Wissenschaft im Alltag: Kreiselsysteme
Kreisel erfreuen nicht nur Kinder, sie halten auch Flugzeuge in der Luft und Schiffe auf Kurs, stabilisieren Satelliten und unterstützen Navigationssysteme im Automobil (Spektrum der Wissenschaft 9/2002, S. 86). Denn so einfach das Spielzeug wirken mag, seine Bewegungen in einem Kreiselkompass sind komplex. Dort wird seine Drehachse durch mehrere Lager unterstützt und kann sich im Raum je nach einwirkenden Kräften neu orientieren.
Im einfachsten Fall wirkt auf den Kreisel keine äußere Kraft ein, lediglich die Reibung an Lager und Luft muss durch einen Antrieb kompensiert werden. Dann bleibt sein Drehimpuls nach Betrag und Richtung konstant und damit auch die Lage der Rotationsachse. Ein »Gyroskop« (nach griechisch gyros für »Kreis«) vermag deshalb auch im Orbit um die Erde, also bei vernachlässigbarer Schwerkraft, die Ausrichtung eines Satelliten zu stabilisieren. Dazu wird jede Abweichung von der Kreiselrotationsachse gemessen, elektronisch ausgewertet und über ein Gastriebwerk korrigiert.
Wird ein sich drehender Kreisel angestoßen, fällt er nicht um, denn die äußere Kraft erzeugt nur einen zusätzlichen Drehimpuls, der sich zu dem der Ausgangsrotation addiert. Das Kinderspielzeug veranschaulicht den Effekt: Gibt man dem Kreisel an der Spitze einen Stoß, beginnt er um die ursprüngliche Rotationsachse zu kreisen – er präzediert. Ist die auslenkende Energie verbraucht, die Ausgangsdrehung aber noch erhalten, richtet er sich wieder auf.
Dieses Phänomen versuchten Schiffsbauingenieure Mitte des 20. Jahrhunderts zu nutzen: Tonnenschwere motorgetriebene Riesengyroskope sollten Schiffe bei starkem Seegang immer wieder aufrichten. Leider gelang es nicht, die dabei auftretenden gewaltigen Kräfte auf den gesamten Schiffsrumpf zu übertragen. Heute steuern Kreiselsysteme stabilisierende Ruder etwa in Schiffsmitte, die ein- und ausgefahren werden.
Gyroskope sind auch Teil der Autopiloten im Luftverkehr: Ein Kreisel präzediert, sobald die Flugzeugflügel kippen; Instrumente messen den Winkel. Ein zweites Gyroskop ermittelt die Neigung der Maschine zwischen Heck und Cockpit. Zum Autopiloten fehlen dann nur noch Beschleunigungsmesser, um die Geschwindigkeit zu bestimmen. Neben den mechanischen Kreiselsystemen werden seit den 1980er Jahren auch optische Gyroskope entwickelt. Sie arbeiten genauer, sind kleiner und leichter. Mittlerweile kosten solche Geräte nur noch wenige tausend Euro, darum setzen sie sich in der Luftfahrt mehr und mehr durch. In der Raumfahrt vertraut man stattdessen auf die erprobten und zuverlässigen mechanischen Systeme. Der Ausfall eines Gyroskops im Hubbleteleskop hat gezeigt, wie leicht ein teures Prestigeprojekt an einer defekten Steuerung scheitern kann.
Nur etwa zwanzig Euro kosten Mikrogyroskope oder Gierratensensoren aus Silizium. Zwar zeigen sie Lageveränderungen nicht so präzise an wie ihre großen Brüder, dafür lassen sie sich wie integrierte Schaltkreise in Massen fertigen. Automobilhersteller nutzen sie für Steuerungen, die das Schleudern verhindern sollen (ESP, elektronisches Stabilitätsprogramm), und für Navigationssysteme, bei denen die Drehbewegung des Fahrzeugs nur als zusätzliche Information benötigt wird.
Wussten Sie schon?
- Reibung und Temperaturschwankungen verfälschen die Messergebnisse der Gyroskope. Bei Geräten für Antiblockiersysteme betragen die systematischen Fehler bis zu 3600 Grad pro Stunde, allerdings benötigen diese Kreisel nur wenige Sekunden, um ein Fahrzeug zu stabilisieren. Die Gyroskope amerikanischer Lenkbomben beispielsweise sind mit etwa einem Grad pro Stunde sehr viel genauer. Die besten heute erhältlichen Systeme messen sogar auf weniger als 0,01 Grad pro Stunde exakt. Ein damit ausgestatteter Flugkörper würde nach einem einstündigen Flug ohne sonstige Korrekturen keine zwei Kilometer weit von seinem ursprünglichen Ziel einschlagen.
- Der Amerikaner Elmer Sperry erhielt 1908 ein Patent für das erste technisch nutzbare Gyroskop. Sechs Jahre später demonstrierte sein Sohn bei der Flugschau in Paris einen kreiselgestützten Flugzeugstabilisator: Zum Erstaunen der Preisrichter nahm er seine Hände vom Steuer seines Doppeldeckers, während ein Mechaniker auf den Flügeln hin- und herging. Vater und Sohn entwarfen später einen »Automatischen Piloten«, der Wiley Post im Jahr 1933 half, als Erster allein um die Welt zu fliegen.
Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003, Seite 54
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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