Kármán-Linie

Die Kármán-Linie (oder von - Kármán - Linie / vɒnˈkɑːrmɑːn / ) ^{[ 2} ] ist eine gängige Definition der Grenze ^zum Weltraum ; sie ist weit verbreitet , aber nicht allgemein anerkannt . Die internationale Luftfahrtorganisation FAI (Fédération aéronautique internationale ) definiert die Kármán - Linie in einer Höhe von 100 Kilometern (54 Seemeilen; 62 Meilen; 328.084 Fuß) über dem mittleren Meeresspiegel .

Die Kármán-Linie, benannt nach Theodor von Kármán , der eine theoretische Höchstflughöhe für Flugzeuge von 83,8 km über der Erde berechnete, ist zwar allgemeiner gehalten und hat keine eindeutige physikalische Bedeutung, da die Atmosphäre an dieser Linie nur allmählich in den Weltraum übergeht und Experten sich uneins darüber sind, wo genau die Grenze zwischen Atmosphäre und Weltraum liegt. Sie liegt weit über der von konventionellen Flugzeugen oder Höhenballons erreichbaren Höhe und markiert ungefähr den Punkt, an dem Satelliten, selbst auf stark exzentrischen Flugbahnen, vor Abschluss eines Umlaufs verglühen .

Die Kármán-Linie dient hauptsächlich rechtlichen und regulatorischen Zwecken der Unterscheidung zwischen Luftfahrzeugen und Raumfahrzeugen , die unterschiedlichen Rechtsordnungen und Gesetzen unterliegen. Obwohl das Völkerrecht weder die Grenze des Weltraums noch die des nationalen Luftraums definiert ^{[ 3 ] [ 4 ]} , akzeptieren die meisten internationalen Organisationen und Regulierungsbehörden (einschließlich der Vereinten Nationen) die Definition der Kármán-Linie der FAI oder eine ähnliche Definition ^{[ 5 ]} . Die Kármán-Linie wurde laut FAI in den 1960er Jahren festgelegt ^{[ 6 ]} . Verschiedene Länder und Institutionen definieren die Grenzen des Weltraums für unterschiedliche Zwecke unterschiedlich ^{[ 7 ] [ 3 ] [ 8 ].}

Die FAI verwendet die Kármán-Linie, um eine formale Grenze zwischen den Bereichen Luftfahrt und Raumfahrt zu ziehen . Gemäß ihrer Definition wird jede Luftaktivität oder jeder Luftsport, der innerhalb von 100 Kilometern über der Erdoberfläche stattfindet, als Luftfahrt eingestuft, während jede Aktivität oberhalb dieser 100-Kilometer-Schwelle als Raumfahrt gilt. ^{[ 6 ]}

Die Ausdrücke „ Rand des Weltraums “ oder „ nahe dem Weltraum “ werden häufig (beispielsweise von der FAI in einigen ihrer Veröffentlichungen) ^{[ 10 ]} verwendet , um einen Bereich unterhalb der Grenze zum Weltraum zu bezeichnen, der oft auch deutlich tiefer liegende Bereiche umfasst. So können bestimmte Ballon- oder Flugzeugflüge als „Erreichen des Randes des Weltraums“ beschrieben werden. In solchen Aussagen bedeutet „Erreichen des Randes des Weltraums“ lediglich, dass man höher fliegt als durchschnittliche Luftfahrzeuge üblicherweise fliegen. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Es gibt weiterhin keine völkerrechtliche Definition der Abgrenzung zwischen dem Luftraum eines Landes und dem Weltraum. ^{[ 13 ]} 1963 erörterte Andrew G. Haley die Kármán-Linie in seinem Buch „Space Law and Government“ . ^{[ 14 ]} In einem Kapitel über die Grenzen der nationalen Souveränität gab er einen Überblick über die Meinungen bedeutender Autoren. ^{[ 14 ] : 82–96} Er wies auf die der Linie inhärente Ungenauigkeit hin:

Im Wesentlichen stellt die Linie einen Mittelwert oder „ Median “ dar. Sie ist vergleichbar mit im Recht verwendeten Maßen wie „ mittlerer Meeresspiegel “, „ Mäanderlinie “ oder „ Gezeitenlinie “, jedoch komplexer. Bei der Bestimmung der von-Kármán-Hoheitsgrenze müssen neben dem aerodynamischen Auftrieb zahlreiche weitere Faktoren berücksichtigt werden. Diese Faktoren wurden in umfangreicher Literatur und von zahlreichen Kommentatoren diskutiert. Dazu gehören die physikalische Beschaffenheit der Luft , die biologische und physiologische Lebensfähigkeit sowie weitere Faktoren, die logisch zusammenwirken, um einen Punkt zu definieren, an dem keine Luft mehr vorhanden ist und der Luftraum endet. ^{[ 14 ] : 78–79}

Im letzten Kapitel seiner Autobiografie befasst sich Kármán mit der Frage der Grenzen des Weltraums :

Wo der Weltraum beginnt, lässt sich tatsächlich anhand der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs und seiner Höhe über der Erde bestimmen. Man denke beispielsweise an den Rekordflug von Captain Iven Carl Kincheloe Jr. mit einem X-2-Raketenflugzeug . Kincheloe flog mit 3.200 km/h in 38.500 m Höhe. Bei dieser Höhe und Geschwindigkeit trägt der aerodynamische Auftrieb noch 98 Prozent des Gewichts des Flugzeugs, nur zwei Prozent werden von der Trägheit oder Kepler-Kraft , wie Weltraumforscher sie nennen, getragen. In 91.440 m Höhe kehrt sich dieses Verhältnis jedoch um, da keine Luft mehr Auftrieb erzeugt: Nur noch die Trägheit wirkt. Dies ist zweifellos eine physikalische Grenze, an der die Aerodynamik endet und die Raumfahrt beginnt. Daher fragte ich mich, warum sie nicht auch eine Zuständigkeitsgrenze darstellen sollte. Andrew G. Haley hat sie als Kármánsche Jurisdiktionslinie bezeichnet. Unterhalb dieser Linie gehört der Raum jedem Land. Oberhalb dieser Linie gäbe es freien Raum. ^{[ 15 ]}

Die Atmosphäre endet nicht abrupt, sondern wird mit zunehmender Höhe immer dünner. Je nachdem, wie die verschiedenen Schichten des erdnahen Raums definiert werden (und ob diese Schichten zur eigentlichen Atmosphäre gezählt werden), kann die Definition der Weltraumgrenze erheblich variieren: Würde man Thermosphäre und Exosphäre zur Atmosphäre und nicht zum Weltraum zählen, müsste man die Weltraumgrenze möglicherweise auf mindestens 10.000 km über dem Meeresspiegel ausdehnen. Die Kármán-Linie ist daher eine weitgehend willkürliche Definition, die auf einigen technischen Überlegungen beruht.

Ein Flugzeug kann nur dann in der Luft bleiben, wenn es sich relativ zur Luft (und nicht zum Boden) ständig vorwärts bewegt, sodass die Tragflächen aerodynamischen Auftrieb erzeugen. Je dünner die Luft, desto schneller muss das Flugzeug fliegen, um genügend Auftrieb zu erzeugen, um in der Luft zu bleiben. ^{[ 16 ]} Bei sehr hohen Geschwindigkeiten trägt die Zentrifugalkraft (Kepler-Kraft) zur Höhenhaltung bei. Dies ist die virtuelle Kraft, die Satelliten ohne aerodynamischen Auftrieb in einer Kreisbahn hält.

Mit zunehmender Flughöhe und abnehmender Luftdichte steigt die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um genügend aerodynamischen Auftrieb für das Flugzeuggewicht zu erzeugen, bis die Zentrifugalkraft einen signifikanten Einfluss gewinnt. In ausreichend großer Höhe überwiegt die Zentrifugalkraft die Auftriebskraft, und das Flugzeug wird effektiv zu einem Raumschiff im Orbit anstatt zu einem durch aerodynamischen Auftrieb getragenen Flugzeug.

