Wie drehen Astronauten ihren Körper im Weltraum, ohne etwas zu berühren?
Ehrlich gesagt, ich weiß es nicht. Ich war noch nie im All und ich habe auch noch mit keinem Astronauten darüber gesprochen. Tatsächlich habe ich schon mit drei deutschen Astronauten (Flade, Walther, Reiter) persönlichen Kontakt gehabt, aber da hatten wir andere Themen.
Daher würde ich mal vom Standpunkt der technischen Mechanik her argumentieren. Zunächst mal, im All herrscht Schwerelosigkeit, zumindest bei oberflächlicher Betrachtung. D.h., die auf einen massenbehafteten Körper einwirkenden Kräfte und Momente sind in der Summe null. Das gilt in guter Näherung zum Beispiel für einen Astronauten im Außenbordeinsatz, wenn er nicht gerade angeseilt ist oder eine Antriebskraft erzeugt, zum Beispiel mit einem JetPac. Die Frage impliziert, dass er sich auch nirgendwo festhält oder abstößt und auf diese Weise eine Kraft oder ein Drehmoment erfahren würde.
In diesem Zusammenhang formulierte Kollege Newton vor einer Weile den so genannten Drallsatz. Der sagt im wesentlichen aus, dass die Änderung des Dralls oder Drehimpulses proportional zur Summe der äußeren Drehmomente ist. Wenn die Momente null sind, dann ändert sich der Drall auch nicht, oder anders gesagt erfährt der Körper keine Drehbeschleunigung. D.h. er bleibt in der Lage in der er gerade ist.
Soweit, so schlecht für den Astronauten und sein Bestreben sich zu drehen. Wenn der Astronaut ein Massenpunkt wäre, dann wäre die Story hier zu Ende. Aber er hat eine räumliche Ausdehnung und besitzt zum Glück bewegliche Arme und Beine. Jetzt könnte er zum Beispiel einen Arm in Rotation versetzen. Sein Raumanzug wird ihn sicherlich ein wenig dabei behindern. Der gesamte Drehimpuls muss aber null bleiben. D.h. der Rest des Körpers muss sich irgendwie in die andere Richtung drehen.
Jetzt hat aber der menschliche Körper einschließlich Raumanzug ein ziemlich unausgewogenes Massenträgheitsmoment. Das ist der Proportionalitätsfaktor zwischen Drehmoment und Drehbeschleunigung, ein so genannter Tensor, aber lassen wir das. Trivial gesprochen ist der Mensch einfach schlecht ausgewuchtet. Deshalb fängt diese Bewegung ziemlich an zu eiern. In den Filmen „Gravity“ und „Der Marsianer“ werden solche Bewegungen ganz gut dargestellt. (George Clooney und Matt Damon haben beide ziemlich mittelmäßige Massenträgheitsmomente ;-)
Praktisch gesehen, würde ich vorschlagen, dass der Astronaut den Arm in eine Richtung schlägt und sich infolgedessen während der Schlagbewegung der Körper ein klein wenig in die andere Richtung drehen wird. Mit ein wenig Übung sollten da halbwegs gezielte Lageänderungen möglich sein.
Danke für die schöne Frage und die Möglichkeit ein wenig über technische Mechanik zu salbadern.
Natürlich gilt das ganze auch für Astronautinnen, mit dem Unterschied, dass die im Mittel ein etwas kleineres Massenträgheitsmoment haben. Wie sich das auswirkt, lasse ich mal dahingestellt.