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Raumfahrt

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Einleitung

Raumfahrt bedeutet, mit technischen Mitteln den Weltraum zu erreichen, zu erforschen und zu nutzen. Raketen bringen Satelliten, Raumsonden und Menschen ins All. Raumfahrt hilft uns, die Erde besser zu verstehen, das Sonnensystem zu erkunden und neue Technologien zu entwickeln.

Zielgruppe: Klassen 7–9, etwa 12–15 Jahre

Fächer: Physik, Geografie, Geschichte, Technik

Lernziele: Du lernst wichtige Meilensteine der Raumfahrt kennen, verstehst die Grundlagen von Raketen und Umlaufbahnen und kannst Chancen und Risiken der Raumfahrt beurteilen.

Die Internationale Raumstation ISS über der Erde. Aufnahme der NASA von 2011.

Was ist Raumfahrt?

Die Raumfahrt umfasst alle technischen Aktivitäten, mit denen Menschen und Geräte in den Weltraum gelangen oder dort eingesetzt werden.

Man unterscheidet zwei wichtige Bereiche:

Bemannte Raumfahrt: Menschen reisen in Raumfahrzeugen, arbeiten auf Raumstationen oder erkunden andere Himmelskörper.

Unbemannte Raumfahrt: Satelliten, Raumsonden und Roboter führen Aufgaben ohne Menschen an Bord aus.

Bekannte Raumfahrtorganisationen sind die amerikanische NASA, die europäische ESA und die japanische JAXA. Auch Unternehmen entwickeln und betreiben Raumfahrtsysteme.

Video: Die ESA erklärt anschaulich, welche Bedeutung Raumfahrt für unser tägliches Leben hat.

Wie funktionieren Raketen?

Start einer Sojus-Rakete im Jahr 2004. Bild: NASA.

Eine Rakete benötigt einen Antrieb, der auch außerhalb der Erdatmosphäre funktioniert. Dafür nutzt sie das Rückstoßprinzip.

Beim Raketenantrieb werden Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausgestoßen. Dadurch entsteht ein Schub, der die Rakete in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Eine Rakete muss sich also nicht an der Luft abstoßen.

Viele Trägerraketen besitzen mehrere Stufen. Wenn eine Stufe ihren Treibstoff verbraucht hat, wird sie abgetrennt. Die verbleibende Rakete ist leichter und kann effizienter weiter beschleunigen.

Für einen Flug in eine niedrige Erdumlaufbahn muss ein Raumfahrzeug neben dem Höhengewinn vor allem eine sehr hohe seitliche Geschwindigkeit erreichen.

Video: Paxi spricht mit einem NASA-Astronauten über Raketenstarts (ESA/NASA, englisch).

Warum fallen Satelliten nicht auf die Erde?

Ein Satellit bewegt sich auf einer Umlaufbahn, die auch Orbit genannt wird.

Die Erdanziehungskraft wirkt weiterhin auf den Satelliten. Wegen seiner hohen seitlichen Geschwindigkeit fällt er jedoch ständig um die Erde herum, anstatt direkt auf die Erdoberfläche zu treffen. Dabei befindet er sich im freien Fall.

Newtons Gedankenexperiment: Bei genügend großer seitlicher Geschwindigkeit bewegt sich ein Körper auf einer Umlaufbahn um die Erde.

Die Internationale Raumstation befindet sich ungefähr 400 Kilometer über der Erdoberfläche. Sie bewegt sich mit rund 28.000 Kilometern pro Stunde und benötigt etwa 90 Minuten für einen Erdumlauf.

Die Menschen an Bord erleben nahezu Schwerelosigkeit. Das bedeutet nicht, dass dort keine Schwerkraft wirkt. Raumstation und Besatzung befinden sich gemeinsam im freien Fall. Dieser Zustand wird auch als Mikrogravitation bezeichnet.

Meilensteine der Raumfahrt

Sputnik 1: Der erste künstliche Satellit

Am 4. Oktober 1957 startete die Sowjetunion Sputnik 1. Er war der erste künstliche Satellit, der die Erde umkreiste. Sein Start gilt als Beginn des Raumfahrtzeitalters.

Nachbildung von Sputnik 1 im Museum of Flight in Seattle.

