Fantasie-Physik – Das Journal of Physics Special Topics

Hätte Rapunzels Haar gehalten? Wäre die Arche Noah seetauglich gewesen? Können Hamster ein Kraftwerk betreiben? Und was würde passieren, wenn der Mond aus Käse wäre? Ein britisches Fachmagazin klärt solche Fragen mit höchster physikalischer Präzision.

Als sie die britische Tageszeitung The Independent in einem Artikel im Wissenschafts-Ressort zitierte, war die 21-jährige Hannah Lerman dann doch überrascht. Sie habe schon damit gerechnet, dass ihr Fachartikel von der einen oder anderen Internetseite aufgegriffen werden könnte. Aber mit dem Medienecho, dass You can fly auslöste, hatte die Studentin nicht gerechnet. In dem Artikel geht Lerman zusammen mit zwei Studienkollegen der Frage nach, ob man am Saturnmond Titan mit einem Wingsuit, also einem Fluganzug ausgerüstet, fliegen kann. Das Fazit der Studenten: Mit einer Flügelfläche von 4,7 m2 und einer Laufgeschwindigkeit von mindestens 6 m/s oder mit einer Fläche von 1,4 m2 und einer Geschwindigkeit von 11 m/s scheint es möglich zu sein, abzuheben. „Usain Bolt ist der schnellste Mensch der Erde, aber auf dem Titan könnte er fliegen, sagen Wissenschaftler„, titelte daraufhin The Independent.

Der Fachartikel der Studenten der University of Leicester war nicht der einzige, der in den vergangenen Wochen durch die Medien ging. Da war zum Beispiel das Paper, in dem man sich mit Plasma-Schilden aus dem Star Wars-Universum auseinandersetzte. Oder jenes, das sich um die Frage drehte, ob ein Schiff wie die Arche Noah tatsächlich alle benötigten Tiere tragen könnte. Und auch in den vergangen Jahren tauchten immer wieder schräge Fachartikel auf, die an der Universität geschrieben worden waren. Scheinbar beschäftigte man sich hier wissenschaftlich mit den Fähigkeiten von Superhelden oder ernsthaft mit der Frage, wie sehr die Abgeordneten im House of Commons bei ihren hitzigen Debatten das Gebäude erwärmten. Manch einer habe auch auf ihren Artikel erbost reagiert, erinnert sich Lerman: „Das ist nicht richtig! Warum wird Geld in solche unsinnigen Forschungsarbeiten gesteckt?!“ Was diese Leser und anfangs auch einige Medien nicht verstanden, war allerdings, dass es sich bei dem Journal of Physics Special Topics nicht um eine klassische Fachpublikation handelt, sondern um eine sehr spezielle Studentenzeitung.

„Ja, einige der Fragestellungen sind ziemlich schräg“, sagt Mervyn Roy, der den Kurs rund um das Journal an der University of Leicester leitet. Und er findet das gut. Es sei wichtig, die Studenten zu ermutigen, kreativ zu sein. Denn wenn sie später als Wissenschaftler arbeiten, „müssen sie Kreativität und Vorstellungskraft einsetzen, um Probleme zu lösen.“ Das bedeutet freilich nicht, dass die Studenten alles schreiben dürfen. So können die Themen zwar weitgehend frei gewählt werden, aber die physikalischen Berechnungen müssen einwandfrei sein. Sind sie das nicht, wird der betreffende Artikel aus dem Journal geworfen oder muss zumindest überarbeitet und neu eingereicht werden. Denn die Studenten überprüfen die Artikel ihrer Mitstudenten auf Schwachstellen und Fehler. „Wir wollten, dass unsere Studenten verstehen, wie Wissenschaft funktioniert“, sagt Derek Raine. Davon, den angehenden Physikern in einer langweiligen Vorlesung zu erklären, was es bedeutet, wissenschaftlich zu publizieren und wie das Peer-Review-Verfahren funktioniert, hielt Raine nicht viel. Die Studenten sollten selbst erleben, was es bedeutet, einen wissenschaftlichen Text zu veröffentlichen. Und so lies er seine Studenten 1996 die erste Ausgabe des Journal of Physics Special Topics produzieren. Damals, erinnert sich der ehemalige Kursleiter, sei er bei der Themenwahl strikter gewesen. „Um ehrlich zu sein: Ich würde es begrüßen, wenn einige der aktuellen Artikel etwas gewöhnlicher wären“, sagt Raine und lacht. Er habe den Eindruck, mittlerweile gäbe es unter den Studenten eine Art Wettbewerb um die „seriöseste Wissenschaft im lächerlichsten Kontext.“

