Ueberleben im Vakuum ohne Schutzausrüstung
MODERATION: Dies ist eine Zusammenführung der ehemaligen Threads
- "Überleben im Weltall ohne Raumanzug - Thema bei Kopfball" und
- "Tod im Weltraum"
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Ich will an dieser Stelle mal einige grundsaetzliche Daten und Berechnungen zum Threadthema "Mensch im Vakuum" vorstellen.
Beim Durchlesen des Threads faellt auf, dass es doch immer wieder die gleichen Fragen bzw. Missverstaendnisse sind, die vorgebracht werden (Explodiert der Kopf, faengt der Mensch an zu kochen, ...?).
Auch bei den Anworten, obwohl oftmals viel Richtiges dabei, erscheint manches eher mit Vorsicht zu geniessen. Insbesondere wird i.A. nicht zwischen verschiedenen Umstaenden bzw. Geschwindigkeiten der Dekompression unterschieden. Dabei schliesse ich mich selbst (bzw. meine Kommentare) ausdruecklich mit ein: Auch meine Antworten waren mitunter nicht ganz richtig.
Ich habe mir nun mal versch. Fachartikel und anderes Material aus dem Internet durchgelesen. Das meiste Material stammt von der NASA, manches auch z.B. von flugmedizinischen Studien und Handbuechern der USAF und USN. Im folgenden Text will ich auf die verschiedenen Phaenomene und Folgen bei unterschiedlichen Arten von Dekompression im Weltraum eingehen. Die meisten Punkte wurden in den vorhergehenden Kommentaren hier im Thread schon mal erwaehnt. Ich sortiere das ganze jetzt ein wenig und bringe noch ein paar Beispiele dazu.
- die Kernfrage: Was passiert mit dem Mensch, wenn er ungeschuetzt dem Vakuum ausgesetzt wird?
- 1. Zusatzfrage: In welchem Zeitrahmen passiert das?
- 2. Zusatzfrage: Was ist (hier) Vakuum?
Die letzte Frage zuerst: Ich beziehe mich im Folgenden nur auf das Vakuum des Weltraums, nicht auf die unteren Atmosphaeren von Mars oder die potenitiellen Umweltverhaeltnisse auf Io, Europa, etc.
Laut Wiki betraegt der Druck im geostationaeren Orbit (Hoehe 35786 km) nur ca. 10^-20 bar, in einem niedrigen Satellitenorbit (200-1500 km) schon etwa 10^-10 bar. Die ISS fliegt ungefaehr in 400 km Hoehe.
Fuer meine Berechnungen/Beispiele werde ich einen Aussendruck von 10^-10 bar = 10^-5 Pascal (Pa) annehmen.
DEKOMPRESSION
Also zur mittleren Frage: Der Zeitrahmen einer Dekompression ist DER entscheidende Faktor fuer die medizinischen Folgen: "explosive" Dekompression oder mittlerer/langsamer Druckverlust?
Welche Zeiten (Sekunden, Minuten, Tage?) sind in bestimmten Situationen ueberhaupt realistisch?
Eine Zeitangabe ist sehr schwierig zu schaetzen, daher muss man -wenn moeglich- rechnen: Die entscheidenden Faktoren sind das austretbare Gas-Volumen (V) im Inneren (des Raumschiffs, Orbitalstation, Luftschleusenkammer, Shuttle-Rampe, etc.) und die Groesse (=Flaeche, A) des Lecks. Genauer ist es deren Verhaeltnis (=V/A).
Beispiele:
(a) Einen sehr langsamen Druckverlust (viele Stunden) erhaelt man z.B nach dem Einschlag eines Mikrometeoriten: V/A ist dann sehr gross.
(b) Einen mittleren Druckverlust kann man erhalten, wenn z.B. langsam (!!) die aeussere Schleusentuer aufgeht, obwohl die Kammer noch unter Druck steht.
(c) Explosiven Druckverlust als Extremfall hat man, wenn V/A sehr klein ist, z.B. ein Astronaut nimmt waehrend seiner EVA seinen Helm ab, ein grosses Fenster in einem kleinen Raumschiff platzt, die Folgen einer Kollision, ... .