Juri Gagarin: Der erste Mensch im All

Am 12. April 1961 flog der sowjetische Kosmonaut Juri Gagarin mit Wostok 1 ins All. Er umrundete als erster Mensch die Erde und kehrte sicher zurück.

Apollo 11: Menschen auf dem Mond

Am 20. Juli 1969 landeten Neil Armstrong und Buzz Aldrin im Rahmen der Mission Apollo 11 auf dem Mond. Armstrong war der erste Mensch, der die Mondoberfläche betrat. Der dritte Astronaut, Michael Collins, blieb währenddessen im Mondorbit.

Buzz Aldrin auf der Mondoberfläche im Juli 1969. Foto: Neil Armstrong/NASA.

Die Internationale Raumstation

1998 begann der Aufbau der Internationalen Raumstation ISS. Seit November 2000 leben und arbeiten dort durchgehend Menschen.

Die Raumstation ist ein Beispiel für die internationale Zusammenarbeit in der Raumfahrt.

Satelliten im Alltag

Das Weltraumteleskop Hubble in der Erdumlaufbahn. Aufnahme der NASA aus dem Jahr 2009.

Künstliche Satelliten erfüllen zahlreiche Aufgaben.

Kommunikation: Satelliten übertragen beispielsweise Fernsehprogramme und Daten in abgelegene Regionen.

Navigation: Satellitensysteme wie GPS und Galileo ermöglichen die Bestimmung von Position und Zeit.

Wetterbeobachtung: Wettersatelliten liefern Daten über Wolken, Stürme und die Atmosphäre.

Erdbeobachtung: Satelliten unterstützen die Erforschung von Klima, Meeren, Vegetation und Umweltveränderungen.

Astronomie: Weltraumteleskope wie Hubble beobachten ferne Sterne und Galaxien.

Video: Paxi erfährt auf der ISS den Unterschied zwischen natürlichen und künstlichen Satelliten (ESA, englisch).

Leben und Forschung auf der ISS

Die ISS dient als wissenschaftliches Labor im Weltraum. Forschende untersuchen dort unter anderem, wie sich Mikrogravitation auf den menschlichen Körper, Pflanzen und Materialien auswirkt.

Weil Muskeln und Knochen während längerer Aufenthalte im All belastet werden können, trainieren Astronautinnen und Astronauten regelmäßig.

Die Besatzung benötigt technische Systeme für Sauerstoff, Wasser, Temperaturregelung und Energieversorgung. Ohne solche Lebenserhaltungssysteme wäre ein längerer Aufenthalt nicht möglich.

Video: Eine Astronautin erklärt, wie sich Menschen in der ISS bewegen (ESA/NASA, englisch).

Raumsonden und Roboter

Nicht jedes Raumfahrtziel muss von Menschen besucht werden. Raumsonden untersuchen Himmelskörper und den Weltraum mithilfe wissenschaftlicher Instrumente.

Landefahrzeuge und Marsrover können Oberflächen untersuchen und Bilder, Messwerte oder Bodenproben sammeln.

Der NASA-Rover Perseverance landete 2021 auf dem Mars. Er untersucht unter anderem Gesteine und Hinweise auf frühere Umweltbedingungen. Die Suche nach Hinweisen auf mögliches früheres mikrobielles Leben ist eines seiner Forschungsziele.

Der Marsrover Perseverance und der kleine Hubschrauber Ingenuity im April 2021. Bild: NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Unbemannte Missionen können Orte erforschen, die für Menschen derzeit zu gefährlich oder zu weit entfernt sind.

Chancen, Risiken und Zukunft der Raumfahrt

Raumfahrt liefert wichtige Daten für Wissenschaft, Kommunikation und Katastrophenschutz. Gleichzeitig sind Weltraummissionen technisch anspruchsvoll, teuer und mit Risiken verbunden.

Wiederverwendbare Raketen

Einige moderne Trägerraketen besitzen Stufen, die nach dem Start kontrolliert landen und erneut verwendet werden können. Dadurch lassen sich unter bestimmten Bedingungen Materialverbrauch und Startkosten reduzieren.

Landung einer Falcon-9-Raketenstufe auf einer schwimmenden Plattform im Jahr 2016. Bild: SpaceX.

Wiederverwendung allein bedeutet allerdings nicht, dass ein Raketenstart umweltfreundlich ist. Auch Treibstoffverbrauch, Emissionen und die Herstellung der Technik müssen berücksichtigt werden.