1956 präsentierte von Kármán eine Arbeit, in der er die aerothermischen Grenzen des Fluges erörterte. Je schneller Flugzeuge fliegen, desto mehr Wärme erzeugen sie durch aerodynamische Erwärmung aufgrund der Reibung mit der Atmosphäre und adiabatischer Prozesse . Ausgehend vom damaligen Stand der Technik berechnete er die Geschwindigkeiten und Höhen, bei denen ein kontinuierlicher Flug möglich war – schnell genug, um genügend Auftrieb zu erzeugen, und langsam genug, um eine Überhitzung des Fluggeräts zu vermeiden. ^{[ 17 ]} Die Grafik enthielt einen Wendepunkt bei etwa 275.000 Fuß (52,08 Meilen; 83,82 km), oberhalb dessen die Mindestgeschwindigkeit das Fluggerät in eine Umlaufbahn bringen würde . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Der Begriff „Kármán-Linie“ wurde 1959 von Andrew G. Haley in einer Veröffentlichung ^{[ 20 ]} geprägt und basiert auf der Grafik in von Kármáns Arbeit von 1956. Haley räumte jedoch ein, dass die Grenze von 275.000 Fuß (83,82 km) theoretischer Natur sei und sich mit dem technologischen Fortschritt verändern würde. Die Mindestgeschwindigkeit in von Kármáns Berechnungen basierte nämlich auf dem Geschwindigkeits-Gewichts-Verhältnis existierender Flugzeuge, insbesondere der Bell X-2 , und die Höchstgeschwindigkeit auf Kühltechnologien und hitzebeständigen Materialien. ^{[ 18 ]} Haley führte auch andere technische Aspekte für diese Höhe an, da sie in etwa der maximalen Flughöhe für ein luftatmendes Strahltriebwerk nach damaliger Technologie entsprach. In derselben Veröffentlichung von 1959 bezeichnete Haley auch 295.000 Fuß (90 km) als „von Kármán-Linie“, die niedrigste Höhe, in der freie Sauerstoffradikale auftraten. ^{[ 18 ]}

Die US-Streitkräfte definieren einen Astronauten als eine Person, die höher als 80 km (50 Meilen) über dem mittleren Meeresspiegel geflogen ist , was in etwa der Grenze zwischen Mesosphäre und Thermosphäre entspricht . Die NASA verwendete früher die von der FAI festgelegte Grenze von 100 km (62 Meilen), änderte diese jedoch 2005, um jegliche Inkonsistenzen zwischen Militärangehörigen und Zivilisten im selben Raumschiff zu beseitigen. ^{[ 21 ]} Drei erfahrene NASA- X-15- Piloten ( John B. McKay , William H. Dana und Joseph Albert Walker ) erhielten nachträglich (zwei posthum ) ihre Astronautenabzeichen , da sie in den 1960er-Jahren Höhen zwischen 90 km (56 Meilen) und 108 km (67 Meilen) erreicht hatten, damals aber nicht als Astronauten anerkannt waren. ^{[ 11 ]} Die letztgenannte Höhe, die Walker zweimal erreichte, überschreitet die moderne internationale Definition der Grenze zum Weltraum.

Die US-amerikanische Luftfahrtbehörde FAA erkennt diese Linie ebenfalls als Weltraumgrenze an: ^{[ 22 ]}

Suborbitaler Flug: Ein suborbitaler Raumflug liegt vor, wenn ein Raumschiff den Weltraum erreicht, aber aufgrund seiner Geschwindigkeit keine Umlaufbahn erreichen kann. Viele glauben, dass ein Raumschiff für einen Raumflug eine Höhe von über 100 Kilometern (62 Meilen) über dem Meeresspiegel erreichen muss.

