Einschwenken in die Umlaufbahn
Die erste Frage, die man sich stellen sollte, ist vielleicht, wie sie überhaupt in die Umlaufbahn gelangen. Versuchen wir ein Gedankenexperiment, das zuerst von Sir Isaac Newton selbst vorgeschlagen wurde.
Stellen Sie sich einen Berg auf der Erdoberfläche vor, der so groß ist, dass sein Gipfel über die Erdatmosphäre hinausragt (er müsste etwa zehnmal so hoch sein wie der Mount Everest). Nehmen wir an, Sie klettern auf den Gipfel dieses Berges und werfen einen Kricketball horizontal nach außen. Der Ball wird von der Schwerkraft angezogen, so dass er auf einer gekrümmten Bahn zu Boden fällt.
Angenommen, du gibst dir jetzt mehr Mühe und der Ball fliegt viel weiter nach außen, bevor er auf dem Boden auftrifft.
Du nimmst jetzt all deine Kraft zusammen und schaffst es, den Ball so schnell zu werfen, dass er nach außen fliegt und auf seinem Weg nach unten der Erdkrümmung folgt. Der Ball folgt dieser Fallbahn rund um die Erde. Du musst dich sogar ducken, wenn er nach einer Umrundung vorbeikommt! Du hast es geschafft, den Ball in eine Umlaufbahn um die Erde zu werfen, so dass er jetzt ein Erdsatellit ist.
Satelliten in die Umlaufbahn bringen
Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, beinhaltet die gleichen Handlungen und Ideen. Zunächst wird der Satellit auf eine große Rakete gesetzt, die ihn von der Erde weg und durch die Atmosphäre nach oben trägt. Sobald er sich in der gewünschten Höhe befindet, werden seitliche Raketenstöße mit der richtigen Stärke eingesetzt, um den Satelliten mit der richtigen Geschwindigkeit in die Umlaufbahn zu bringen.
Wird der Satellit zu langsam ausgeworfen, fällt er zur Erde, weil die zentripetale Anziehungskraft der Schwerkraft zu groß ist. Wird der Satellit zu schnell abgeworfen, entkommt er der Erdumlaufbahn, weil die Anziehungskraft nicht ausreicht, um die erforderliche Zentripetalkraft aufzubringen. Bei der richtigen Startgeschwindigkeit bleibt der Satellit auf seiner fallenden Bahn um die Erde.
Es geht nur darum, die horizontale Geschwindigkeit des Satelliten so einzustellen, dass die Anziehungskraft der Erde (in der gegebenen Höhe) ihn auf seiner Umlaufbahn mitreißt.
Wenn man mit Schülern über Satelliten spricht, ist es sehr wahrscheinlich, dass jemand die (sehr gute) Frage stellt:
Cas: Fräulein, was hält den Satelliten am Laufen?
Die kurze Antwort auf diese Frage lautet:
Lehrer: Nichts hält ihn in Bewegung, er bewegt sich selbst.
Wenn der Satellit von der Trägerrakete gestartet wird, wirkt ein Raketenschub, der ihn mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit in die gewünschte Richtung schleudert. Entscheidend ist dabei, dass der Satellit nur so lange beschleunigt, wie der Raketenschub wirkt. Nach dem Abschalten des Raketenmotors bleibt der Satellit auf der erreichten Endgeschwindigkeit, er wird weder schneller noch langsamer, und die Schwerkraft der Erde zieht den Satelliten kontinuierlich in und entlang seiner Umlaufbahn. In diesem Sinne bewegt sich der Satellit einfach selbst weiter.
Wenn sich der Satellit durch den leeren Raum bewegen würde, würde er für immer in seiner Umlaufbahn bleiben, da keine Kräfte wirken, die ihn beschleunigen oder verlangsamen. In Wirklichkeit bewegen sich Erdsatelliten auf niedrigen Umlaufbahnen nicht durch den leeren Raum, sondern erfahren durch die dünne Atmosphäre, auf die sie treffen, eine Widerstandskraft oder einen Luftwiderstand. Unter diesen Umständen sind gelegentliche Raketenschübe erforderlich, um die Bewegung des Satelliten aufrechtzuerhalten, da er sonst zur Erde stürzt.