Ich verweise hier auf einen Artikel von A. J. Higgins, Ingenieur/Ass. Prof. fuer kompressible Fluide ("Gase"). Hier werden Formeln hergeleitet, die genau das Gesuchte beschreiben (Ich gebe das hier natuerlich nur stark verkuerzt wieder: Vacuum Exposure: How long will it take a spacecraft to decompress?, zu finden auf der Website von Geoffrey A. Landis, NASA-Wissenschafter und SciFi-Autor)
Ausgangspunkt ist eine Gleichung fuer die allgemeine Massenflussrate: dm/dt = rho * V * A (mit rho fuer die Gasdichte). Die Herleitung geht ueber eine Gleichung fuer konstante Anfangsbedingungen P,T hin zu einer vereinfachten Funktion, wenn das verwendete Gas Luft ist. Da sich jedoch P und T aendern (koennen), muss die Gleichung weiter angepasst werden. Wenn die Groesse des Lecks konstant bleibt, dann gilt zunaechst:
t = 0.43 * (V/A) * [ ( (p1/p2)^0.143 ) - 1] / (sqrt [T0])
mit
t = gesuchte Zeit in Sekunden
V = Volumen in m^3
A = Leck-Flaeche in m^2
p1 = Anfangsdruck = Innendruck = 1 bar = 10^5 Pa
p2 = Enddruck = Aussendruck = 10-10 bar = 10^-5 Pascal (Pa)
T0 = Innentemperatur
nun die Anpassung fuer die Temperatur:
Hier gilt es zu beachten, dass das umgebende Raumschiff i.d.R. eine sehr viel hoehere Masse hat als die entwichenen Gase und damit auch eine hoehere Waermekapazitaet. Diese Waerme wird aber deutlich langsamer abgegeben. Das heisst, die Abkuehlung durch die Gasausdehnung wird kompensiert (isothermaler Prozess).
Ist im Inneren des Raumschiffs das Vakuum hergestellt, wirkt dieses sogar als Waerme-Isolation. Eine weitere Abgabe von der gespeicherten Waerme des Raumschiffs findet dann nur noch ueber Waerme(ab-)strahlung, aber nicht mehr ueber Waermeleitung statt.
(Das ist wichtig fuer die medizinischen Auswirkungen.)
Letztlich gilt (mit Luft als Gas, konstant-grosses Leck und T = allg. konstante Temperatur) die Gleichung:
t = 0.086 * (V/A) * ln [p1/p2] / sqrt[T]
Die Zeit ist also proportional zu (V/A) und zum nat. log. der Druckverhaeltnisse
Um nun einen Eindruck fuer Dekompressionszeiten zu bekommen, will ich mal ein paar Beispiele durchrechnen:
Bsp. 1:
Angenommen: eine kleine Orbitstation oder Raumschiff mit dem Innenvolumen von 10 m^3, gefuellt mit Luft bei 20°C = 293 Kelvin, wird von einem Mikrometeoriten getroffen, der ein Loch mit einer Flaeche von 1 mm^2 = 10-6 m^2 verursacht.
t = 0.086*(10/10-6)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293)
t = 1156858 Sekunden = 321 h = ca. 13,4 Tage bis vollstaendiger Druckausgleich.
Aber: erste Bewustseinstruebungen treten bereits bei einem Umgebungsdruck von 200 mmHg = 0.3 bar =1/3 Atmosphaere auf (nach Cooke&Bancroft, Aerospace Medicine, 1966).
Eingesetzt in die Formel: p2 = 0.3 bar = 26.66 Pa
t = 0.086*10^7*ln(10^5/26.66)/17.12
t = 413477 Sekunden = 115 Stunden = ca. 4.8 Tage bis zum Auftreten gesundheitlicher Probleme.
R. Harding (Survival in Space, 1989) erwaehnt, dass das Space Shuttle entworfen wurde, um bei einem Loch mit 11 mm Durchmesser (A=9.5*10^-5 m^2) das Ueberleben der Astronauten bei 0.6 bar (414 mmHg) fuer 165 Minuten zu garantieren. Die Zeit reiche fuer eine Notfall-Rueckkehr zur Erde.
Bsp. 2
Angenommen die gleiche kleine Raum- oder Orbitstation, diesmal aber mit defekter aeusserer Schleusentuer, waehrend die innere Schleusentuer noch offen ist: Die aeussere Tuer (2 x 1 m) oeffnet sich ruckartig um 1 Zentimeter. Das Leck hat also eine Flaeche von 2*0.01 = 0.02 m^2. Vollstaendige Dekompression erfolgt in
t = 0.086*(10/0.02)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293) = 58 Sekunden
Oeffnet sich dieselbe Tuer ruckartig um 10 Zentimeter, dann erfolgt die vollstaendige Dekompression bis Vakuum in 5.8 Sekunden. Das waere dann schon eine "explosive" Dekompression.
