Flüssigkeit einatmen, von der Tiefsee bis ins All

Vor 380 Millionen Jahren begannen Fische, an Land zu kriechen. Nach einer langen Phase natürlicher Selektion entwickelte sich eine Gruppe von ihnen in dem komplizierten Labyrinth zu Menschen. Die Menschen sind zweifellos die Könige des Goldenen Zeitalters der Erde. Es gibt keine Inseln auf der Erde, die wir nicht erreicht haben. Aufgrund unserer einzigartigen physiologischen Struktur sind wir jedoch nur für das Überleben in einer gasförmigen Umgebung geeignet. Wir haben die Fähigkeit verloren, Flüssigkeiten wie Fische einzuatmen. Im Vergleich zur Besiedlung der Tiefsee scheinen wir heute die Kolonisierung des Weltraums zu bevorzugen. Es scheint jedoch etwas ungewöhnlich, dass der Wunsch, Flüssigkeit einzuatmen, nicht nur mit dem Ozean zusammenhängt, sondern uns auch dabei helfen kann, in den Weltraum zu fliegen.

Pioniere

Die menschliche Atmung ist ein sehr einfacher Diffusionsprozess. Der Sauerstoff der Luft wird über die Lunge ins Blut aufgenommen und das durch den Stoffwechsel entstehende Kohlendioxid wird anschließend von der Lunge in die Luft transportiert. Mit diesem Ein- und Ausatmen ist der gesamte Atmungsprozess abgeschlossen. Im Vergleich zur Luft ist der gelöste Sauerstoff im Wasser erbärmlich gering. Um ein normales Leben aufrechtzuerhalten, müssen wir mindestens 45 Liter Wasser pro Sekunde einatmen, um 0,05 Gramm Sauerstoff zu extrahieren. Die menschliche Lunge ist keine Hochdruckwasserpumpe und daher von Natur aus nicht in der Lage, eine solche „Sturminhalation“ durchzuführen. Doch bald kam jemand auf die Idee: Wenn wir eine Flüssigkeit mit einem hohen Gehalt an gelöstem Sauerstoff verwenden, kann ein Atemzug den Sauerstoffbedarf decken. Bedeutet das, dass wir die Flüssigkeit einatmen können?

Um dies zu überprüfen, fingen Wissenschaftler im Jahr 1962 Mäuse in einer Salzlösung ein, die eine große Menge Sauerstoff enthielt. Obwohl es viel schwieriger war, Flüssigkeit auszustoßen als Gas, konnten die Mäuse erfolgreich Sauerstoff aufnehmen, hatten jedoch Schwierigkeiten beim Ausatmen von Kohlendioxid: Kochsalzlösung löste Kohlendioxid nicht gut auf und das beim Atmen entstehende Kohlendioxid sammelte sich in der Lunge. Der arme Jerry lebte nur wenige Minuten, bevor er an einer respiratorischen Azidose starb. Vier Jahre später entdeckten Wissenschaftler eine organische Perfluorkohlenwasserstoff-Flüssigkeit (im Folgenden PFC genannt). Diese Flüssigkeit enthält nicht nur eine erstaunliche Menge an gelöstem Sauerstoff, sondern auch eine viel höhere Menge an gelöstem Kohlendioxid als Kochsalzlösung. Diesmal lebte der kleine Jerry 20 Stunden.

Der kleine Jerry atmete die PFC-Flüssigkeit in der unteren Schicht ein, während die kleinen Fische in der oberen Wasserschicht keine Ahnung hatten, was passierte. Bildquelle: Researchgate

Obwohl die Bedingungen noch nicht ausgereift schienen, führte die US-Marine 1969 Versuche zur Flüssigkeitsatmung an Menschen durch. Francis J. Falejcyk, ein Taucher mit hervorragender Lungenkapazität, war der erste Mensch in der Geschichte, der gleichzeitig sauerstoffhaltiges Salzwasser und PFC atmete. Allerdings war das Experiment nicht ganz erfolgreich. Mit der damaligen Technologie war es nicht möglich, das gesamte Wasser aus seinen Lungen abzusaugen, und er erkrankte anschließend aufgrund von Flüssigkeitsrückständen in seinen Lungen an einer Lungenentzündung.

