Die Temperatur im Weltall

Kürzlich habe ich einen Kommentar im Blog von Siegfried Marquard gelöscht. Das mache ich höchst selten, meistens nur wenn es Beleidigungen sind. Diesmal geschah es aus einem anderen Grund. Der Mann hat schon mehrfach Kommentare hinterlassen die sich alle um die „Mondverschwörung“ drehen und er ist nicht daran interessiert über das Thema zu diskutieren sondern postet wohl nur seine Meinung auf Zig-Websites. Nur deswegen wurde ich vom SPAM-System auch nachgefragt, ob ich ihn genehmigen will, denn er muss denselben Eintrag wohl auch woanders publiziert haben. Auch bei mir war er absolut deplatziert, in einem Blog über Schwerlastraketen, der sich gar nicht mit Apollo beschäftigte.

Auf den Kommentar will ich gar nicht eingehen, wer den Spielfilm „Apollo 13“, um den sich der Kommentar drehte, als Wirklichkeit ansieht und (angeblich falsche) Fakten aus dem Spielfilm als Beweis nimmt das es keine Mondlandung gibt, der hat schon ein komisches Weltbild. Ich denke Nero und den Brand von Rom gab es nicht, dem im Spielfilm „Quo Vadis“ habe ich einiges entdeckt das auch nicht so stimmt. Ehrlich gesagt, entdecke ich in den meisten Spielfilmen die sich mit geschichtlichen Ereignissen beschäftigen Fehler, woraus man dann sicher schließen kann dass diese Ereignisse auch alle nicht stattgefunden haben.

Das zweite ist die Argumentationsweise die sich in Argumenten wie „Dies ist physikalischer Blödsinn! „, “ Dies ist technisch-physikalischer Schwachsinn! „,“Dies ist absolut absurd! “ erschöpft. Eine Behauptung will ich aber als Frage aufgreifen. Es ist die Behauptung:

„8. Die Außentemperaturbelastung sollte angeblich -187 Grad Celsius betragen. Korrekt sind -273 Grad im All!“

Dies leitet mich zur frage über: Wie hoch ist die Temperatur im All?

Nun um an Marquards Kommentar anzuknüpfen. Um Temperaturen messen zu können muss man erst mal sagen was man misst. Auf der Erde kennen wir drei Arten wie Energie transportiert wird und nichts anderes messen wir ja mit der Temperatur:

• Durch Strahlung
• Durch Konvektion
• Durch Wärmeleitung

Die Differenzen der verschiedenen Medien und Messungen kennt jeder aus eigener Erfahrung. So heizt ein Backofen die Luft auf über 200 Grad auf. Ein Kuchen darinnen ist aber schon an der Oberfläche kühler und unterhalb derer kommt er meist nicht über 100°C, sonst würde das gesamte Wasser im Kuchen verdampfen.

Im Sommer ist es im Schatten kühler als in der Sonne (zusätzliche Strahlung) und Asphalt ist heißer als eine weiße Wand. Im All ist einiges anders. Um an Marquard anzuknüpfen. Die Temperatur im All muss man erst definieren. Wenn man die „Temperatur des Alls“ definiert, als die Temperatur des Mediums das das alles durchzieht, dann sind dies vor allem die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Sie stammen noch aus der Zeit etwa 100.000 Jahre nach dem Urknall. Als sich das All soweit abkühlte das Atome existieren konnten, rekombinierten die Elektronen und Atomkerne und damit entkoppelten sie ihre Temperatur von den Photonen. Diese behielten die Energie, die damals einigen Tausend Grad Celsius entspracht. Da das Weltall sich aber ausdehnte und damit durch Rotverschiebung die Photonen Energie verloren haben sie heute eine Energie die einer Temperatur von 2,7 K entspricht, das sind etwa -270°C, nicht -273°C den kälter als die Hintergrundstrahlung ist im All wenig. Einige physikalische Labors auf der Erde erzeugen noch niedrigere Temperaturen als 2,7 K.

Doch diese Temperatur ist die fernab einer Galaxie oder die des Mediums. Da die heutigen Photonen durch die Rotverschiebung nun schon die Wellenlänge von Radiowellen haben, könnten wir die Temperatur nicht mit einem Temperatursensor sondern nur mit einer Antenne bestimmen. Das hat man mit zahlreichen irdischen Messungen und mindestens zwei Satelliten auch seitdem getan.

