Weltweit produzieren Milliarden von Pflanzen Sauerstoff für Milliarden von Menschen. Aber das ist im riesigen Maßstab. Was ist, wenn wir es auf eine einzelne Person in einem luftdichten Raum skalieren? Vielleicht das klassische Science-Fiction-Setstück eines heldenhaften Astronauten, der auf einem kaputten Schiff im Weltraum gefangen ist.
Die kurze Antwort lautet 700 Zimmerpflanzen. Das ist das absolute minimum., Aber es ist kompliziert, also hier ist auch die lange Antwort…
Stellen wir uns vor, unser Astronaut ist eine Frau namens Lucie.
Und stellen wir uns vor, Lucie ist zunächst in einem pflanzenfreien Raum gefangen.
Sauerstoff macht etwa 20% der Luft um uns herum aus, aber nur 15% der Luft, die wir ausatmen. Mit jedem Atemzug verbrauchen wir ein Viertel des verfügbaren Sauerstoffs., Lucie wird also tragisch ersticken, nachdem sie viermal die ganze Luft in ihrem schwimmenden Gefängnis eingeatmet hat.
In Wirklichkeit wäre es viel früher, weil der Sauerstoff gleichmäßig im Raum verteilt würde. Aber es stellt sich heraus, dass das bei weitem nicht das größte Problem in diesem Szenario. Also mach dir vorerst keine Sorgen.
Wie viel Luft atmest du?
Der Durchschnittliche Mensch atmet etwa 7-8 Liter Luft pro minute. Über einen ganzen Tag, das funktioniert als etwa 10k-11.5 k Liter Luft., Die durchschnittliche Frau ist kleiner als der durchschnittliche Mann, also nehmen wir die geringere Anzahl von 10.000 Litern für Lucies täglichen Luftverbrauch.
Zehntausend Liter mögen viel klingen. Aber das liegt daran, dass wir nur an Liter im Zusammenhang mit Benzin oder alkoholfreien Getränken denken.,
Geräumige Raumschiffe
Die größte Rakete, die jemals gebaut wurde, war immer noch ziemlich eng im Weltraum, aber sie werden sich in Zukunft wahrscheinlich wohler fühlen. Nehmen wir an, der Raum, in dem Lucie unglücklich feststeckt, ist 4m lang, 4m breit und 2m hoch. Das ist ein bisschen größer als das durchschnittliche Schlafzimmer und ein bisschen kleiner als das durchschnittliche Wohnzimmer.,
Lucie hat schon einen schlechten Tag. Sie muss auch nicht klaustrophobisch sein.
Ein Zimmer dieser Größe hat ein Volumen von 4 x 4 x 2 = 32m3. Und ein einziger Kubikmeter entspricht 1000 Litern-danke metrisches System!
Also hat Lucie 32.000 Liter Luft zum Atmen, die sie in etwas mehr als drei Tagen durchstehen wird.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Sauerstoffkonzentration im Raum auf 15% gesunken.,
Ist das überlebensfähig?
Ja! Lucie lebt.
Außer Atem
Bergsteiger leiden im Allgemeinen auf etwa 3000 m über dem Meeresspiegel an Höhenkrankheit. In dieser Höhe ist die Luftzusammensetzung gleich, aber der Druck ist viel niedriger. Dies bedeutet, dass Sie in jedem Atemzug weniger Sauerstoff erhalten, wodurch sich die Sauerstoffkonzentration niedriger anfühlt.
Dort wird die Luft ziemlich dünn.,
Bei 3000 m liegt die äquivalente Sauerstoffkonzentration nur geringfügig unter 15%.
Wir haben also eine gute Vorstellung davon, was mit Lucie nach ihren drei Tagen im Weltraum passieren würde. Sie wird wahrscheinlich ein bisschen Kopfschmerzen haben, sich ein bisschen übel fühlen, Schlafstörungen haben und vielleicht seltsame Träume bekommen. Drei Tage sind nicht lang, um sich an 3000m zu akklimatisieren, aber es sollte genug sein, um zu verhindern, dass etwas Schlimmeres passiert.
Drei Tage später wird Lucie ihre ganze Luft zweimal eingeatmet haben. Zu diesem Zeitpunkt ist sie auf ungefähr 10% Sauerstoff gesunken., Das entspricht 6.000 m Höhe, etwas höher als der Kilimanjaro.
Sechs Tage sind nicht lang genug, um sich richtig an diesen Sauerstoffgehalt zu gewöhnen. Lucie könnte dort eine Weile überleben, aber es ist nicht nachhaltig. Und sie wird mit jedem Atemzug mehr Sauerstoff verbrauchen.,
Das wahrscheinlichste Ergebnis ist ein ziemlich unangenehmer Tod durch Hirnödem (Schwellung im Gehirn) oder Lungenödem (wo Sie im Wesentlichen in Ihren eigenen Flüssigkeiten ertrinken). Nicht ideal.
Trotzdem sollten sechs Tage lang genug sein, damit unser unerschrockener außerirdischer Entdecker einen Ausweg findet, oder? Oder vielleicht erhält ein vorbeifahrendes Raumschiff ihren Notruf und kommt, um sie zu retten?