Angesichts der möglichen taktischen Anwendungsaussichten der Flüssigkeitsatmung unter Wasser legte die Duke University der US Navy im Jahr 1977 einen Bericht mit dem Titel „The Feasibility of Human Liquid Breathing“ vor, der daraufhin im Jahr 1980 eine Testübung startete. Die Navy SEALs erprobten dabei erstmals die Flüssigkeitsatmung in PFC. Der ganze Vorgang war ziemlich anstrengend, so sehr, dass mehrere Taucher „versaut“ wurden und sich Rippen brachen.

Bis heute kann man kaum behaupten, dass die Technologie der Flüssigkeitsbeatmung große Fortschritte gemacht hat. Obwohl einige Flüssigkeitsbeatmungstechnologien erfolgreich in der medizinischen Behandlung eingesetzt wurden und die Atembedingungen einiger Patienten mit abnormaler Lungenfunktion verbessert haben, sind wir vom echten Leben im Meer noch weit entfernt. Derzeit benötigen wir Flüssigkeiten, die leichter und weniger viskos sind als PFC, um das Einatmen und Ausstoßen von Flüssigkeiten zu erleichtern. Doch wenn wir an der Oberfläche des heutigen technologischen Ozeans bleiben, sind wir aufgrund unserer Kurzsichtigkeit möglicherweise nicht in der Lage, die Unterströmungen zu spüren, die Tausende von Kilometern entfernt lauern. Gehen wir nun einen Schritt weiter und beschränken uns nicht auf das technologische Niveau der Pioniere, sondern nutzen wir fortschrittliches Denken, um uns die Zukunft vorzustellen. Wir werden feststellen, dass sich uns allein durch das Einweichen in Flüssigkeit langsam der Bauplan von der Tiefsee bis in den Weltraum entfaltet.

Unter den Wellen

Mit der globalen Klimaerwärmung schmelzen die Gletscher in der Arktis und Antarktis, der Meeresspiegel steigt von Jahr zu Jahr und Küstenstädte sind der Gefahr von Überschwemmungen und Taifunen ausgesetzt. Landgewinnung ist keine langfristige Lösung. Doch wenn wir den Rückzug in einen Vormarsch verwandeln und direkt im Meer leben können, können wir das Problem der Meerwasserüberflutungen ein für alle Mal lösen. Diese Idee ist keineswegs ironisch gemeint. Das Leben unter Wasser ist eine logische Lösung für das Problem des Umweltkollapses. Könnten die Menschen 50 Meter unter dem Meeresspiegel leben, stünde ihnen eine zusätzliche Landfläche zur Verfügung, die der Antarktis entspricht. Darüber hinaus ist die Unterwasserwelt nicht so gefährlich wie die Mythen behaupten: Es gibt keine Brände, die Stärke von Erdbeben ist begrenzt und Stürme und Tsunamis haben wahrscheinlich keine Auswirkungen auf die Unterwasserwelt.

„Die Geschichte wird sich wiederholen und die Menschen werden erneut gezwungen sein, im Meer ihren Lebensunterhalt zu verdienen.“

—Alistair Hardy, Meeresbiologe

Die Konzeption einer Ozeanstadt. Bildquelle: KI generiert

Nicht alle Tiere, die mit Lungen atmen, sind an Wasser nicht gewöhnt. Seelöwen und Robben können ihre Lungen zu einer Kugel zusammenschrumpfen, um in die Tiefsee zu tauchen, doch die menschliche Lunge ist nicht so elastisch. Unter dem Druck des tiefen Wassers wird die Lungenhöhlenstruktur zu stark komprimiert und reißt großflächig, was zum Ersticken führt. Die Fähigkeit, Druck standzuhalten, hat die menschliche Erforschung des Ozeans eingeschränkt. Den Weltrekord für das tiefste Freitauchen hält der Neuseeländer William Trubridge. Im Jahr 2010 tauchte er ohne die Hilfe jeglicher Hilfsmittel wie Taucherbrille oder Flossen mit nur einem Atemzug 116 m tief in den Atlantischen Ozean. Der Wasserdruck in einer Tiefe von 116 m komprimiert den Stickstoff in der Luft der Lunge in die Fettbestandteile und das Nervengewebe und erzeugt so einen Stickstoffnarkoseeffekt, ähnlich einer „Anästhesie“. Beim Aufsteigen dehnt sich die komprimierte Lunge übermäßig aus, was zu einer Luftembolie führt.