Wie sieht es aber bei der Temperatur im All um die Erde aus? Denn Apollo bewegte sich ja von der Erde zum Mond. Nun hier kann man nicht die Temperatur eines Mediums messen. Man kann das All als ein Vakuum ansehen. Es gibt zwar viele Teilchen, die auch hochenergetisch sind, also eine hohe Temperatur haben, aber ihre Dichte ist zu gering. Erdnahe Satelliten bewegen sich in der Ionosphäre, bei der ein Teilchen eine Energie hat die einer Temperatur von mehreren Hundert Grad bis über 1000 Gras Celsius entspricht. Trotzdem werden die Satelliten nicht zu Schlacke geschmolzen, weil die Dichte zu gering ist. (Herr Marquard würde diese Tatsache wohl als Indiz nehmen, dass auch die Raumfahrt nur erfunden ist).

Was wir messen können, ist die Strahlung die auf eine Oberfläche trifft und da die Oberfläche sich erwärmt und dann selbst Strahlung abgibt die Oberflächentemperatur, bzw, bei einem Körper wie warm er wird, wenn sich die Wärme im inneren ausbreiten kann.

Die Physik hat dafür das Konzept des Schwarzen Körpers. Das ist ein Körper, der einfallende Strahlung vollständig absorbiert. Er erwärmt sich und gibt nach dem Strahlungsgesetz selbst Strahlung ab die laufend zunimmt bis er so viel Strahlung abgibt bis seine Temperatur konstant ist. Mehr oder weniger entsprechen alle atmosphärelosen Himmelskörper diesem Modell. Die Abweichungen vom theoretischen Schwarzen Strahler kommen dann von verschiedenen Faktoren. Zu nennen wären Albedo, Rotation und Oberflächenbeschaffenheit.

Die Albedo gibt an wie viel Strahlung ein Körper aufnimmt und welchen Anteil er reflektiert. Ein schwarzer Körper hätte eine Albedo von 0, ein die Strahlung völlig reflektierender Körper eine von 1. Beides sind Extreme die es nicht gibt. Ruß ist von den natürlichen Materialien der Stoff mit einer sehr geringen Albedo von 0,04. Frischer Neuschnee kann eine von 0,9 erreichen. Es gibt im Sonnensystem noch größere Extreme. Der Kern von Borelly hat eine Albedo von 0,028, das entspricht der von Tonerpulver, der Saturnmond Telesto eine von 0,99 was einer verspiegelten Oberfläche entspricht.

Die Rotation spielt eine Rolle, weil sie beeinflusst, ob der Körper seinen Gleichgewichtszustand erreicht. Beim Mars ist dies z.B. trotz geringer Atmosphäre während der 24 Stunden Rotationsdauer nicht der Fall, beim Mond dagegen schon, da er fast 30 Tage für eine Rotation braucht.

Das letzte, die Oberflächenbeschaffenheit, ist wichtig für die Oberflächentemperatur aber auch wie gefährlich die Temperatur für das Raumfahrzeug ist. Zuerst erwärmt sich ja nur eine Oberfläche, dann wird die Wärme durch Leitung nach innen geleitet, sodass die Oberfläche sich nicht mehr so stark erhitzt. Geschieht dies effektiv, so steigt die Oberflächentemperatur nicht so stark an wie bei einem Körper der Wärme schlecht leitet. Das innere fungiert als Wärmespeicher und wenn der Körper rotiert sinkt dann die Oberflächentemperatur durch diesen inneren Temperaturvorrat nicht so stark ab. Der Mond ist z.B. von Regolith bedeckt. Das ist Material das durch die Zerkleinerung der Oberfläche durch viele große und noch mehr kleine Einschlage entstand. Ohne Erosion besteht es aus feinem, scharfkantigem Staub der eine lockere Schicht mit einer großen Oberfläche aber nur wenigen Kontaktstellen besteht. Da das Material dunkel ist, die Albedo liegt bei nur 0,11 erhitzt sich die Oberfläche bis auf +130 °C. Doch Nach Messungen ist sie schon in weniger als 1 m Tiefe unter den Gefrierpunkt gesunken. Nachts sinkt die Oberflächentemperatur auf -160°C, dann ist sie, da sie Strahlung abgibt kühler als die tieferen Schichten. Sie sinkt nicht auf -270°C weil zum einen die tieferen Schichten Temperatur abgeben, aber auch der Mond Infrarotstrahlung von der Erde erhält: Die Sonne emittiert 1350 W/m², die Erde 460 W/m², wobei der Mond aber aufgrund seiner Entfernung nur noch 0,13 Watt/m² erhält. Das ist auch der Grund warum Satelliten die stark gekühlte Instrumente haben wie z.B. zur Beobachtung von IR-Quellen sich immer weiter von der erde entfernen: IRAS war noch in einer erdnahen Umlaufbahn, ISO in eine geostationären und Spitzer/Herschel/Planck schon im permanenten Erdschatten in 1,5 Millionen km Entfernung.

