Forscher machen überraschende Beobachtung bei Baumgartners Stratosphärensprung
Auch zwei Jahre nach dem spektakulären Sprung des Österreichers, werden noch wissenschaftliche Daten ausgewertet. Jetzt haben Münchner Wissenschaftler untersucht, warum die Schallmauer den Extremsportler kaum abzubremsen vermochte.
Felix Baumgartner in dem Anzug, mit dem er aus 39.000 Metern Höhe sprang.
Foto: Red Bull Media House
Als Felix Baumgartner am 14. Oktober 2012 seinen Stratosphären-Sprung erfolgreich absolvierte, verfolgten Tausende von Zuschauern den damaligen Rekordbruch im Livestream. Die spektakuläre Aktion lieferte neben dem atemberaubenden Thrill für alle Interessierten auch umfangreiche Daten, die bis heute wissenschaftlich analysiert werden. Dazu gehört beispielsweise auch der Umstand, dass Baumgartner während seines Falls die Schallmauer durchbrach – was einige Wissenschaftler überraschte.
Baumgartners Rekordsprung als Quelle wissenschaftlicher Daten
Wissenschaftler der Technischen Universität München haben den Rekordfall Baumgartners eingängig untersucht. Mit einem Fokus auf die Aerodynamik seines Körpers beziehungsweise seines Anzuges betrachtete das Forscherteam um Ulrich Walter, Professor für Raumfahrttechnik an der TUM, und den damaligen Bachelorabsolventen Markus Gürster die gesammelten Daten. Sie verwendeten dabei die offiziellen Messdaten, griffen aber auch auf eigene Berechnungen zurück, die sich aus einer genauen Analyse der zahlreichen vorhandenen Videoaufnahmen des freien Falles aufstellen ließen. Baumgartner erreichte während seines Sturzes aus 38.969,4 Metern Höhe eine Höchstgeschwindigkeit von 1.357,6 km/h. Die Schallgeschwindigkeit wird in der Regel bei rund 1.230 km/h angesiedelt, wobei sie streng genommen stets abhängig von der Zusammensetzung des Mediums ist, durch den der Schall sich bewegt.
Im aerodynamischen Flug- oder Fahrzeugbau wird in der Regel auf bekannte Designs gesetzt – abgeflachte Kanten und Rundungen und eine geringe Oberfläche, um den Luftwiderstand des Objektes bestmöglich zu reduzieren. Das vermindert den eventuellen Kraftstoffverbrauch und erhöht, je nach Antriebssystem, die Beschleunigung. Baumgartners Anzug, mit dem er als erster Mensch im freien Fall die Schallmauer durchbrauch, verfügte über keinerlei aerodynamisches Design. Das Team der TU München errechnete für diesen asymmetrischen Körper, dass er einen mindestens 37 Kilometer weit andauernden freien Fall vollführen müsse, bis er Mach 1, also die Schallgeschwindigkeit, erreichen würde. Umso überraschter waren sie letztlich, als sich herausstellte das Baumgartner während der Phase des freien Falls sogar die Grenze von Mach 1,25 überschritt. Diesen Sachverhalt nahmen die Forscher zum Anlass, die Strömungsdynamik des vorliegenden unregelmäßig geformten – also nicht explizit aerodynamisch entworfenen – Körpers genauer unter die Lupe zu nehmen.
Warum aerodynamisches Design nicht das beste Strömungsverhalten zeigt
Damit die Wissenschaftler die Strömungsdynamik berechnen konnten, die während des „Red Bull Stratos“ genannten Stratosphären-Sprungs auftrat, mussten sie das extrem komplexe Zusammenspiel unterschiedlicher Faktoren berücksichtigen. So verhält sich Luft bei der Annäherung an die Schallgeschwindigkeit nicht mehr elastisch, sondern im Verhältnis zum schnell reisenden Objekt eher starr. Als Resultat ergeben sich für das Objekt (im Red Bull Stratos also Baumgartner) starke Turbulenzen, die energieabsorbierend wirken, den Luftwiderstand stark erhöhen und das schnelle Objekt abbremsen. Durch die Methoden aerodynamischer Designs wird der Luftwiderstand kompensierend verringert. In der Veröffentlichung des Teams der TU München wird jedoch dargestellt, dass diese Methode nicht unter allen Umständen die effektivste sein muss.
Die Forscher begannen ihre Datenauswertungen mit der Ermittlung des Strömungswiderstandes von Baumgartner während seines freien Falls. Als Grundlage diente ein mathematisches Modell zur Bestimmung des Strömungswiderstandes eines beliebig geformten Objektes – schließlich lagen keine genauen Informationen über Felix Baumgartners Anzug vor. Unter Zuhilfenahme der Messdaten des Sprungs konnte mit Hilfe dieses Modells der Strömungswiderstandskoeffizient des fallenden Stratosphären-Springers ermittelt werden. Für die Bestimmung dieses Wertes bedarf es Daten über Widerstandskraft sowie Staudruck, Dichte und Geschwindigkeit der Luftanströmung. Diese erarbeiteten die Forscher aus den Videobeobachtungen und Messdaten. Das Ergebnis war überraschend: Die Schallmauer sorgte bei Baumgartner nur für eine sehr unwesentliche Abbremsung.
Geschwindigkeit durch Dellen und Beulen
Entgegen dem allgemeinen Bild von aerodynamischen Designs als optimale Lösung für Objekte, die eine hohe Reise- und Endgeschwindigkeit erreichen wollen, konnten die Wissenschaftler in ihrer Untersuchung letztlich darlegen, dass eine unregelmäßig geformter Körper – oder eine nicht-glatte Oberfläche – wesentlich effektiver ist. Der Luftwiderstand ist beim Durchbrechen der Schallmauer sogar fast halbiert.
Für die Luft- und Raumfahrttechnik kann diese Erkenntnis durchaus wertvoll sein. Ein geringerer Luftwiderstand gewährleistet einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch beziehungsweise eine niedrigere Schubleistung zum Erreichen der Überschallgeschwindigkeit. Die Forscher der TU München verstehen ihre Arbeit zwar als Grundlagenforschung, die unerwarteten Resultate lassen jedoch erwarten, dass in der Zukunft weitere Untersuchungen zur Aerodynamik unregelmäßiger, verbeulter und eingedellter Körper angestellt und darüber hinaus auch praktische Anwendungsbereiche gefunden werden können.
Baumgartner ist übrigens nicht mehr Rekordhalter im Stratosphärenspringen. Ohne großen Medienrummel gelang dem US-Ingenieur Alan Eustace ein Fallschirmsprung aus 41.000 Metern Höhe.
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