Kann die „Himmelsleiter“ in „The Wandering Earth 2“ wirklich gebaut werden?

Der Film „The Wandering Earth 2“ hat eine Länge von drei Stunden und sein enormes Fassungsvermögen ist nicht umsonst. Die erste Katastrophe, die allein zur Schaffung der Atmosphäre dient, würde ausreichen, um den gesamten Film zu tragen, wenn sie woanders stattfinden würde. Bei dieser ersten Katastrophe ist die „Weltraumleiter“, die in verschiedenen Science-Fiction-Werken Unglück bringt, der Unglücksrabe.

Die sogenannte Weltraumleiter, manchmal einfach Weltraumaufzug genannt, ist eine hypothetische Möglichkeit, in den Weltraum zu gelangen. Gewöhnliche Gebäude und Leitern verfügen nicht über eine ausreichende Druckfestigkeit und stürzen ein, bevor sie mehrere tausend Meter hoch gestapelt sind. Sie können nicht wie die Erbsenranke im Märchen direkt in den Weltraum aufsteigen. Allerdings sind viele Materialien gegenüber Zugbelastungen wesentlich widerstandsfähiger als gegenüber Druckbelastungen. Wenn Menschen eine Leiter aus sehr zugfesten Materialien in einer synchronen Umlaufbahn bauen und über den Boden hängen, können sie die Leiter relativ ruhig zum Boden halten und dann entlang der Leiter in den Weltraum klettern.

In „The Wandering Earth 2“ haben Menschen in der Nähe von Libreville, der Hauptstadt Gabuns, eine Himmelsleiter gebaut – dies steht im Einklang mit den Gesetzen der Physik. Libreville liegt fast am Äquator und eine Standardleiter muss am Äquator gebaut werden. Dies liegt daran, dass sich die Raumstation über dem Äquator befindet. Durch den Bau einer Leiter am Äquator kann sichergestellt werden, dass die oberen und unteren Positionen synchronisiert sind. Außerdem kann die durch die Zentrifugalbewegung des Erdäquators erzeugte Beschleunigung genutzt werden, um das Kräftegleichgewicht der Leiter mit der Schwerkraft der Erde aufrechtzuerhalten. Wenn Sie sich für den Bau einer Leiter in anderen Breitengraden entscheiden, benötigen Sie zusätzliche Maßnahmen, um sicherzustellen, dass die Leiter nicht durch ungleichmäßige Krafteinwirkung auseinandergerissen wird. Im Film fährt eine Gruppe Astronautenkandidaten mit einem Weltraumaufzug zur Raumstation, um dort zu trainieren. Als sie durch die Beschleunigung von 9 g (g ist die Erdbeschleunigung, 9 g kann einfach so verstanden werden, dass 8 Personen, die so schwer sind wie Sie, auf Ihnen lasten) zu Tode gefoltert werden, wird der Aufzug von Terroristen angegriffen und drei Terroristen lauern in der Kabine. So blieb den beiden Protagonisten nur, im Auto die Terroristen auf Leben und Tod zu bekämpfen und dabei vor dem Fenster das Luftkampf-Feuerwerk zwischen Drohnen und Kampfjets zu beobachten.

Apropos: In der Kabine saßen offensichtlich Dutzende Astronauten. Sie waren keine Feiglinge und ihre körperliche Fitness war gut genug. Warum war es so schwierig, drei unbewaffnete Terroristen zu bekämpfen? Es stellte sich heraus, dass zum Schutz der Astronauten unter den Bedingungen hoher Schwerkraft alle fest in einer achterbahnähnlichen Sicherheitsvorrichtung eingeschlossen waren. Die meisten Leute konnten überhaupt nicht aussteigen und starrten nur mit leerem Blick auf ihre Plätze. Nur wenigen Menschen gelang es durch Zufall, die Sicherung zu öffnen und die Terroristen zu bekämpfen.

Wenn diese Reise jedoch einem qualifizierten Luft- und Raumfahrtingenieur überlassen wird, wird sie wahrscheinlich nicht so schwierig sein. Denn für einen Weltraumaufzug sind weder solch hohe G-Kräfte noch so komplizierte und strenge Sicherheitsvorrichtungen erforderlich . Wenn man darauf besteht, ihn wie im Film zu bauen, geht die Bedeutung des Aufzugs völlig verloren.