Immerhin hat Matt Damon in kürzester Zeit Kartoffeln angebaut und mit der Erde kommuniziert.,
Der stille Killer
Es wird schlimmer. Sauerstoff ist nicht Lucies größtes Problem.
Erlauben Sie mir, unseren alten Freund Kohlendioxid einzuführen.
Bei normalen atmosphärischen Konzentrationen (etwa 400 ppm, d. H. 0,04%) verursacht CO2 keine Probleme. Nun, nicht direkt sowieso. Es gibt das ganze Problem des Klimawandels auf der Erde, aber das ist wahrscheinlich ziemlich niedrig auf Lucies Prioritätenliste.
Drängender ist die Tatsache, dass Kohlendioxid in höheren Konzentrationen giftig wird. Bei 5% ist es tödlich.,
Erinnern Sie sich an die Konzentration von CO2 in der Luft, die wir ausatmen? Ja, auch 5%.
Lucie kann die ganze Luft in einem leeren Raum nur einmal einatmen, bevor das CO2 sie herausnimmt. In Wirklichkeit würde es sie wahrscheinlich viel schneller töten. Eine Stunde Exposition gegenüber 5% CO2 wird Sie töten, so längere Exposition gegenüber 4% CO2 wird es wahrscheinlich auch tun.
Ohne Pflanzen stirbt Lucie viel schneller an Kohlendioxidvergiftung als an Sauerstoffmangel. Sie hat drei Tage Zeit.,
Zeit, die Zimmerpflanzen einzubringen.
Wie viele Pflanzen würden benötigt, um genügend Sauerstoff zum Atmen zu produzieren?
Mit nur noch drei Tage zu Leben, Lucie wäre besser, hoffe, Sie bekam schon viele Pflanzen im Zimmer zu halten Sie lebendig. Das ist bei weitem nicht genug Zeit, um eine effektive Gartenbau „Lunge“ von Grund auf neu zu wachsen.
Wie viele Pflanzen braucht sie?
Nun, der Raum ist, wie Douglas Adams berühmt sagte, groß.,
Die Chancen, dass Lucie von einem vorbeifahrenden Raumschiff gerettet wird, sind ziemlich gering, sodass der Sauerstoff-und CO2-Gehalt sehr lange stabil bleiben muss.
Mit den gleichen Zahlen wie oben atmet Lucie etwa 420 Liter Luft pro Stunde, und diese Luft ist ungefähr 20% Sauerstoff. So kommt Lucie jede Stunde 84 Liter Sauerstoff durch. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das durchschnittliche Blatt (wenn es so etwas gibt) in der gleichen Zeit etwa 5 Milliliter Sauerstoff produziert.,
Ein schnelles bisschen Mathematik gibt uns 84 / 0.005 = 16,800 Blätter erforderlich. Ihre durchschnittliche reife Zimmerpflanze könnte etwa 25 Blätter haben, was uns 672 Pflanzen gibt. Wahrscheinlich am besten zu runden bis zu 700 auf der sicheren Seite zu sein.
Wir atmen für jedes Sauerstoffmolekül, das wir verbrauchen, etwa ein Molekül zusätzliches CO2 aus, und Pflanzen tun das Gegenteil., Das heißt, diese 700 Pflanzen sollten auch eine Kohlendioxidvergiftung verhindern.
Also gibt es unsere (vereinfachte) Antwort! Wenn Sie jemals in einem durchschnittlich großen luftdichten Raum stecken, schauen Sie sich um. Wenn Sie weniger als 700 Zimmerpflanzen sehen, werden Sie wahrscheinlich in ein paar Tagen tot sein.
Eng auf Raum
Natürlich, nichts ist jemals einfach. Das offensichtlichste Problem ist, wo auf Nicht-Erde sind diese 700 Pflanzen gehen?, Ist es überhaupt möglich, genügend Pflanzen zu haben, um Ihren Sauerstoffbedarf zu decken?
Lucie ‚ s 4m x 4m Zimmer hat 16m2 Grundfläche. Eine Auswahl an reifen Zimmerpflanzen würde mindestens 25cm Platz in jeder Richtung benötigen, was für jede Pflanze als 0.0625m2 funktioniert. Leider bedeutet das, dass Lucie nur etwa 250 Pflanzen einsammeln kann. Und sie wird nicht einmal Platz zum Sitzen haben. Lebensmittel-und Wasserspeicher werden auch in den verfügbaren Raum fressen.
Trotzdem könnten Sie denkbar genug Pflanzen hineinpassen, wenn Sie einen Raum voller Regale voller Grün haben.,
Lucie hatte bessere Hoffnung, dass ihr Science-Fiction-Gefängnis zufällig eine vertikale Farm ist.
Steady state
Pflanzen produzieren keinen Sauerstoff in einem stetigen Zustand rate.