Eine Methode, den Druck in tiefem Wasser zu überwinden, besteht darin, den Taucheranzug mit einer atembaren, sauerstoffreichen Flüssigkeit zu füllen und die Person in die Flüssigkeit einzutauchen, um den Druckwiderstand zu erhöhen. Um diesen Ansatz zu verstehen, müssen wir uns nur einen Ballon vorstellen, der im Meer versunken ist. Wenn der Ballon aufgeblasen ist, platzt er durch den Wasserdruck in seichten Gewässern. Ist der Ballon jedoch mit Wasser gefüllt, ändert sich seine Form nicht, selbst wenn er im Marianengraben, dem tiefsten Punkt der Erde, platziert wird. Der Grund ist: Wasser ist inkompressibel. Die Dichte des Wassers im Marianengraben ist nur 5 % höher als die des Oberflächenwassers. Daher wirkt bei einer Person, die in einer Tiefwasserumgebung vollständig in Flüssigkeit eingetaucht ist, der hydrostatische Druck gleichmäßig auf die Gewebestruktur und die Oberfläche des menschlichen Körpers, wodurch der Druck innerhalb und außerhalb des Körpers gleichzeitig ansteigt. Bei einem ausgeglichenen Druckunterschied zwischen Innen und Außen lässt sich die Lunge nur noch schwer komprimieren und hält dadurch sehr hohen Belastungen stand. Zu dieser Zeit verfügen Menschen über die gleiche extreme Druckresistenz wie Tiefseetiere.

Die geheimnisvolle Feuerwerksqualle, deren Körper aus transparentem Weichgewebe besteht, hält dem Wasserdruck in 1.000 Metern Tiefe stand. Bildquelle: Wiki

Über dem Himmel

Der blaue Planet unter unseren Füßen ist unsere einzige Mutter im Sonnensystem. Doch selbst wenn wir die gesamte Materie im Sonnensystem außer der Sonne zusammenzählen, beträgt ihre Gesamtmasse weniger als 1 % der Sonne. In der Milchstraße gibt es mindestens 100 Milliarden sonnenähnliche Sterne, eine Zahl, die der Gesamtzahl der Menschen entspricht, die auf der Erde gelebt haben. Das Licht benötigt für eine Umrundung der Erde nur 0,133 Sekunden, bis es jedoch den Rand des bekannten Universums erreicht, vergehen 46 Milliarden Jahre. Das Ausmaß und die Tiefe des Unbekannten, der ungelösten Probleme und der unerledigten Angelegenheiten übersteigt bei weitem unser praktisches Verständnisvermögen. Futuristen sind sich seit langem darüber im Klaren, dass das Überleben der Menschheit von ihrer Fähigkeit abhängt, im Weltraum zu überleben.

„Die Menschheit hat in Zukunft zwei Möglichkeiten: Entweder wir fliegen in den Weltraum und werden multiplanetarisch, oder wir beschränken uns auf unseren Heimatplaneten Erde, bis es zum Massenaussterben kommt.“ - Elon Musk, Gründer von SpaceX

Vorgestellte Kolonisierung mehrerer Planeten. Bildquelle: KI generiert

Bei der Erforschung des Weltraums, insbesondere beim schnellen Überwinden beliebiger Entfernungen, kommen wir nicht umhin, über die hohe G-Beschleunigung zu sprechen. Nehmen Sie als Beispiel den „Forward Four“-Antrieb des Schlachtschiffs der Star-Klasse in „Die drei Sonnen“: Bei einer Beschleunigung von 120 G wird Ihre Geschwindigkeit nach 0,5 Sekunden jedes Rennauto auf der Erde bei weitem übertreffen; nach 7 Sekunden erreichen Sie die Geschwindigkeit der strategischen Interkontinentalrakete Dongfeng-41; Innerhalb von 14 Sekunden kann die Fluchtgeschwindigkeit erreicht werden, um der Anziehungskraft der Sonne zu entkommen.

