine Sternwarte ist kein idealer Ort, um wachsene. die Raumstation zu beobachten – die kann man mit bloßem Auge besser Kann man den Orbit sehen? sehen. Wie sieht er aus? Der Orbit hat keine Farbe, er ist nicht rot oder grün oder blau. Orbit ist der Begriff für die Umlaufbahn eines Satelliten um die Erde. Diese Bahn kann mit Zahlen beschrieben werden. Sehen könnt ihr ihn leider nicht. Was ist eine Sternwarte? Eine Sternwarte ist ein Gebäude, in dem es Teleskope gibt. Damit kann man in den Himmel schauen und weit entfernte Planeten und Sterne beobachten. Für ihre Besucher bieten Sternwarten Führungen an. Dann werden den Besuchern beispielsweise die Sternbilder und Teleskope erklärt. Bei manchen Sternwarten gibt es sogar Ferienprogramme für Kinder. Was schauen Sie am liebsten an? 1974 habe ich mein erstes Teleskop bekommen. Es war ein beeindruckendes Erlebnis, den Himmel zu betrachten. Besonders aufregend ist es, wenn man etwas Neues sieht. Am liebsten beobachte ich aber Kometen und mache Fotos von ihnen. Sie verändern ihre Position und sehen immer anders aus. Das finde ich spannend. Irgendwann werde ich einen Stern entdecken. Und der wird „Albert“ heißen. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Ve Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 4 Orbit Die Reporterbande entdeckt Wer umkreist wen? Das schwerste Objekt unseres Sonnensystems ist die Sonne. Deshalb umkreisen sämtliche Planeten die Sonne. Sie ist viel schwerer als alle Planeten. Weil der Mond, die Satelliten und die Raumstation leichter als die Erde sind, kreisen sie wiederum um die Erde. Genaue Berechnungen Bevor man einen Satelliten in die Umlaufbahn befördert, muss man ganz genaue Berechnungen anstellen, damit alles stimmt. Der Satellit muss von einer Trägerrakete exakt im richtigen Orbit abgesetzt werden. Setzt die Rakete den Satelliten beispielsweise zu früh ab, ist er zu tief und kann den richtigen Orbit nicht mehr erreichen – die ganze Aktion war umsonst. Die Mission ist gescheitert. Der Geostationäre Orbit Der Geostationäre Orbit (GEO) ist von der Erde ziemlich weit entfernt. Satelliten, die in diesem Orbit schweben, fliegen genau mit der Drehung der Erde. Sie scheinen deshalb immer an derselben Stelle zu stehen. Das hat einen riesigen Vorteil: So können alle Leute, die für ihren Fernseher Satellitenschüsseln haben, die Schüssel fest auf den Satelliten ausrichten. ESA / AOES Medialab Oh Gott: Ich habe im Orbit des Planeten Xysroth meine Sachen liegen lassen! Ein Satellit im it Orb Geostationären © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke ke gestattet 5 Orbit Macht das mal fertig ZEITUNG SONDERAUSGABE ORBIT Unglaublich: Orbit und Umlaufbahn sind dasselbe! Unsere Reporterin Marie konnte etwas Unfassbares aufklären: _ _ _ _ _ ist einfach nur ein anderes Wort für eine Umlaufbahn. Knallhart recherchiert: Die Erde hat viele Orbits MARIES K O M M E N TA R Die verschiedenen Umlaufbahnen eines Planeten oder eines Sterns werden Orbits genannt. Die Anziehungskraft der Planeten und Sterne hält beispielsweise Satelliten auf einer festen Umlaufbahn. Selbst in der Entfernung des Mondes wirkt die Anziehungskraft der Erde noch. Liebe Leserinnen und Leser, Der feine Unterschied: der Geostationäre Orbit wissen Sie, was ein Orbit ist? Das sagen wir Ihnen in dieser Ausgabe der Zeitung. Leider ist das Schaubild von unserem Reporter Albert nicht mehr ganz fertig geworden – aber Sie können es sicher fertig malen! „Satelliten sind im _ _ _ _ _“, hat unser Redaktionsmitglied Albert herausgefunden. Im _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Orbit schweben unter anderem die Wettersatelliten und Fernsehsatelliten. Tschüssi, Ihre Marie PS: Hab ich ganz vergessen: Auch ein paar Worte fehlen. Können Sie die auch schnell ergänzen? Danke! Anziehungskraft oder schwerelos? Unser Reporter Albert macht anhand dieser beiden Bilder deutlich, was der Unterschied zwischen Schwerelosigkeit und Anziehungskraft ist. Erde Orbit Anziehungskraft: Hier sehen Sie einen Tisch mit einem Spielzeugauto, einem Füller und einem Radiergummi. Schwerelosigkeit: Hier sehen Sie einen Tisch mit einem Spielzeugauto, einem Füller und einem Radiergummi. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 6 Orbit Das Orbit-Quiz Was weißt du über den Orbit? Was ist der Orbit? A) Der Orbit ist ein Zauberer aus „Harry Potter“. B) Orbit ist ein anderes Wort für Umlaufbahn. C) Orbit ist ein anderes Wort für Tibro. D) Orbit ist ein anderes Wort für Satellit. Welche Satelliten schweben im Geostationären Orbit? . A) Im Geostationären Orbit schweben alle Wetter- und Fernsehsatelliten B) Im Geostationären Orbit schweben alle Satelliten von Evu. C) Im Geostationären Orbit schweben alle Milchstraßen. oßen. D) Im Geostationären Orbit schweben alle schwerelosen Dideldadels Was bedeutet Schwerelosigkeit? A) Nach einer Diät wird man irgendwann schwerelos. B) Das bedeutet, dass nichts mehr auf den Boden fällt, sondern alles einfach herumschwebt. C) Das bedeutet, dass man losgeflogen ist. D) Das bedeutet, dass man alles Schwere los ist. Kann man den Orbit sehen? stellt. A) Den Orbit kann man sehen, wenn man einen Tibro auf den Kopf lb. B) Der Orbit ist im Gegensatz zum Himmel immer mausgrau oder hellge C) Klar, bei sternenklarer Nacht. D) Orbit ist nur eine Bezeichnung für Umlaufbahn. Die Erde hat viele verschiedene Umlaufbahnen. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet 7 Orbit Orbit ESA/Trimaran Hintergrundinformationen für Lehrkräfte 1 Allgemeines zum Kapitel Das Kapitel Orbit ist ein relativ kurzes, aber wichtiges Kapitel, da der Begriff „Orbit” vor allem für das Verständnis des erdnahen Weltraums von zentraler Bedeutung ist. Das Kapitel bietet sich deshalb insbesondere als Vorbereitung für die Kapitel Satelliten und Raumstationen an. Ein Orbit ist eine Umlaufbahn um einen Körper. Meist bezeichnet man damit die Umlaufbahn eines künstlichen Satelliten um die Erde. Da es sich dabei um eine gedachte kreisförmige oder elliptische Linie handelt, kann man Orbits nicht sehen. Orbits existieren um jedes schwere Objekt, d.h. um alle Sterne und Planeten – streng genommen existieren jeweils unendlich viele Umlaufbahnen, wobei jeder Bahnhöhe des kreisenden Objektes eine ganz bestimmte Bahn- bzw. Orbitalgeschwindigkeit zugeordnet ist. Dabei heben sich zwei Kräfte gegenseitig auf: die Anziehungskraft des Sterns oder Planeten und die so genannte Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Die Zentrifugalkraft entsteht, wenn ein Körper auf eine Kreisbahn gezwungen wird. Sie wird zum Beispiel spürbar, wenn man einen Schleuderball an einer langen Schlaufe schnell rotieren lässt. Je schneller der Ball wird, desto größer wird die nach außen wirkende Zentrifugalkraft, und man muss mehr Kraft aufwenden, um die Schlaufe festzuhalten . Dies sei hier aber nur kurz angemerkt, denn in diesem Kapitel sollen die Schüler sich nicht mit der Fliehkraft beschäftigen, sondern mit dem Orbit. Hierzu antwortet das Kapitel im Wesentlichen auf zwei Fragen, nämlich: „Was ist der Orbit?“ und „Wo ist der Orbit?