Superhelden mit Atemnot: Die miniaturisierten Marvel-Superhelden „Ant-Man“ und „Wasp“ hätten ein großes Problem – wenn es diese Comic- und Filmfiguren wirklich gäbe. Denn nach den Regeln der Physik müssten sie ersticken, sobald sie auf Insektengröße schrumpfen, wie Physiker ermittelt haben. Gleich zwei Effekte würden für einen gravierenden Sauerstoffmangel der Superhelden sorgen. Doch es gibt Abhilfe – wenn entsprechende Technik in den Anzug integriert wird.
Ob Ironman, Hulk oder Spiderman: Viele Superhelden aus Comics oder Filmen können schier übermenschliche Leistungen vollbringen. Einigen verhelfen dabei ungewöhnliche Mutationen zu ihren Superkräften, andere verlassen sich auf Hightech-Spezialanzüge. Letzteres gilt auch für „Ant-Man“ und seine Mitstreiterin „Wasp“, beides Superhelden aus dem Marvel-Universum. Dank der in ihren Anzügen integrierten exotischen „Pym“-Partikel können sie sich bis auf submolekulare Größe schrumpfen, ohne ihre menschentypische Kraft zu verlieren.
Atmung in Miniaturgröße
Doch könnte ein Mensch eine solche Größenreduktion rein theoretisch überhaupt überleben? Einen Aspekt dazu haben sich nun Anne Staples und Maxwell Mikel-Stites vom Virginia Polytechnic Institute in Blacksburg vorgeknöpft. Ihre Frage: Würden die Lungen und Organe der miniaturisierten Superhelden genügend Sauerstoff bekommen? Zwar ist dies für die etwa gleichgroßen Insekten kein Problem, aber ihr Atmungssystem unterscheidet sich in einigen entscheidenden Punkten von dem des Menschen, wie die Forscher erklären.
So nimmt der Mensch die Atemluft nur über eine Öffnung auf – den Mund. „Insekten dagegen besitzen typischerweise sechs bis elf Paare von Atemöffnungen, meist ein Paar pro Segment“, so Staples und Mikel-Stites. Ein weiterer Unterschied: Der Mensch verteilt den Sauerstoff nicht direkt im Körper, sondern mithilfe seiner roten Blutkörperchen. Bei Insekten dagegen diffundiert die Atemluft samt Sauerstoff über das Tracheensystem direkt zu den Organen.
Dünn wie auf dem Mount Everest
Was würde sich für Ant-Man und Wasp nun verändern, wenn sie geschrumpft sind? Wie die Forscher herausfanden, hätten die miniaturisierten Superhelden gleich zwei große Probleme. Das erste ist die Verfügbarkeit von Sauerstoffmolekülen in der Luft: „Eine normalgroße Person nimmt mit einem tiefen Atemzug eine bestimmte Zahl von Sauerstoffmolekülen auf“, erklärt Mikel-Stites. „Wenn aber diese Person auf die Größe einer Ameise schrumpft, dann nimmt sie pro Atemzug viel weniger Sauerstoff auf.“ Im Fall von Ant-Man ist dies nur der 140ste Bruchteil davon.
Der Grund: Die effektive Dichte des Atemgases nimmt für den Mini-Superhelden ab. In Bezug auf seine Körpergröße und das Volumen seines Atemzugs sind die Sauerstoffmoleküle in der Umgebungsluft viel dünner gesät, wie die Forscher erklären: „Die Superhelden würden sich fühlen, als wenn sie auf dem Gipfel des Mount Everest stehen – in gut 8.000 Metern Höhe.“
Zu wenig Sauerstoff
Ant-Man würde dadurch mit jedem Atemzug ähnlich wenig Sauerstoff bekommen wie in der dünnen Höhenluft des Berggipfels – mit entsprechenden Folgen. „Der Körper versucht, mit weniger Sauerstoff zu funktionieren und man beginnt unwillkürlich, den Mangel durch schnelleres Atmen zu kompensieren“, sagt Mikel-Stites. Das aber führt oft zur Höhenkrankheit oder einem gefährlichen Lungenödem.
Insekten lösen dieses Atmungsproblem dadurch, dass sie gleich mehrere Atemöffnungen besitzen. Dadurch können sie in der gleichen Zeit bis zu 20-mal mehr Luft einatmen als ein gleichgroßer Mensch. Das hilft, die nötige Menge an Sauerstoff in den Körper zu bringen. Ant-Man und Wasp jedoch haben nur ihren Mund zum Atmen – und entsprechend wenig Atemvolumen.
Und noch ein zweites Problem haben Ant-Man und Wasp: Das Kleibersche Gesetz besagt, dass sich die Stoffwechselrate eines Tieres mit abnehmender Größe erhöht. Je kleiner ein Tier ist, desto mehr Energie verbraucht es – und desto höher ist sein Sauerstoffbedarf. Wenn Ant-Man auf Insektengröße schrumpft, müsste seine Stoffwechselrate nach Kleibers Gesetz daher um das 100-fache ansteigen, wie die Forscher errechneten.
Kompressor im Anzug
Doch es gibt eine Lösung, um die Superhelden trotz dieser Probleme vor dem Ersticken zu bewahren: ihr Anzug. „Damit Ant-Man und Wasp atmen können, wird eine Kombination aus Luftpumpe, Kompressor und Molekülfilter benötigt“, erklären Staples und Mikel-Stites. Passende Geräte, die im Miniatur-Maßstab noch effektiv arbeiten, gebe es in der Mikrofluid-Technik bereits.
Eine im Anzugrücken integrierte Pumpe würde Luft ansaugen, die dann im Kompressor auf eine genügend hohe Dichte konzentriert wird. Der Filter sorgt dafür, dass die komprimierte Luft mit Sauerstoff angereichert wird. Über einen Luftschlauch wird diese sauerstoffreiche Luft dann zum Gesicht der Superhelden geleitet. „Weil die Anzüge eine Gesichtsmaske umfassen, lässt sich die Luftzufuhr dort leicht integrieren“, so die Forscher. Ant-Man und Wasp wären damit zumindest theoretisch vor der Atemnot bewahrt. (American Physical Society Meeting 2018; abstract)
(American Institute of Physics (AIP), 20.11.2018 – NPO)