Was bedeutet die Leiter?

Stellen Sie sich vor, Sie würden fünf Stockwerke nach oben fahren. Wenn es eine Treppe gäbe, wäre es ganz einfach: eine Stufe hoch, eine Stufe runter und die nächste Stufe hoch. Jeder Schritt erfordert nur eine geringe Menge an Energie, da durch die kurzzeitige Nutzung der Stützkraft die Schwerkraft überwunden und der Körper einige Dutzend Zentimeter nach oben gedrückt wird. Auch wenn du sehr schwach bist, macht das nichts. Sofern Ihre Kraft für einen Schritt ausreicht, können Sie schließlich bis in den fünften Stock hinaufsteigen – es dauert höchstens etwas länger.

Aber ohne Treppe wäre es schwierig. Sobald die Füße einer Person den Boden verlassen, können sie keine Aufwärtskraft mehr erzeugen. Daher muss sie die gesamte Energie, die zum Erreichen des Gipfels erforderlich ist, in einem Atemzug innerhalb weniger Zehntelsekunden nach dem Abstoßen vom Boden freisetzen. Bedenkt man, dass beim Aufstieg noch Luftwiderstand überwunden werden muss, ist noch mehr Energie nötig. Superman kann mit einem Sprung bis zum fünften Stock springen, doch normale Menschen können nicht über so viel Kraft verfügen. Obwohl beide vom ersten bis zum fünften Stock reichen, ist die Gesamtmenge an potenzieller Gravitationsenergie, die überwunden werden muss, dieselbe, aber das eine ist sehr einfach und das andere so schwierig wie der Aufstieg in den Himmel.

Das Prinzip einer Leiter unterscheidet sich natürlich von dem einer Treppe, die tatsächliche Wirkung ist jedoch nahezu dieselbe. Wenn es keine Leitern gäbe, bräuchten die Menschen Raketen, um ins All zu gelangen. Damit eine Rakete abheben kann, muss kontinuierlich Gas freigesetzt werden, um Schub zu erzeugen. Für den Aufstieg ist die Rakete auf die Reaktionskraft des Schubs angewiesen. Bei unsachgemäßer Handhabung würde es explodieren. Im Gegenteil: Mit einer Leiter kann diese enorme Energie in viele kleine Teile aufgeteilt werden, mit geringerem Strombedarf und weniger Abfall. Theoretisch können Sie eine Treppe, die tatsächlich mit dem Weltraum verbunden ist, Stufe für Stufe hinaufgehen. Der Weltrekord im Langstrecken-Treppensteigen liegt bei 13.145,65 Metern Treppensteigen in 12 Stunden. Wenn eine Person 12 Stunden am Tag klettern und 12 Stunden ruhen kann, dauert es nur etwas mehr als eine Woche, bis sie in den Weltraum vordringt (100 Kilometer über dem Meeresspiegel bilden die Grenze zwischen Atmosphäre und Weltraum). (Dies setzt natürlich voraus, dass im Treppenhaus Luft vorhanden ist und alle paar Stufen Nahrung und Wasser gelagert werden.)

Erwähnenswert ist auch, dass einer der Hauptgründe für die Schwierigkeit des Raketenbaus darin liegt, dass sie ihren eigenen Treibstoff mitführen müssen, und um diesen Treibstoff auf der Straße transportieren zu können, wird mehr Treibstoff benötigt. Obwohl dieser Zyklus nicht endlos weitergeht (auf dem Weg dorthin wird viel Treibstoff verbrannt und es muss nicht die ganze Strecke mitgeführt werden), bedeutet dies auch, dass für den Transport einer Tonne Objekt in den Weltraum oft 10 Tonnen oder mehr Treibstoff benötigt werden. Mit dem Aufzug gibt es dieses Problem nicht – bauen Sie einfach einen Generator auf den Boden und versorgen Sie den Motor des Wagens während der gesamten Fahrt mit Strom.