Arbeiten von Jonathan McDowell (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ^{[ 23 ]} und Thomas Gangale (University of Nebraska-Lincoln) aus dem Jahr 2018 ^{[ 18 ] [ 24 ]} plädieren dafür, die Grenze zum Weltraum bei 80 km (50 Meilen; 260.000 Fuß) zu setzen. Als Beleg führen sie von Kármáns ursprüngliche Aufzeichnungen und Berechnungen an (die davon ausgingen, dass ein Flugzeug in einer Höhe von 275.000 Fuß so schnell fliegen müsste, dass die Reibungshitze zum Strukturversagen der damals bekannten Materialien führen würde; seine Annahmen wurden durch nachfolgende technologische Entwicklungen überholt), die Bestätigung, dass Objekte im Orbit mehrere Perigäume in Höhen um 80 bis 90 km überstehen können, sowie funktionale, kulturelle, physikalische, technologische, mathematische und historische Faktoren. ^{[ 3 ] [ 25 ]} Genauer gesagt fasst die Arbeit Folgendes zusammen:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die niedrigstmöglichen dauerhaften Kreisbahnen in etwa 125 km Höhe liegen, elliptische Bahnen mit einem Perigäum von 100 km jedoch über lange Zeiträume bestehen können. Im Gegensatz dazu ist es sehr unwahrscheinlich, dass Erdsatelliten mit einem Perigäum unter 80 km ihren nächsten Umlauf vollenden. Bemerkenswert ist, dass Meteore (die sich deutlich schneller bewegen) üblicherweise im Höhenbereich von 70–100 km verglühen, was die Annahme bestärkt, dass die Atmosphäre in diesem Bereich eine wichtige Rolle spielt.

Diese Erkenntnisse veranlassten die FAI, die Abhaltung einer gemeinsamen Konferenz mit der International Astronautical Federation (IAF) im Jahr 2019 vorzuschlagen, um das Thema „umfassend zu untersuchen“. ^{[ 10 ]}

Eine weitere in völkerrechtlichen Diskussionen vorgeschlagene Definition legt die untere Grenze des Weltraums als den niedrigsten von einem Raumfahrzeug im Orbit erreichbaren Perigäum fest, ohne jedoch eine bestimmte Höhe zu spezifizieren. ^{[ 26 ]} Diese Definition wird vom US-Militär übernommen. ^{[ 27 ] : 13} Aufgrund des Luftwiderstands beträgt die niedrigste Höhe, in der ein Objekt in einer Kreisbahn ohne Antrieb mindestens eine vollständige Umdrehung vollziehen kann, etwa 150 km (93 Meilen). ^{[ 28 ]} Die US-Regierung wehrt sich gegen Bestrebungen, eine präzise regulatorische Grenze festzulegen. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Während die Kármán-Linie nur für die Erde definiert ist, haben mehrere Wissenschaftler die entsprechenden Werte für Mars und Venus abgeschätzt . Isidoro Martínez kam auf 80 km (50 Meilen) bzw. 250 km (160 Meilen) Höhe ^{[ 31 ]} , während Nicolas Bérend 113 km (70 Meilen) bzw. 303 km (188 Meilen) ermittelte ^{[ 32 ] .}

Im Jahr 2014 führte Oscar Sharp Regie bei „The Kármán Line“ , einem britischen Kurzfilm mit realen Schauspielern, in dem Olivia Colman die Rolle der Sarah spielt, einer Ehefrau und Mutter, die plötzlich zu schweben beginnt, bis sie langsam und schließlich die namensgebende Kármán-Linie überschreitet und ins Weltall gelangt. ^{[ 33 ]}

• Armstrong-Grenze  – Höhe, oberhalb derer Wasser bei Körpertemperatur siedet
• Heterosphäre  – Obere Atmosphärenregion, in der die molekulare Diffusion dominiert

• Artikel zur Kármán-Linie auf der FAI-Website
• Schichten der Atmosphäre – NOAA (Archiviert am 19.12.2005 im Internetarchiv Wayback Machine)
• Musikvideo „The Kármán Line“ mit NASA-Aufnahmen
• Kármán-Linienrechner Archiviert am 11.07.2018 auf der Wayback Machine