Bsp. 3
Eine sehr viel groessere Raumstation, Innenvolumen, sagen wir, 10000 m^3, auch hier geht "versehentlich" die aeussere Schleusentuer ruckartig auf, waehrend die innere Tuer noch offen ist.
Bei 10 cm geoeffnet: vollstaendige Dekompression in 5780 Sekunden = ca 1.5 Stunden
Geht die Tuer ruckartig vollstaendig auf (A = 2*1 = 2 m^2) erfolgt die vollst. Dekompr. in 9.6 Minuten
Bsp. 4
In der STTNG-Episode "Katastrophe auf der Enterprise" waren Crusher und LaForge in einem Frachtraum eingeschlossen, in dem guenstigerweise auch ein Plasmafeuer brannte, welches die Umgebung verstrahlte. Um das Feuer zu loeschen, beschliessen die beiden, die Frachtraumtuer bei aktiviertem Kraftfeld zu oeffnen und dann das Kraftfeld zu deaktivieren. Nach dem Erloeschen des Feuers (mehrere Sekunden) wurde das Kraftfeld wieder aktiviert.
Geschaetzte Volumen des Frachtraumes (LxBxH): 10*10*5 Meter, d.h. V = 500 m^3
die Frachtraumtuer geht ueber die ganze Breite des Frachtraumes: A = 10*5 = 50 m^2
t = 0.086*(500/50)*ln(10^5/10^-5) / sqrt(293) = 1.1 Sekunden.
Gut, dass die beiden sich festgehalten haben
MEDIZINISCHES
Was hat ein Druckabfall nun fuer Folgen fuer den ungeschuetzten Menschen?
In einem Artikel von G. A. Landis (2007, Homepage) finden sich weitere Angaben zu Erscheinungen, mit Verweis auf "The USAF Flight Surgeon's Guide" :
* Knall+Brausen/Rauschen ("noise") durch die Bewegung der Luftmassen
* Die Temperatur der Atmosphaere sinkt rapide (durch die Ausdehnung der Gase), aber nur, bis die Gase entwichen sind (Waermekapazitaet des Raumschiffs/der Station, siehe oben).
* Nebel (gefrorene Luftfeuchtigkeit, damit auch voruebergehende Sichtbehinderung)
* umherfliegende Teile (Gegenstaende, Staub, => auch Sichtbehinderung)
Bei einem explosiven Druckabfall mit grossem Volumen koennen Gegenstaende und Menschen mitgerissen werden. Hier besteht also zunaechst mal erhebliche mechanische Verletzungsgefahr. Auch darf man den "Wind" nicht unterschaetzen: Ich bin nicht sicher, ob es realistisch war, dass sich Crusher und LaForge haben ueberhaupt festhalten koennen, wenn 500 Kubikmeter Luft in etwa 1 Sekunde ausstroemen. Auch das bekannte Beispiel aus "2001-Odyssee im Weltraum" halte ich diesbezueglich fuer etwas unrealistisch: Dave Bowman hat gegen die ausstroemenden Gase ankaempfen muessen, um zurueck in die Discovery zu gelangen.
Aus medizinischer Sicht ist das Schlechteste, was Mensch machen kann: die Luft anhalten (so gesehen, waeren Crusher und Laforge definitiv tot). Das Lungengewebe ist der empfindlichste Teil des Koerpers bei einer schnellen Dekompression. Ist der Druckabfall schneller als das Ausstroemen von Gas aus der Lunge (besonders, wenn die Atemwege auch blockiert sind = Mund geschlossen), kann es zu einem Reißen des Lungengewebes kommen. Die Luft entweicht in den Brustkorb und gelangt ueber die Verletzungen in die Blutbahn. Dies fuehrt letztlich zu Gasansammlungen in Herz und Gehirn (Embolie, Taucherkrankheit). Aber: durch die enorme Dehnbarkeit der Haut und die Staerke der Rippen kann der Brustkorb nicht explodieren oder platzen. Ein Differenzdruck von 1 bar ist hierfuer nicht ausreichend. (Angaben von Landis, 2007, und Czarnik: "Ebullism at 1000000 Feet" sowie hierin versch. Zitate aus Fachartikeln)
Atmet man dagegen rechtzeitig aus , sind die Folgen die gleichen wie bei einem etwas langsameren Druckabfall.