Daher kann ein echter Weltraumaufzug langsam wie ein Hochgeschwindigkeitszug in den Himmel fahren, und das ist sein größter Vorteil. Wir wissen nicht, wie hoch sich die Zielstation der Astronauten über dem Boden befand, aber sie scheint nicht sehr weit entfernt zu sein – sie stürzte kurz nach der Explosion ein. Wenn die Höhe dieser Raumstation der der tatsächlichen Internationalen Raumstation ISS ähnelt, also etwa 400 Kilometer beträgt, dann würde die Ankunft mit der Geschwindigkeit einer Hochgeschwindigkeitsbahn nur etwas mehr als eine Stunde dauern, was völlig akzeptabel ist. Die Verwendung einer Beschleunigung von 9 g ist rein körperlich anstrengend – tatsächlich beträgt die Beschleunigung eines echten bemannten Raketenstarts nur 3–4 g.

Und selbst wenn der Zweck darin besteht, diese Astronautenkandidaten ohne Krankenversicherung zu quälen, sollten sie zumindest ein für hohe g-Kräfte ausgelegtes Auto benutzen – das Auto im Film scheint auch einige Probleme zu haben.

Das erste Problem ist das Aussehen. Für ein Objekt, das einer Beschleunigung von 9 g standhalten muss, sind Ober- und Unterseite des Autos überraschend flach. Genau hier liegt das Problem.

Der Grund, warum eine Rakete die Form einer Rakete annimmt, liegt hauptsächlich darin, den Luftwiderstand zu verringern und die Energieeffizienz zu verbessern. Der Luftwiderstand ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und muss daher nur bei hohen Geschwindigkeiten berücksichtigt werden. Normale Raketen müssen ultrahohe Geschwindigkeiten von mehreren Tausend bis über zehn Kilometern pro Sekunde erreichen und dabei einem enormen Luftwiderstand standhalten. Es ist definitiv nicht kosteneffizient, eine flache Kastenrakete zu bauen.

Für die Kabine des Weltraumaufzugs gibt es keine Geschwindigkeitsanforderungen und er kann langsam nach oben fahren. In diesem Fall ist es nicht verkehrt, eine flache Schachtel daraus zu machen. Allerdings ist es nicht möglich, sowohl eine Box als auch hohe Geschwindigkeit zu haben. Der Film zeigt nur das Feuer, das entsteht, wenn die Unterseite des Wagens beim Herunterfahren auf die Atmosphäre trifft, beim Hochfahren ist er jedoch unversehrt. Das ist sehr seltsam. Schließlich ist optisch kein Unterschied in der Geschwindigkeit zwischen Auf- und Abwärtsbewegung erkennbar, sodass der Widerstand und das Feuer gleich groß sein sollten.

Natürlich ist die visuelle Beurteilung ungenau und es ist möglich, dass sich das Auto tatsächlich mit sehr geringer Geschwindigkeit bewegt. Doch das wäre noch merkwürdiger, da der Zweck der hohen g-Kräfte darin besteht, die Autobahn so schnell wie möglich zu erreichen, und es nur 0,3 Sekunden dauert, um bei 9 g von 0 auf 100 km/h zu beschleunigen. Wenn Sie eine hohe G-Kraft, jedoch keine hohe Geschwindigkeit verwenden, erleiden Sie zwar viele Nachteile, aber keine Vorteile. Das macht offensichtlich keinen Sinn.

Das zweite Problem ist schwerwiegender und bedarf einer ausführlicheren Erläuterung: Die Sitze der Astronauten waren in die falsche Richtung ausgerichtet.

Mittlerweile weiß jeder, dass Astronauten vor ihrem Flug ins All ein Beschleunigungstraining absolvieren müssen. Durch das Training können Menschen weniger anfällig für Schwindel, Erbrechen oder Koma werden, doch egal, wie viel sie trainieren, es gibt immer noch körperliche und physiologische Grenzen. Der menschliche Körper hat sich in einer 1-g-Umgebung entwickelt. Die mechanische Festigkeit aller Teile des menschlichen Körpers ist nur an diese Umgebung angepasst, und das anfälligste Glied ist wahrscheinlich das Blut. Wenn der Blutdruck selbst bei 1 g nicht unter Kontrolle gehalten wird, sterben jedes Jahr viele Menschen, und bei hohen g-Werten ist es noch schwieriger.