Weltraumschrott

Weltraumschrott besteht aus nicht mehr genutzten Satelliten, Raketenteilen und anderen künstlichen Trümmern im All.

ESA-Infografik aus dem Jahr 2021 zur Gefahr durch Weltraumschrott.

Solche Teile bewegen sich häufig mit sehr hoher Geschwindigkeit. Schon kleine Bruchstücke können aktive Satelliten und Raumfahrzeuge beschädigen.

Eine nachhaltigere Raumfahrt benötigt deshalb Maßnahmen zur Vermeidung von Weltraumschrott, zur Überwachung von Umlaufbahnen und zur sicheren Entsorgung ausgedienter Raumfahrzeuge.

Zukünftige Missionen

Raumfahrtorganisationen entwickeln neue Missionen zum Mond und erforschen Möglichkeiten für spätere bemannte Reisen zum Mars. Ob und wann solche Vorhaben umgesetzt werden, hängt von Technik, Finanzierung, Sicherheitsfragen und internationalen Entscheidungen ab.

Das Wichtigste zusammengefasst

Raumfahrt verbindet Naturwissenschaften und Technik, um den Weltraum zu erreichen und zu nutzen.

Raketen erzeugen Schub durch Rückstoß. Satelliten bleiben aufgrund ihrer hohen seitlichen Geschwindigkeit auf einer Umlaufbahn. Raumstationen ermöglichen Forschung mit Menschen, während Raumsonden auch weit entfernte Ziele ohne Besatzung erkunden.

Raumfahrt bringt viele Vorteile für unseren Alltag. Zugleich müssen Sicherheitsrisiken, Umweltbelastungen und Weltraumschrott berücksichtigt werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was versteht man unter Raumfahrt? (Technische Erkundung und Nutzung des Weltraums) (!Ausschließliche Beobachtung von Sternen mit einem Fernglas) (!Erforschung der Tiefsee) (!Untersuchung des Wetters am Boden)

Warum funktioniert eine Rakete auch im luftleeren Weltraum? (Sie stößt Masse nach hinten aus und erhält dadurch Schub) (!Sie drückt sich an der umgebenden Luft ab) (!Sie wird ausschließlich von der Sonne angezogen) (!Sie benötigt Wind zum Beschleunigen)

Warum werden bei mehrstufigen Raketen leere Stufen abgetrennt? (Damit weniger Masse weiter beschleunigt werden muss) (!Damit die Rakete schwerer wird) (!Damit die Erdanziehungskraft verschwindet) (!Damit keine weitere Beschleunigung möglich ist)

Welche Aussage über einen Satelliten in einer Erdumlaufbahn ist richtig? (Er befindet sich im fortgesetzten freien Fall um die Erde) (!Auf ihn wirkt keine Erdanziehungskraft) (!Er steht ohne Bewegung fest über dem Boden) (!Er wird allein durch Luftdruck oben gehalten)

Wie hieß der erste künstliche Erdsatellit? (Sputnik 1) (!Apollo 11) (!Hubble) (!Perseverance)

Wer war 1961 der erste Mensch im Weltall? (Juri Gagarin) (!Neil Armstrong) (!Michael Collins) (!Buzz Aldrin)

Welche Mission brachte 1969 erstmals Menschen auf die Mondoberfläche? (Apollo 11) (!Sputnik 1) (!Wostok 1) (!Voyager 1)

Wozu werden Navigationssatelliten eingesetzt? (Zur Bestimmung von Position und Zeit) (!Zur Erzeugung der Erdanziehungskraft) (!Zum Transport von Menschen zum Mond) (!Zur Herstellung von Raketenstufen)

Warum erleben Menschen auf der ISS nahezu Schwerelosigkeit? (Weil Raumstation und Besatzung gemeinsam frei fallen) (!Weil die Erde dort keine Schwerkraft besitzt) (!Weil die Raumstation unbeweglich ist) (!Weil die Sonnenstrahlung alle Kräfte aufhebt)

Was zählt zum Weltraumschrott? (Ausgediente Satelliten und künstliche Trümmerteile) (!Nur natürliche Sterne) (!Ausschließlich funktionierende Forschungssatelliten) (!Wolken in der Erdatmosphäre)

Memory

Finde die zusammengehörenden Begriffe und Erklärungen.