Doch ebenso wie die Hohlraumstruktur des menschlichen Körpers dem Druck tiefen Wassers nicht standhalten kann, hält sie auch sehr hohen Beschleunigungsbelastungen nicht stand. Normale Menschen können einer Beschleunigungsbelastung von 2–4 G standhalten, ausgebildete Piloten erreichen 8–9 G. Im Laufe der Geschichte gab es Experimente zur extremen Beschleunigungstoleranz des menschlichen Körpers. Im Jahr 1954 bestieg der Air-Force-Pilot John Stapp eine Spezialrakete, beschleunigte innerhalb von 5 Sekunden auf nahezu Schallgeschwindigkeit und hielt einer Beschleunigungsbelastung von bis zu 46,2 G stand. Obwohl diese Beschleunigungsbelastung nur einen Moment anhielt, brach sich John Stapp dennoch viele Rippen, platzte zahlreiche Blutgefäße im ganzen Körper und löste seine Netzhaut ab. Er wurde direkt ins Krankenhaus gebracht. Als man ihn später fragte, was er von dem Experiment halte, sagte der Blinde: „Sein größter Gewinn aus diesem Experiment war ein Blindenstock und ein Blindenhund.“ Diese Ruhe und Gelassenheit rührte daher, dass Stapp keine Angst vor dem Tod hatte. Kurz vor Beginn des Experiments lehnte er einen Donut ab, den ihm jemand anderes reichte, mit der Begründung, dass sich Essen im Magen auf die Anatomie auswirken würde.

So wie man durch Einweichen in Flüssigkeit dem Druck tiefen Wassers standhält, ist es eine naheliegende Idee, sie zu verwenden, um Beschleunigungsbelastungen standzuhalten. Flüssigkeit hat eine gute Druckübertragungsleistung. Bei Personen, die vollständig in Flüssigkeit eingetaucht sind, ist die Wirkung der Beschleunigungsbelastung innen und außen gleichmäßig. In der menschlichen Körperstruktur gibt es keine lokalen Kraft- und Druckunterschiede. Es entsteht ein äußerst gleichmäßiger Druckverlauf im gesamten Körper, wodurch die Auswirkungen einer Überlastung stark reduziert werden. Die Idee, durch Flüssigkeitseintauchen eine hohe G-Beschleunigung zu erreichen, wurde auch in einigen Science-Fiction-Werken erwähnt. Am bekanntesten unter chinesischen Lesern ist der Zustand der Tiefsee, in den die Besatzung in Liu Cixins „Drei Sonnen“ gerät:

Bei höchster Antriebsleistung beschleunigt das Raumschiff auf 120 G, und die daraus resultierende Gewichtsüberschreitung übersteigt die Belastungsgrenze des menschlichen Körpers unter normalen Bedingungen um mehr als das Zehnfache. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, in den Tiefseezustand zu gelangen, d. h. die Kabine mit einer Flüssigkeit namens „Tiefseebeschleunigungsflüssigkeit“ zu füllen. Diese Flüssigkeit ist reich an Sauerstoff, und geschultes Personal kann sie direkt einatmen. Während des Atmungsprozesses füllt die Flüssigkeit die Lunge und dann nacheinander jedes Organ.

——„Das Drei-Körper-Problem 2: Der dunkle Wald“

Um diesen Tiefseezustand erfolgreich zu erreichen, muss die Beschleunigungsflüssigkeit nicht nur die Anforderungen an sicheres Atmen erfüllen, sondern auch genau die gleiche durchschnittliche Dichte wie der menschliche Körper haben: Ist die Dichte des menschlichen Körpers geringer als die der Flüssigkeit, wird er bei der Beschleunigung an die hintere Schottwand gedrückt und umgekehrt. Die Kraft, die die Schottwand auf den menschlichen Körper ausübt, ist kein gleichmäßiger hydrostatischer Druck. Sobald der Körper also an der Schottwand haftet, ist es sehr wahrscheinlich, dass er aufgrund des lokalen Druckunterschieds zu einer dünnen Schicht auf der Schottwand gepresst wird, genau wie die Besatzungsmitglieder im „Dreikörperproblem“, die direkt beschleunigten, ohne in den Tiefseemodus zu wechseln.