Rotation, Albedo und die Wärmeleitung: das alles nutzt man aus um die Temperatur von Raumfahrzeugen zu regulieren. Die Rotation wird heute eher selten eingesetzt, doch viele frühe Satelliten rotierten um ihre eigene Achse. So konnten die Temperaturen nicht so stark ansteigen und sie verteilten sich, das bedeutet die abgewandte Seite des Satelliten wurde nicht so kalt. Bei Apollo nutzte man dies auch und lies die Kapsel langsam um ihre Achse rotieren, das bezeichnete man als „Barbecue-Mode“.

Mit der Albedo minimiert man heute zumeist die Wärmeaufnahme. Dazu wird die Oberfläche so behandelt dass die Albedo niedrig ist, z.B. weiß angestrichen oder man nimmt sogar blank poliertes Metall. Skylab hatte eine Oberfläche die im Infraroten viel Strahlung abgab und wenig aufnahm, also im Infraroten eine hohe Albedo hatte. Da die Station selbst Wärme produzierte sollte diese so abgegeben werden. Da die Sonne 1350 W/m² ab, auf der Erde die Atmosphäre soviel schluckt, dass maximal 1000 W/m² noch ankommen würde bei einer gleich hohen Albedo wie auf der erde sonst die Oberflächentemperatur viel höher als auf der Erde sein.

Am wirksamsten ist es aber die Strahlung abzuschirmen. Das geschieht durch Folien, die über der Oberfläche angebracht sind, meistens mit einem hohen Reflexionsvermögen. Es sind mehrere Lagen (manchmal bis zu 30) an hauchdünnen Folien zwischen denen nichts ist. Im All entweicht die Luft und das Vakuum zwischen den Folien lässt nur noch einen Temperaturtransport durch Strahlung zu, so erwärmen die Folien sich kaum noch und isolieren. Die Elektronik im Satelliten selbst gibt Wärme ab und heizt diesen dann auf moderate Temperaturen. Bei Skylab gab es auch so was, einen Sonnenschutzfilm über der Oberfläche, der aber beim Start abgerissen wurde. Die darunter liegende blanke Oberfläche hatte nur im Infraroten eine hohe Albedo im visuellen nahm sie viel Wärme auf und so stiegen die Temperaturen an Bord rasch an.

Kommen wir nun zurück zur „Außentemperaturbelastung“, eine Worterfindung. Wie oben angegeben, muss man sagen was man man misst. Die Temperatur des Mediums kann es nicht sein. Es muss die sein die ein Temperaturfühler an der Oberfläche ermittelt. Dann wäre noch zu sagen wann. Ist es die der Sonnenseite oder die der Nachtseite? Aufgrund der niedrigen Temperatur und der Tatsache, dass die Astronauten bei Apollo 13 froren und Jack Swigert sich eine Blasenentzündung zuzog, tippe ich mal auf die Temperatur der Nachtseite der Kapsel. Apollo  war so konzipiert, das die blanken Metalloberflächen möglichst wenig Wärme aufnahmen und die Temperatur durch die Abwärme gewährleistet wird. Durch das Stromsparen mussten aber viele Verbraucher abgeschaltet werden und die Abwärme entfiel, Trotzdem sind -187 °C sehr niedrig. Der Mondboden wird in 14 Tagen nicht so kalt und er gibt wegen seiner niedrigen Albedo mehr Strahlung als die Kapsel ab. Auch bei Apollo 13 rotierte das CSM sodass die Oberflächentemerpaturen höher sein müssen. Doch es gibt eine recht einfache Erklärung: Neben der offensichtlichen, dass es sich um einen Spielfilm handelt wird in den USA die Temperatur in Fahrenheit angegeben. Wenn das 1:1 in Celsius übersetzt wird (und das habe ich schon oft bei Dokumentationen gesehen) so steigt die Temperatur auf -121 °C, diese könnte erreicht werden, wenn das Raumschiff nicht rotiert, man stellte das einige Male ein, weil man Probleme mit den Antennen hatten, die die Ausrichtung durch Ausgasen und Störungen der Rotation verloren und wichtige Daten zu erhalten. Das zweite ist das man die Temperatur in Kelvin angab und da sind 187 Kelvin -86°C, ebenfalls in einem Bereich den die Oberfläche erreichen kann.