Fuer den Fall eines Druckverlustes innerhalb von 10 Sekunden geben die meisten Quellen (u.a. Bioastronautics Data Book, 2nd Ed., 1973, oder Landis, 2007) an, dass ein trainierter Mensch zirka 10 Sekunden (Maximum 15 Sekunden) bei Bewustsein bleibt - mit abnehmender Reaktionsfaehigkeit. Bei einem explosiven Druckverlust halbiert sich diese Zeit durch den Adrenalinshock und den damit verbundenen rasenden Anstieg der Herzfrequenz. Hintergrund ist das Ausgasen von Sauerstoff aus dem Blut in die (evakuierten) Lungen. Dieser Sauerstoff fehlt dann sehr schnell im Gehirn. Daher der schnelle Bewustseinsverlust, obwohl man auf der Erde die Luft viel laenger "anhalten" koennte.
Der Blutdruck aendert sich ebenfalls. Im normalen, ruhigen Zustand liegt der Blutdruck zwischen den Herzschlaegen bei etwa 100 mbar (75 mmHg) ueber dem externen Druck. Faellt der externe Druck auf null, dann faellt der Verdampfungspunkt von Wasser (bei einem Blutdruck von 100 mbar) auf 46°C - und das ist noch oberhalb der Koerpertemperatur. Das Blut kocht nicht.
Hier spielen auch die Elastizitaet der Blutgefaesse und eventuell kleine Ansammlungen von Gas in den Blutbahnen eine Rolle, die verhindern, dass der Druck in den Blutbahnen zu schnell unter einen bestimmten Wert sinkt.
Nach spaetestens 2 Minuten sinkt der Blutdruck auf annaehernd null, das Herz koennte jedoch noch schwach fuer weitere 5-7 Minuten kontrahieren (Kolesari & Kindwall, 1982, in "Aviation, Space and Environmental Medicine"). In Tierversuchen und nach einigen Unfaellen mit Menschen (in Druckkammern und in der Fliegerei) haben alle Menschen und Tiere ohne Anzeichen von Folgeschaeden ueberlebt, solange das Herz noch geschlagen hatte.
Eine weitere, haeufig beobachtete Folge ist die Anschwellung des Koerpers durch die Bildung von Wasserdampf unter der Haut. Das Volumen kann dabei bis auf das Zweifache zunehmen. Dies wurde mehrfach an Menschen beobachtet und durch Experimente mit synthetischen Materialien bestaetigt. Die Zaehigkeit der Haut verhindert jedoch in jedem Fall ein Platzen des Koerpers, egal an welcher Stelle. (Ivanov et al., 1960, in: "Decompression Phenomena in the Human Body in Conditions of Extremely Low Atmospheric Pressure", sowie Parker & West (Ed., 1973): Bioastronautic Data Book). Dieses Anschwellen ist vollkommen reversibel und hat keine weiteren Folgen.
Augen sind innen mit Augenfluessigkeit gefuellt, die Augenhaeute sind gasdicht.
Da sich Fluessigkeiten nicht ausdehnen, blaehen sich die Augen auch nicht auf und sie platzen auch nicht.
Es gibt den Fall des Astronauten Gregory Bennett (STS-37), der sich waehrend einer EVA einen Metallstift durch den Handschuh in den Finger rammte. Er bemerkte es zwar, verspuerte aber nichts (Kaelte, Schmerz, etc.). Spaeter sah man, dass er quasi in den Weltraum geblutet hat, waehrend das Anschwellen des Finger ds Loch stopfte und einen weiteren Druckverlust verhindert hatte.
Das Blut blieb im freien Weltraum wegen seiner Eigenwaerme auch eine ganze Zeit fluessig (Man fand Bluttropfen an verschiedenen Stellen seines Anzugs).
Bezueglich der Temperatur muss man auch unterscheiden, ob sich der Mensch (ohne Raumanzug) noch im Inneren eines Raumschiffs oder einer Raumstation befindet oder soeben aus einer Luftschleuse geblasen (nicht: gesaugt) wurde. Die Masse selbst eines nur kleinen Raumschiffs ist sehr viel groesser als Masse an Gas, die bei einer Dekompression verloren gehen kann.