Pflanzen produzieren unterschiedliche Mengen an Sauerstoff bei unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Phasen des Wachstumszyklus. Lucies Überleben hängt jetzt davon ab, in einem Wachstumsraum mit einer Temperatur festzusitzen, die nicht stark schwankt.,
Halten Sie die Lichter an
Wir müssen uns auch daran erinnern, dass die meisten gemäßigten Pflanzen nur tagsüber Sauerstoff produzieren. Sie wechseln zur Aufnahme von Sauerstoff und zur Freisetzung von Kohlendioxid in der Nacht.
Acht bis zwölf Stunden Dunkelheit würde nicht zulassen, dass Sauerstoffgehalt genug, um ein problem zu sein. Aber Lucie wird doppelt so viele Pflanzen brauchen, wenn sie nur den halben Tag Sauerstoff produzieren., Und 1400 Pflanzen in einen bereits überfüllten Raum zu quetschen wird nicht einfach sein.
Im Idealfall braucht Lucie 24 Stunden am Tag das Licht an. Sie wird nicht viel Schlaf bekommen, aber müde zu sein ist besser als tot zu sein.
Nicht alle Pflanzen sind gleich
Pflanzen funktionieren nicht alle gleich.
Viele Pflanzen, die in trockenen Gebieten heimisch sind, atmen nur nachts auf. Es ist ein Überlebensmechanismus, da das Halten ihrer Poren während des Tages verhindert, dass sie zu viel Wasser durch Transpiration verlieren.
Aber mit Lucies 24-Stunden-Tageslicht produzieren diese Pflanzen überhaupt keinen Sauerstoff.,
Der Raum könnte mit einer 50/50 Mischung aus gemäßigten und trockenen pflanzen, die eine konstante Sauerstoffproduktion während des Tages ermöglichen würden. Aber Sie würden immer noch 1400 statt 700 Pflanzen brauchen. Ewiges künstliches Tageslicht ist effizienter. Daumen drücken die Lichter funktionieren noch!
Was braucht Lucie also, um ihre Tortur zu überleben?, Sie muss in einer einigermaßen großen vertikalen Farm mit mindestens 700 reifen Zimmerpflanzen stecken bleiben, die alle aus relativ feuchten Gebieten stammen und die Lichter rund um die Uhr eingeschaltet sind.
Es sieht nicht gut aus.
Langfristig denken
Wenn Lucies Zimmer all diese Bedingungen erfüllt, könnte sie theoretisch Wochen, Monate oder Jahre atmen., In diesen Zeiträumen müssen wir uns Gedanken über andere Materialien im Raum machen.
Genau wie die Pflanzen und Lucie werden auch Bakterien im Boden atmen. Sie saugen wertvollen Sauerstoff ein und geben zusätzliches Kohlendioxid ab. Die Pflanzen sollten dies wieder in Sauerstoff umwandeln, aber es ist nicht immer so einfach.
In den 1980er und 90er Jahren bauten eine Gruppe von Wissenschaftlern und ein wohlhabender Geschäftsmann größtes geschlossenes System in der Geschichte., Biosphere 2 war die Heimat einer Gruppe von Forschern/Testpersonen für zwei Jahre, um zu sehen, ob sie in der luftdichten Struktur überleben könnten.
Die Projektleiter mussten schließlich extra Sauerstoff einpumpen.
Warum? Das durch die Bodenatmung erzeugte Kohlendioxid reagierte mit den Betonwänden und produzierte Calciumcarbonat und Wasser. Das bedeutete, dass das CO2 nie die Pflanzen erreichte und nie wieder in Sauerstoff umgewandelt wurde.
Nach 16 Monaten reichte diese unerwartete Reaktion aus, um die Sauerstoffversorgung auf gefährliche Werte zu reduzieren.,
Jedes oxidierende Material wie Eisen würde im Laufe der Zeit auch wertvollen Sauerstoff verbrauchen. Lucie muss also in einem Raum ohne Materialien stecken bleiben, die mit Sauerstoff oder Kohlendioxid reagieren könnten.
Der hydroponische Anbau der Pflanzen (ohne Boden) würde die Fehlerquote erhöhen.,
Leben oder Tod
Wenn man bedenkt, dass sie in einem luftdichten Raum mit minimaler Chance auf Rettung oder Flucht festsitzt, hat Lucie wahrscheinlich nicht das beste Glück in der Galaxie.
Aber es könnte nicht das Ende sein.
Wenn sie in einem hydroponischen Wachstumsraum mit mindestens 700 reifen Zimmerpflanzen steckt, die in ausgedehnten Regalen angeordnet sind, und wenn keine dieser Pflanzen aus trockenen Regionen stammt, und wenn die Lichter immer an sind und wenn sie auch eine Möglichkeit hat, ausreichend Nahrung und Wasser zu bekommen, dann könnte Lucie möglicherweise länger als ein paar Tage überleben., Und wenn der Raum aus inerten Materialien gebaut ist oder die Oberflächen entsprechend behandelt werden, könnte sie sogar bis ins hohe Alter leben.
Aber wahrscheinlich nicht. Wir haben das noch nie erfolgreich gemacht, selbst wenn wir es versucht haben.
Zumindest wird sie von Pflanzen umgeben sein.
Dieser Artikel erschien zuerst auf Candide.