Die Beschleunigung beim Eintritt in den Tiefseezustand kann nicht unendlich sein, da bei einer zu hohen Beschleunigung das Phänomen der „Differentialzentrifugation“ deutlich wird. Bei der Differenzialzentrifugation werden bei unterschiedlich starken Zentrifugalkräften Stoffe unterschiedlicher Dichte je nach Stärke der Zentrifugalkraft getrennt. Es gibt große Unterschiede in der Dichte von Muskeln, Fett, Blut und Knochen beim Menschen. Bei übermäßig hoher Beschleunigung reichen die Verbindungen zwischen menschlichen Geweben nicht aus, um die Trennung der Moleküle, aus denen sie bestehen, zu erzwingen. Die Knochen mit hoher Dichte sinken zu Boden, während das Fett mit geringer Dichte nach oben schwimmt. Der Aufbau des menschlichen Körpers als kohlenstoffbasierter Organismus begrenzt die weitere Steigerung der Beschleunigungsbelastung. Um diese Einschränkung zu überwinden, könnte es notwendig sein, so vorzugehen, wie Michio Kaku es sich in „Space Wars“ vorstellte: eine Art Kraftfeld zu verwenden, um alle Moleküle des menschlichen Körpers zu fixieren, sodass es, egal wie hoch die Beschleunigung ist, nicht zu einer Gewebeschichtung kommt und der seit Jahrtausenden bestehende Wunsch der Menschheit nach extremer Beschleunigung endlich in Erfüllung gehen kann.

Diagramm der differentiellen Zentrifugation, schrittweise Erhöhung der Zentrifugalkraft zur Trennung von Organellen unterschiedlicher Größe, Quelle: Wiki

Nachfolger

Die Menschheit brauchte tausend Jahre, um vom Eisenzeitalter zum Dampfzeitalter zu gelangen, und nur hundert Jahre, um vom Dampfzeitalter zum Elektrizitätszeitalter zu gelangen. Im Staub und Nebel der Rennwissenschaft sehen wir, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit der menschlichen Zivilisation die Evolutionsgeschwindigkeit des menschlichen Körpers bei weitem übersteigt. Die Menschen von heute geben sich nicht mehr damit zufrieden, auf natürliche Weise von der Umwelt ausgewählt zu werden. Sie haben gelernt, Land urbar zu machen, Sand zu befestigen, Ackerland anzulegen und die Umwelt so umzugestalten, dass sie sich an ihre Bedürfnisse anpasst. Vielleicht können sich die Menschen in naher Zukunft durch das Einatmen von Flüssigkeiten wirklich von den Beschränkungen des Fleisches befreien und zu „Amphibien“ werden, die in den fünf Ozeanen Schildkröten fangen und am Himmel nach dem Mond greifen können. Bis dieser Tag kommt, haben die Nachfolger noch einen weiten Weg vor sich.

Quellen:

[1]Shaffer, Thomas H., Marla R. Wolfson und Leland C. Clark Jr. „Flüssigkeitsbelüftung.“ (1999).

[2]Clark Jr., Leland C. und Frank Gollan. „Überleben von Säugetieren, die organische Flüssigkeiten atmen, die bei atmosphärischem Druck mit Sauerstoff im Gleichgewicht sind.“ Science 152.3730 (1966): 1755-1756.

[3] Chen Ruiyong, Jin Hai, Li Mengxing, Yang Feng, Gu Jinghua. Anwendungsaussichten der Flüssigkeitsatmungstechnologie in der U-Boot-Rettung[J]. Journal of Naval Medicine, 2022, 43(12): 1320-1324

[4]Hirschl, Ronald B., et al. „Prospektive, randomisierte, kontrollierte Pilotstudie zur partiellen Flüssigkeitsbeatmung beim akuten Atemnotsyndrom bei Erwachsenen.“ American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 165.6 (2002): 781-787.

[5] Xu Mingyi, Du Wanming. Herausforderungen und Ideen für die Entwicklung von Meeresstädten[J]. Frontiers of Marine Science, 2020, 7(3): 59-67

[6]Rozwadowski H M. „Den Kreis der Menschheit zurück ins Meer schließen“ Homo aquaticus, Evolution und der Ozean[J]. Environmental Humanities, 2022, 14(1): 1-28.

[7]https://www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

[8]https://www.bbc.com/future/article/20130930-can-we-build-underwater-cities

Autor: Li Wenjie, Mitglied der Freiwilligenvereinigung zur Popularisierung der Wissenschaft des Changchun-Instituts für Optik und Feinmechanik, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Sun Yifei, Direktor des Forschungsbüros für medizinische Ausbildungsgeschichte, Hebei Medical University

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.