Rückstoßprinzip	Schub durch ausströmende Gase
Raketenstufe	Abtrennbarer Abschnitt einer Trägerrakete
Orbit	Umlaufbahn um einen Himmelskörper
Sputnik	Erster künstlicher Erdsatellit
Raumsonde	Unbemanntes Forschungsfahrzeug im Weltraum
Mikrogravitation	Zustand nahezu gefühlter Schwerelosigkeit
Weltraumschrott	Ausgediente Technik und künstliche Trümmer im All

Drag and Drop

Ordne jeder Technik oder Maßnahme ihre passende Funktion zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Triebwerk	Erzeugt Schub für den Antrieb
Stufentrennung	Verringert die weiter zu beschleunigende Masse
Navigationssatellit	Unterstützt die Positionsbestimmung
Wetterbeobachtung	Liefert Informationen über Wolken und Stürme
Raumsonde	Erkundet entfernte Ziele ohne Besatzung
Ausweichmanöver	Verringert die Gefahr einer Kollision

Kreuzworträtsel

Löse das Kreuzworträtsel mithilfe der Hinweise.

Sputnik	Wie hieß der erste künstliche Erdsatellit?
Gagarin	Welchen Nachnamen hatte der erste Mensch im Weltraum?
Apollo	Wie hieß das Raumfahrtprogramm der ersten bemannten Mondlandung?
Orbit	Wie heißt die Umlaufbahn um einen Himmelskörper?
Schub	Wie heißt die Antriebskraft einer Rakete?
Hubble	Wie heißt das bekannte seit 1990 eingesetzte Weltraumteleskop?

LearningApps

Hier findest Du weitere interaktive Übungen und Lernspiele zum Thema Raumfahrt.

Lückentext

Vervollständige die Sätze mit den passenden Fachbegriffen.

Raumfahrt bezeichnet technische Aktivitäten im

.

Eine Rakete erzeugt Vortrieb nach dem

.

Mehrstufige Raketen trennen nicht mehr benötigte

ab.

Eine Umlaufbahn um einen Himmelskörper nennt man

.

Der erste künstliche Erdsatellit hieß

.

Der erste Mensch im Weltraum war Juri

.

Die erste bemannte Mondlandung gelang mit der Mission

11.

Das Weltraumteleskop

beobachtet ferne Himmelskörper.

Die Besatzung der ISS erlebt nahezu

.

Zur Erforschung der Marsoberfläche werden unter anderem

eingesetzt.

Ausgediente Satelliten und künstliche Trümmerteile bezeichnet man als

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben allein oder in einer Gruppe. Nutze vertrauenswürdige Quellen und dokumentiere Deine Ergebnisse.

Leicht

Raumfahrzeug zeichnen: Gestalte ein beschriftetes Bild einer Rakete. Zeige die Triebwerke, Treibstofftanks, Raketenstufen und Nutzlast.
Zeitstrahl erstellen: Gestalte einen Zeitstrahl mit Sputnik 1, Juri Gagarin, Apollo 11 und dem Beginn des ISS-Aufbaus. Erkläre jeden Meilenstein in einem Satz.
Begriffe erklären: Erstelle fünf Lernkarten zu wichtigen Fachbegriffen der Raumfahrt und illustriere jede Karte.
Satelliten im Alltag: Zeichne eine Alltagssituation, in der Satelliten eine Rolle spielen, und erkläre ihren Nutzen.

Standard

Ballonrakete erforschen: Führe einen sicheren Versuch mit einem aufgeblasenen Luftballon an einer Schnur durch. Beobachte die Bewegungsrichtung und erkläre das Rückstoßprinzip.
Satellitenbilder untersuchen: Vergleiche zwei Wetter-Satellitenbilder aus unterschiedlichen Zeitpunkten. Beschreibe Veränderungen und ihre mögliche Bedeutung für die Wettervorhersage.
Alltag und Raumfahrt: Befrage eine Person dazu, wann sie Navigation, Satellitenfernsehen oder satellitengestützte Wetterdaten nutzt. Werte die Antworten aus.
Podcast zur ISS: Produziere einen zwei- bis dreiminütigen Audiobeitrag über das Leben und die Forschung auf der ISS. Erkläre dabei die Mikrogravitation.