Hannah Lerman hat es Spaß gemacht, am Journal zu arbeiten. Und auch Mike Gorley und John C. Coxon, die in älteren Ausgaben publiziert haben, denken gerne an die Zeit zurück. Sie erinnern sich aber auch an anstrengende Feedback-Sitzungen. Denn für manche Studenten ist es nicht leicht, die Kritik ihrer Mitstudenten zu schlucken. Und umgekehrt sind einige Studenten in der Rolle als Reviewer recht kleinlich und verbeißen sich in Grammatik-Fehlern, anstatt die physikalischen Berechnungen zu würdigen. Die meisten Jahrgänge könnten professionelles Feedback und Privatleben zwar trennen, vor einigen Jahren habe es laut Roy aber sogar ein paar heftige Auseinandersetzungen gegeben. „Ich denke, damals litten einige Beziehungen etwas darunter…“, sagt er. Und Mike Gorley, der heute an der University of Oxford forscht, hat folgende Episode noch gut vor Augen: Eines der Treffen, bei dem entschieden werden sollte, welche Artikel in die damalige Ausgabe kommen würden, endete beinahe in einem Schreiduell. Als Leiter des darauffolgenden Meetings entschloss sich Gorley kurzerhand dazu, das Treffen in einen ausgewiesenen Sitzungsraum zu verlegen und eine klare Struktur festzusetzen. Plötzlich sei es möglich gewesen, die Besprechung ruhig und effizient durchzuführen. Das habe ihm gezeigt, dass es nicht unbedingt darauf ankommt, wie klug man ist und wie viel man über ein Thema weiß. „Ohne die richtigen Mittel und Mechanismen, um unsere Sichtweisen zu vermitteln, wäre jede Forschungsarbeit der Welt reine Zeitverschwendung und wir würden uns womöglich über Tische hinweg anbrüllen.“

„Ich denke, dass das Journal of Physics Special Topics viele Aspekte der akademischen Welt ziemlich gut widerspiegelt“, sagt John C. Coxon, der nun seinen Doktor an der University of Leicester macht. Dass die Studenten auch eine Ahnung davon bekommen, wie der Wissenschaftsbetrieb und die Medienwelt miteinander reagieren, war dabei nicht von Anfang an geplant. Als das Journal vor einigen Jahren zum ersten Mal online veröffentlicht wurde, habe niemand an der Uni mit dem plötzlichen medialen Interesse gerechnet, erzählen Roy und Raine. Anfangs wusste man nicht so recht, wie man reagieren soll. Doch Roy erkannte bald, dass der Kurs nun einen neuen, wichtigen Aspekt abdeckt. „Als Wissenschaftler müssen wir mehr und mehr darüber nachdenken, wie wir der Öffentlichkeit unsere Arbeit näherbringen können“, sagt er. Mittlerweile bekommen die Studenten auch eine kurze Einführung in Grundthemen der Öffentlichkeitsarbeit. „Natürlich spielen einige der Studenten ganz bewusst mit dem Medieninteresse. Die Gruppe, die sich mit der Arche Noah beschäftigte, wusste ganz genau, dass dazu ein Film in die Kinos kommen würde.“ Und auch Hannah Lerman schrieb eines ihrer Paper nicht zufällig zu der Frage, ob Felix Baumgartner’s Sprung auch am Mars erfolgreich wäre (– die Antwort: nur, wenn er aus noch größerer Höhe springen würde).

Rund 18 Jahre nachdem er das Journal of Physics Special Topics ins Leben gerufen hat, zeigt sich Derek Raine immer noch begeistert davon, wie gut das Projekt bei den Studenten ankommt. „Sie lernen, ohne es zu bemerken. Und das ist die großartigste Form des Lernens.“

____________________

Käsemond

Was wäre, wenn der Mond zur Gänze aus Wensleydale bestehen würde, dem Lieblingskäse von Wallace aus Wallace & Gromit? Wenn man vom gleichen Volumen ausgeht, wäre die Masse des Mondes deutlich geringer als die jenes Mondes, den wir kennen. Damit würde sich der Käsemond viel schwächer auf die Erde auswirken. „Diese drastische Veränderung würde die Gezeitenkraft auf der Erde völlig verändern“, schreiben die Autoren des Artikels. Möchte man die Masse konstant halten, müsste man den Radius des Wensleydale-Trabanten vergrößern. Der essbare Riesen-Mond hätte dann 145 Prozent der derzeitigen Mondgröße. Der Artikel geht auch auf einige andere Käsesorten ein. Diese würden allerdings eine ähnliche Dichte und damit vergleichbare Ergebnisse liefern. „Allerdings unterscheiden sich sowohl Cheddar als auch Schweizer Käse noch etwas deutlicher als Wensleydale von den derzeitigen Eigenschaften des Mondes.“

Haarbruch

In der Ausgabe aus dem Jahr 2011 geht eine Gruppe von Studenten der Frage nach, wie stark Rapunzels Haar ist. Bei der Berechnung muss berücksichtigt werden, dass die Haarpracht nicht nur den Kletterer, sondern auch sich selbst tragen muss. Für die Haarlänge werden 70 Fuß (entspricht der Höhe des Turms) angenommen. 70 Fuß Haar wiegen rund 7,40 Kilogramm. Für den Haarkletterer wird ein Gewicht von 60 Kilogramm angenommen. Von diesen Werten und der Zugfestigkeit eines Haares ausgehend, können die Studenten berechnen, ab welcher Last die Haare zerreißen. Wann die Haarwurzeln ausgerissen werden, wird dabei nicht untersucht – Es wird davon ausgegangen, dass Rapunzel ihr Haar so herunterlässt bzw. befestigt, dass die Kraft nicht direkt auf die Haarwurzeln wirkt. So kommen die Studenten zu folgendem Ergebnis: „Rapunzels Haar kann ein Maximalgewicht von 27 Kilonewton tragen.“ Das entspricht gut 2.750 Kilogramm. Das Märchen besteht die Zerreißprobe also: Das Haar hält.