Bei einer Aufwärtsbeschleunigung wird das Blut sehr „schwer“ und fließt bei stehenden oder sitzenden Personen in Richtung der Fußsohlen, was zu einer zerebralen Ischämie führen kann. Im Allgemeinen kann ein normaler Mensch einer Aufwärtskraft von 5 g nicht länger als ein oder zwei Minuten standhalten und fällt dann ins Koma. Moderne Kampfpiloten können kurzfristig maximal etwa 9 g aushalten, benötigen dafür aber neben einem längeren Training auch die Hilfe spezieller Druckanzüge. In den Beinen und im Bauch werden viele Airbags verwendet, um den Blutdruck zu erhöhen. Manchmal ist auch eine Regulierung des Brustdrucks erforderlich, um die Atmung zu unterstützen. Den ausgeglichenen Kampfhaltungen der Figuren im Film nach zu urteilen, sieht es nicht so aus, als würden sie Druckanzüge tragen (es kann natürlich auch sein, dass Druckanzüge 20 Jahre später zu einer ganz neuen Technik wurden).

Das ist nicht das Schlimmste. Noch erschreckender ist, dass beim Herunterlassen der Leiter die negative Beschleunigung, die durch die Abbremsbewegung entsteht, wenn sie kurz davor ist, den Boden zu berühren, dazu führt, dass das Blut ins Gehirn fließt. Dies führt nicht dazu, dass die zerebralen Blutgefäße platzen und sofort absterben. Der menschliche Körper reagiert äußerst wachsam auf einen Anstieg des zerebralen Blutdrucks und der Karotissinus stoppt sofort, sobald er einen abnormalen Blutdruck feststellt. Allerdings gehorcht die Beschleunigung nicht seinem Befehl und alles, was er tun kann, ist, die Herzfrequenz und den arteriellen Blutdruck kontinuierlich zu senken. Dies hat zur Folge, dass das abnormale Blut den Unterschied im Sauerstoffgehalt zwischen Arterien und Venen nicht aufrechterhalten kann und die Person aufgrund von Sauerstoffmangel zunächst ins Koma fällt. Kurz gesagt: Die Toleranz der Menschen gegenüber negativer Beschleunigung beim Herabsteigen einer Leiter ist sogar noch geringer.

Wenn Piloten in der Luft manövrieren müssen, führt daran kein Weg vorbei, doch für Astronauten ist die Reise ins All ganz einfach. Sie einer Beschleunigung von 9 g auszusetzen ist nicht nur unnötig, sondern bietet auch keinen Sicherheitsspielraum für den Fall einer Fehlfunktion. Dem werden die Ingenieure sicher nicht zustimmen. Außerdem ist die Lösung dieses Problems eigentlich lächerlich einfach: Lassen Sie die Person sich einfach hinlegen und in den Himmel kommen.

Im Liegen oder in Bauchlage befinden sich Gehirn und Herz des Menschen im Wesentlichen auf gleicher Höhe und die Auswirkungen des schwereren Blutes werden erheblich reduziert. Das heißt nicht, dass es keine Probleme gibt. Das menschliche Atmungssystem steht noch immer unter erheblichem Druck, die Sauerstoffkonzentration im Blut nimmt ab, die Sehkraft ist erheblich eingeschränkt und die Gliedmaßen können sich nicht frei bewegen, aber es sollte kein Problem sein, ein oder zwei Minuten lang ein Dutzend g auszuhalten. Wenn Sie sich für eine der beiden Möglichkeiten entscheiden müssen, ist die „Beschleunigung im Liegen und die Verzögerung in der Bauchlage“ die bessere Wahl, da in dieser Haltung die Netzhautgefäße am wenigsten belastet werden.

Natürlich sieht eine in der Kabine liegende Personengruppe nicht nur unschön aus, sondern nimmt auch viel Platz weg. Es ist verständlich, dass bei gewöhnlichen Aufzugskabinen mit geringer Schwerkraft ein achterbahnähnliches Sitzdesign gewählt wird. Zwingen Sie die Leute jedoch nicht, mit 9 g in normalen Autos zu fahren. Würde es auf solch illegale und überlastete Weise laufen, würde es von selbst zusammenbrechen, selbst wenn niemand es absichtlich sabotieren würde.

Autor: Fan Gang

Rezension｜Zhou Xiaoliang, leitender Ingenieur, Physiklabor der Jiaotong-Universität Peking