Wie oben bereits beschrieben, sinkt die Temperatur nur waehrend der Dekompression der Gase ab. Im Inneren eines Objekts (Station/Raumschiff) wird dies aber von der Waermeabstrahlung der umgebenden Materie bzw. Waermeleitung durch Gase kompensiert, solange noch Gase vorhanden sind. Man wuerde nur eine leichte Abkuehlung verspueren.
Da im darauf folgenden Vakuum keine Waermeleitung mehr stattfindet (siehe Thermoskanne), gibt der menschliche Koerper nur noch ueber Abstrahlung Waerme ab. Dies geschieht aber so langsam, dass ein Waermeverlust in der kurzen Zeit, in der Ueberlebenschancen bestehen, keine Rolle spielt.
Aehnliches gilt, wenn ein Mensch ohne Raumanzug ins All geblasen wurde. Die Waermeabgabe ist immer noch so gering, dass man nicht einfriert. Durch den niedrigen Druck verdampft lediglich etwas Wasser von der Haut, weshalb sich die Haut zu Beginn wohl etwas kuehl anfuehlen wuerde. Gleichzeitig quillt man auf.
Der Koerper friert nicht spontan ein. Die Waermeabgabe ist so langsam, dass zuerst das Wasser der Oberflaechen-Zellen (Haut) verdampft, wodurch die Koerperoberflaeche quasi eintrocknet. Gleichzeitig beginnt im Inneren die Verwesung (Koerperbakterien, Sauerstoff durch Wasserdampf). Die Eintrocknung = Mumifizierung macht die Haut dabei poroes, weshalb nach einiger Zeit dann auch die Gase aus dem Inneren entweichen koennen.
Direkte Exposition der Haut zur Sonne kann einen Sonnenbrand verursachen.
Zusammenfassung :
Explosiver Druckabfall :
- Luftanhalten ist toedlich => ausatmen,
Langsamerer Druckabfall:
- Bewustlosigkeit nach 10-15 Sekunden
- Blutdruck null nach 2 Minuten (Tod steht bevor)
- Letzte Herzzuckungen nach 5-7 Minuten (spaetestens ab hier Tod sicher)
- kein kochendes Blut
- keine explodierenden Koerperteile
- keine platzenden Augen
- kein spontanes Einfrieren, stattdessen Vakuumtrocknen,
d.h. Mumifizierung.
Eine Mensch der ploetzlich einem schnellen Druckabfall bis hin zu Vakuum ausgesetzt ist, hat sehr gute Ueberlebenschancen, wenn man sich wirklich gut festhaelt, ausgeatmet und die Atmosphaere innerhalb von 20 Sekunden wieder hergestellt wird.
Aus rein zeitlicher Sicht haetten Dr. Crusher, Laforge und auch David Bowman ihr Abenteuer in den unendlichen Weiten wohl ueberlebt. Und wenn nicht, dann waeren sie als eingetrocknete Mumien durch die Unendlichkeit geschwebt - ohne, dass irgendwas verkocht oder explodiert waere.
Ende der Zusammenfassung
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Nun der erste Kommentar des urspruenglichen Threads von User Castronaut:
Hallo Freizeitraumfahrer,
ich habe eine Bekannte, die Cutterin beim WDR ist. Und die hat mir gesteckt, dass das Wissensmagazin "Kopfball" am Sonntag einem Science-Fiction-Film-Klischee auf den Grund geht. Man kennt das ja: In jedem dahergelaufenen B-Movie wird der Bösewicht entsorgt, indem man ihn ohne Schutzanzug zur Luftschleuse hinausbefördert. Und der platzt dann derart zuvorkommend, dass einem Happyend nichts mehr im Wege steht.
Ob das aber wirklich so funktioniert, haben die inzwischen mächtig jugendlich aufgerüschten Jungs und Mädels von "Kopfball" jetzt wohl mal mit allerlei schweinischen Versuchen mit einer Vakuumglocke und Schokoküssen versucht herauszufinden. Und am Ende des Beitrag soll dann auch noch relativ ekliges Filmmaterial verwurstet sein, bei dem die Hand eines Ballonfahrers, der seine Schutzhandschuhe vergessen hat, im Beinahe-Vakuum der luftigsten Höhen die komischsten Veränderungen zeigt.
Könnte also ganz lustig sein. Hat aber einen Nachteil: Läuft am 16.12., also Sonntagsmorgen, ab elf Uhr in der ARD. Wehe, wenn sich das frühe Aufstehen nicht lohnt...
Kommentar