Extremschnorcheln

Wie lang kann ein Schnorchel sein? Mit dieser Frage setzt sich der Artikel „Theoretisches Tiefenlimit für den Einsatz eines Schnorchels“ auseinander. Bei der Beantwortung beachten die Studenten mehrere Faktoren. Das Innenvolumen des Schnorchels muss deutlich unter dem Gesamtvolumen der Lunge liegen, damit es möglich ist, Frischluft einzuatmen. Die Art des Schnorchels bzw. seine Eigenschaft, dem Wasserdruck zu widerstehen, müssen berücksichtigt werden. Außerdem führt die Luft im Schnorchel zu einem zusätzlichen Auftrieb, wodurch das Tauchen erschwert wird. Die Berechnungen ergeben, dass der zunehmende Auftrieb des Schnorchels eine Länge von maximal 2,7 Metern zulässt. Die Autoren weisen allerdings darauf hin, dass dieser Wert „keine exakte Grenze“ sei. Außerdem könnte der Taucher gegen den Auftrieb des Schnorchels „anschwimmen“ Die Verfasser des Artikels geben aber auch zu bedenken, dass einige Faktoren nicht berücksichtigt wurden, „beispielsweise die Gefahr, die damit einhergeht, wenn Wasser unbeabsichtigt in den Schnorchel gelangt.“

Hamsterkraftwerk

Angenommen, ein Hamster strampelt sich täglich sechs Stunden im Laufrad ab. Wie viele Hamster in Laufrädern wären nötig, um den Strombedarf des Vereinigten Königsreichs zu decken? Der Artikel aus dem Jahr 2011 lässt unter anderem Reibung außer Acht; es wird angenommen, dass das System zu 100 Prozent effizient ist. Ausgehend vom Strombedarf aus dem Jahr 2009 und der Energie, die ein einzelnes aktives Hamsterlaufrad in sechs Stunden produziert, ergibt sich folgender Schluss: Man bräuchte ungefähr 2,3 x 1012 strampelnde Hamster. Also 2.300.000.000.000. Um diesen enormen Bedarf zu decken, müsste man sehr viel mehr der Nagetiere züchten, als derzeit vorhanden sind. Laut einer Schätzung gibt es weltweit 6,8 x 109 Hamster. „Die Anzahl der Hamster, die nötig wären, um das Vereinigte Königreich ein Jahr lang mit Energie zu versorgen, ist annähernd 300 Mal größer als die Zahl der existierenden Hamster.“ Und so bleibt nur die nüchterne Feststellung: „Hamster-generierte Energie kann daher keinen signifikanten Beitrag zur Stromversorgung des Vereinigten Königreichs leisten.“

Extraterrestrischer Tee

„In diesem Artikel werden mögliche Standorte im Sonnensystem diskutiert, in denen der Druck im richtigen Bereich liegt, um eine Tasse Tee zu kochen.“ So beginnt das Abstract eines der Artikel aus der aktuellen Ausgabe des Journal of Physics Special Topics. Am Mond liegt der Siedepunkt bei -162 Grad Celsius. Abgesehen davon, dass wohl jeder Schluck sehr problematisch wäre: Ein halber Liter des frisch gebrühten Mond-Tees würde den menschlichen Körper stark abkühlen und Organe irreversibel schädigen. Am Mars befindet sich der Siedepunkt bei 4 Grad Celsius. Hier hätte der Tee damit beinahe die „ideale Serviertemperatur von Eiscreme“. Wer auf der Erde im Marianengraben in 11km Tiefe Tee kochen will, müsste Wasser wegen des hohen Drucks auf 180 Grad Celsius erhitzen. Auf dem Saturnmond Titan hat Wasser 16 Grad Celsius, wenn es zu kochen beginnt. Der Tee wäre also kühl, aber ungefährlich. Ganz anders auf der Venus. Hier liegt der Siedepunkt von Wasser bei 273 Grad Celsius. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass es auf der Venus eine Atmosphärenschicht gibt, in der Siedepunkt von Wasser wie auf der Erde bei 100 Grad Celsius liegt. „Um sicherzustellen, dass die Forscher weiterhin Zugang zu Tee haben, scheint es daher logisch, eine schwebende Plattform auf der Venus zu errichten, bevor man sich an die Erkundung der Planetenoberfläche macht.“

____________________

2014 unter dem Titel „Mit uns können Sie rechnen“ erschienen in „profil wissen„.

Advertisements

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s