“ Lernziel 1 Was ist der Orbit? Orbits sind Umlaufbahnen. Jeder Satellit, das Space-Shuttle oder die Raumstation ISS befinden sich in einem Orbit – d.h. sie bewegen sich immer auf einer Umlaufbahn und „schweben” nicht etwa an einem bestimmten Ort irgendwo im Weltraum. Beim Start muss die Rakete das Objekt daher nicht nur auf die entsprechende Bahnhöhe bringen, sondern ihm vor allem auch die erforderliche enorm hohe Bahngeschwindigkeit geben. Ist der Orbit erreicht, ist kein weiterer Antrieb erforderlich (Triebwerke an den Satelliten werden nur noch zu Bahn- und Lagekorrekturen verwendet.). Zum Lernziel 1 gehören folgende Inhalte: – Interview: „Ein Blick in den Himmel“ – Meldung: „Orbit, Kreis und Umlaufbahn“ – Meldung: „Genaue Berechnungen“ Informationen zu dieser Meldung: Wenn der Satellit zu früh abgesetzt wird, entsteht tatsächlich ein ernsthaftes Problem. Im Kapitel Raumstationen finden Sie eine kuriose Meldung – „Sonderauftrag Satellitenrettung“ – sie beschreibt, wie ein Satellit, der im falschen Orbit abgesetzt wurde, gerettet werden kann. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet Hintergrundinformationen für Lehrkräfte 2 Orbit Lernziel 2 Wo ist der Orbit? Die Aufgabe eines Satelliten entscheidet über die genaue Umlaufbahn, in der er eingesetzt wird. Es ist daher wichtig zu wissen, welche Orbits es gibt. Einige Meldungen im Kapitel 4 (Satelliten) wie „Sachen gibt’s!” oder „Den Überblick behalten” sowie die Infografik „Die Satellitenübertragung” bauen auf dem im vorliegenden Kapitel vermittelten Wissen über unterschiedliche Orbits auf. Hierbei unterstützt Sie das beiliegende Plakat. Obwohl die Größenverhältnisse natürlich nicht richtig dargestellt werden konnten, können Sie anhand des Plakats sehr gut demonstrieren, wo die Orbits liegen. So sehen die Schüler auf den ersten Blick, welche Objekte sich in welchen Orbits befinden. LEO: Alle erdnahen Orbits zwischen etwa 200 und 1000 Kilometern Bahnhöhe werden als Low Earth Orbits (LEO) bezeichnet. Die Internationale Raumstation ISS befindet sich beispielsweise auf solch einem erdnahen Orbit. Auch die meisten Erdbeobachtungssatelliten befinden sich auf erdnahen Orbits in etwa 800 Kilometer Bahnhöhe, da sie von dort besonders detaillierte Beobachtungen machen können. Die Bahnen der Erdbeobachtungssatelliten weisen dabei oft eine Besonderheit auf: Die Bahnebene ist gegenüber dem Äquator um etwa 90 Grad geneigt und führt daher über Nord- und Südpol. Solche polaren Umlaufbahnen werden als Polar Earth Orbits (PEO) bzw. in einer Sonderform auch als Sonnensynchrone Orbits (SSO) bezeichnet. Mittlerer Erdorbit (MEO): Dieser Begriff umfasst alle Bahnen oberhalb 1000 Kilometern bis zur geostationären Bahn. Diese Orbits werden mit Bahnhöhen von etwa 20 000 Kilometer vor allem von Navigationssatelliten genutzt. Navigationssatelliten werden für das amerikanische GPS-System, das russische Glonass-System und das zukünftige europäische GalileoSystem eingesetzt. Neuerdings finden sich dort auch kleinere Kommunikationssatelliten, die Telefonate über spezielle Satelliten-Handys ermöglichen. GEO: Es gibt genau einen geostationären Orbit. Er befindet sich in etwa 35 786 Kilometer Höhe über dem Äquator. Satelliten, die diesen Orbit nutzen, reihen sich wie Perlen auf einer Schnur auf diesem Orbit auf. Wie der Name GEO schon andeutet, drehen sich Satelliten auf diesen Bahnen mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde, d.h. sie benötigen genau 24 Stunden für eine Erdumrundung. Da sich auch die Erde einmal am Tag um die eigene Achse dreht, scheint es, als ob sich der Satellit an einem festen Punkt am Himmel befinden würde. Dies