Schwer

Eigene Marsmission planen: Entwickle das Konzept einer unbemannten Marsmission. Berücksichtige Forschungsziel, Energieversorgung, Kommunikation, Landung und mögliche Risiken.
Nachhaltige Raumfahrt entwickeln: Entwirf drei Maßnahmen gegen Weltraumschrott. Vergleiche ihre Wirksamkeit, ihre technischen Grenzen und die möglichen Kosten.
Raumfahrt bewerten: Verfasse einen argumentativen Text zur Frage, ob mehr Geld in die Raumfahrt oder in die Lösung irdischer Probleme investiert werden sollte. Berücksichtige verschiedene Interessen.
Erklärvideo produzieren: Drehe ein drei- bis fünfminütiges Video über eine verbreitete Fehlvorstellung zur Raumfahrt. Widerlege sie mithilfe physikalischer Erklärungen und überprüfbarer Quellen.

Lernkontrolle

Die folgenden Aufgaben prüfen, ob Du Dein Wissen auf neue Situationen übertragen kannst.

Raketen im Vakuum: Eine Person behauptet, eine Rakete könne im Weltraum nicht beschleunigen, weil dort keine Luft vorhanden sei. Widerlege diese Behauptung mithilfe des Rückstoßprinzips.
Satellitenbewegung: Erkläre, warum ein Satellit trotz der Erdanziehungskraft nicht unmittelbar auf die Erdoberfläche fällt. Nutze eine Skizze.
Missionsentscheidung: Eine Forschungsgruppe möchte einen weit entfernten Planeten untersuchen. Begründe, unter welchen Bedingungen eine unbemannte Sonde besser geeignet ist als eine bemannte Mission.
Schwerelosigkeit und Körper: Erkläre, warum Astronautinnen und Astronauten auf der ISS regelmäßig trainieren müssen, obwohl sie sich dort scheinbar mühelos bewegen können.
Gefahrenanalyse: Zwei Satelliten stoßen zusammen und erzeugen zahlreiche Trümmerteile. Untersuche mögliche Folgen für andere Raumfahrzeuge und entwickle eine Gegenmaßnahme.
Technikfolgen abschätzen: Ein Unternehmen möchte eine wiederverwendbare Rakete einsetzen. Erkläre, welche Vorteile möglich sind und warum eine vollständige Umweltbewertung trotzdem erforderlich ist.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du die folgenden Kompetenzen durch ein kleines Lernportfolio, eine Präsentation oder eine schriftliche Ausarbeitung nachweisen können.

Grundbegriffe: Du kannst Raumfahrt, Satellit, Raumsonde, Orbit, Schub und Weltraumschrott verständlich und richtig erklären.
Geschichte: Du kannst wichtige Meilensteine der Raumfahrt zeitlich einordnen und ihre Bedeutung erläutern.
Physik: Du kannst das Rückstoßprinzip, die Bewegung auf einer Umlaufbahn und die nahezu schwerelosen Bedingungen auf der ISS begründen.
Anwendung: Du kannst unterschiedliche Aufgaben von Satelliten erklären und den Nutzen der Raumfahrt anhand eines Alltagsbeispiels zeigen.
Transfer: Du kannst für eine beispielhafte Mission geeignete technische Lösungen auswählen und Deine Entscheidung begründen.
Bewertung: Du kannst Chancen, Kosten, Risiken und Umweltfolgen der Raumfahrt gegeneinander abwägen und eine eigene begründete Position entwickeln.

Bewertungskriterien: Fachliche Richtigkeit, verständliche Erklärungen, nachvollziehbare Begründungen, eigenständige Arbeit und korrekte Quellenangaben.

OERs zum Thema

Der folgende Wikipedia-Artikel bietet einen vertiefenden Überblick über die Geschichte, Technik und verschiedenen Bereiche der Raumfahrt.

Weitere geeignete Informations- und Lernquellen:

ESA: Paxi und die Europäische Weltraumorganisation – Erklärvideo zur Bedeutung der Raumfahrt.
NASA: Apollo 11 – Originalinformationen zur ersten bemannten Mondlandung.
DLR: Weltraumschrott – Ursachen, Gefahren und technische Gegenmaßnahmen.
Wikimedia Commons – Medienarchiv mit Bildern zur Raumfahrt; die Lizenzangaben der einzelnen Dateien sind zu beachten.

Die eingebundenen Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Die Videos stammen von der ESA beziehungsweise von ESA und NASA.