ist vor allem für Kommunikationssatelliten von herausragender Bedeutung, weil die Antennen auf der Erde so fest auf den Satelliten ausgerichtet werden können. Dies ist nur bei Satelliten möglich, die sich im GEO befinden. Wegen des großen Abstandes zur Erde braucht man besonders leistungsfähige Raketen, um den GEO zu erreichen. Meist werden Satelliten, die diesen Orbit erreichen sollen, nicht direkt in den GEO eingeschossen, sondern zunächst in den leichter zu erreichenden elliptischen geostationären Transferorbit (GTO). Von dort aus steigen sie mithilfe spezieller Triebwerke in den GEO auf. Zum Lernziel 2 gehören folgende Inhalte: – Meldung: „Orbit ist nicht Orbit“ Informationen zu dieser Meldung: Im Kapitel Raketen und im Kapitel Satelliten sind interessante Ergänzungen zu dieser Meldung. – Meldung: „Der niedrige Erdorbit (LEO)“ – Meldung: „Der geostationäre Orbit“ Lernziel 3 Schwerelosigkeit im Orbit Eine besondere Bedeutung haben die Themen Schwerelosigkeit und Anziehungskraft. Die Anziehungskraft eines Planeten wirkt natürlich auch noch im Orbit. Sie zwingt dort beispielsweise Monde, Satelliten oder Raumstationen auf ihre Umlaufbahn. Die Schwerelosigkeit entsteht im Orbit, weil sich dort zwei Kräfte gegenseitig aufheben: die Anziehungskraft des Planeten und die durch die Kreisbewegung verursachte Zentrifugalkraft. Zum Thema Anziehungskraft gibt es im Kapitel Raumstationen einen spannenden Versuch. Zum Lernziel 3 gehören folgende Inhalte: – Meldung: „Orbit? Sehr anziehend“ – Meldung: „Wer umkreist wen?“ Lückentext Lösungen zum Lückentext Orbit Orbit geostationären In der Meldung „Anziehungskraft oder schwerelos?” sollen die Schülerinnen und Schüler die fehlenden Objekte Spielzeugauto, Füller und Radiergummi richtig einzeichnen. Orbit-Quiz Lösungen zum Orbit-Quiz Was ist der Orbit? Antwort C ist richtig. Eine Meldung zu dieser Frage befindet sich auf Seite 3. Welche Satelliten schweben im geostationären Orbit? Antwort A ist richtig; nähere Informationen finden sich auf der Seite 5. Was bedeutet schwerelos? Antwort B ist richtig; weitere Informationen zu dieser Frage befinden sich im Kapitel Astronauten. © 2003 DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Standort Bonn-Oberkassel / Vervielfältigung für Lehrzwecke gestattet Motiv Astronaut: NASA Motiv ISS: ESA / D. Ducros Motiv Hubble: NASA Oberfläche des Mars NASA Motiv Beagle 2: ESA / Illustration von Medialab Beagle 2 Bild von Meteosat Reparatur von Hubble Montage der ISS Weltraumlabor Columbus wird noch angedockt ESA / D. Ducros ESA / D. Ducros Motiv Meteosat: ESA / D. Ducros 2002 ESA 2002 NASA /JPL uctions ESA / Denman prod S RI PA ESA/NASA LN KÖ EN EM BR Europäisches RaumfahrtKontrollzentrum ESA 2002 KOMMUNIKATIONSSATELLIT ARTEMIS LEO ESA / A. van der Gees RAUMSONDE CASSINI-HUYGENS ESA Huygens Motiv ENVISAT: ESA / Denmann productions Satelliten-Antennen einer Bodenstation Bild von ENVISAT Ariane 5 Motive Ariane: ESA / CNES / Arianespace / D. Ducros WELTRAUMNEBEL GEO ST A T ION ÄR E R ORB IT ( G EO) ERD N AH ER ORB IT ( LEO ) Motiv Erde: ESA CKT DE ENTDE RTERBAN DIE REPO ERDBEOBACHTUNGSSATELLIT ENVISAT GEO ESA/CNES/Arianespace Motiv Europa: ESA / D. Ducros 2002 ALL DAS WELT DA RM ST AD T WETTERSATELLIT METEOSAT INTERNATIONALE RAUMSTATION ISS AstronautenTrainingszentrum SE OU UL TO RAUMSONDE MARS EXPRESS WELTRAUMTELESKOP HUBBLE Bau von Komponenten der Ariane ESA/CNES/Arianespace NASA /JPL Motiv Artemis: ESA / J. Huart Motiv Weltraumnebel: NASA / The Hubble Heritage Team Motiv Cassini/Saturn: NASA / JPL / NASA / The Hubble Heritage Team
