9/11 – gewöhnliche Physik des Außergewöhnlichen

Von François Roby.

Vor kurzem hat mir Heinz Pommer vorgeschlagen für KenFM einen Artikel über die Physik des 11. Septembers zu schreiben. Ich kenne seine Arbeit ein wenig, die ich schätze, obwohl ich nicht immer einer Meinung mit ihm bin. In jedem Fall ist er jemand, der eine bemerkenswerte Anstrengung unternommen hat, um mit Nachdruck auf viele der „Anomalien“ hinzuweisen, die während der Ereignisse beobachtet wurden. Tatsachen, die uns alle aufschrecken lassen sollten, oder zumindest dazu führen sollten, dass wir zu lachen beginnen, oder mit den Schultern zucken, wenn uns die Massenmedien die „offizielle Verschwörungstheorie“ erzählen, das Kindermärchen von Osama bin Laden und seinen 19 Flugzeugentführern.

Ich habe also mit Freude den Vorschlag akzeptiert auf Französisch zu schreiben, für eine Übersetzung ins Deutsche, da ich – mit Mühe – Deutsch lesen und so prüfen kann, dass meine Worte nicht verzerrt werden! Diese Grundkenntnisse haben mir auch erlaubt, die drei auf KenFM publizierten Artikel von Heinz Pommer zu lesen, wie auch die recht heftige Kritik seines ersten Artikels durch meinen Physiker-Kollegen Ansgar Schneider[1], erschienen am 15. Oktober [2018]. Obwohl Heinz Pommer nicht namentlich genannt wurde, haben die Leser, wie aus den Kommentaren ersichtlich, gut verstanden, auf welchen Artikel sich die Kritik bezog.

Da ich selbst „professioneller“ Physiker bin, und da ich die Regeln dieser Disziplin meinen Studenten vermitteln muss, konnte ich einige der Kritikpunkte von Herrn Ansgar Schneider nachvollziehen. Dennoch halte ich seinen Artikel für ungerecht und einer Haltung entsprechend, die man auf Französisch „das Kind mit dem Bade ausschütten“ nennt. Denn selbst wenn das Wasser dreckig ist, muss man doch den Wert des Kindes erkennen, und sich in einer konstruktiven Form verhalten. Dies werde ich [hier] versuchen, beginnend mit einigen Worten über mein Fachbereich, die Physik.

Die unbekannte „Königswissenschaft“

Wir alle leben in einer hyper-technisierten Welt, die viel mit dem Fortschritt der Physik zu tun hat. Einige dieser Errungenschaften sind schon recht alt (wie die Thermodynamik, die [zunächst] die breite Nutzung der Dampfmaschinen, dann die [Entwicklung] der Verbrennungsmotoren unserer Autos ermöglicht hat), andere sind relativ jung (wie die Festkörperphysik, die die rasante Entwicklung der Elektronik, dann der Informatik ermöglicht hat). Jeder kann heute auf seinem Smartphone völlig einfach GPS nutzen, ohne die geringste Vorstellung darüber zu haben, welche Heldentaten der Wissenschaft und der Technik sich dahinter verbergen, die bis zu ultra-genauen Zeitkorrekturen auf Grund der Allgemeinen Relativitätstheorie reichen.

Aber diese herausragenden Leistungen der Wissenschaft und Technik haben eine Kehrseite: durch ständiges Benutzen „magischer“ Gegenstände, die uns auf Fingerdruck und Augenwink gehorchen, als seien wir Harry Potter in Hochform, akzeptieren wir letztendlich eine Art „magische Denkweise“. Wir werden wieder zu Kindern von unter sieben Jahren (Alter des Verstandes) und sind bereit, alles zu glauben. Es ist an der Zeit, dass wir uns dieses Abrutschens bewusst werden, und uns daran erinnern, dass die Physiker und Ingenieure keine Magier sind. Es ist nicht die Natur, die ihnen gehorcht, sondern ganz im Gegenteil: es sind sie, die den Naturgesetzen peinlich genau folgen müssen, die sie formalisieren.

Allem voran: die Größenordnung

Für die große Öffentlichkeit ist die Physik ein Synonym für präzise Messungen oder Rechnungen. Diese sind ein Teil davon, das ist richtig – obenstehend habe ich das Beispiel GPS angeführt – aber die Arbeit eines Physikers oder eines Ingenieurs besteht zunächst darin, einen Sachverhalt zu vereinfachen, indem er seine Größenordnung korrekt einordnet, besonders wenn dieser neu ist. Im Alltagsleben denken wir ohne Pause immer auf diese Weise, intuitiv: zum Beispiel müssen wir nicht unbedingt den Preis von einem Kilo Äpfel wissen – der nach Jahreszeit, nach Art, nach Qualität und nach Händler variieren kann – aber wir wissen, dass er weder 100 Euro sein kann, noch 1 Cent, denn wir sind an solche Situationen gewöhnt.

Die Arbeit eines Physikers oder Ingenieurs besteht zunächst darin, diese Intuition auf sein Fachgebiet zu übertragen, um notfalls sehr grobe Schätzungen zu machen. Enrico Fermi, der italienische Physiker und Pionier der Kernenergie, war berühmt dafür, seinen Studenten Aufgaben zu stellen, die ihre Fähigkeit prüften, sich ohne präzise Daten „durchzuschlagen“. Er verlangte von ihnen zum Beispiel die Zahl der in Chicago[2] lebenden Klavierstimmer abzuschätzen, wo er wohnte!

Für die [Beschreibung der] Ereignisse des 11. Septembers 2001, die ganz klar im wahrsten Sinne des Wortes außergewöhnlich sind, muss man so [mit groben Schätzungen] beginnen.

Unverfangen betrachten

Es ist sehr schwer, die unerwarteten Ereignisse des 11. Septembers 2001 auf eine ruhige und objektive Weise zu „betrachten“, so wie es jeder Wissenschaftler tun muss, der auf der Suche nach einer Erklärung eines Phänomens ist – auf Grund der emotionalen Belastung, die diese [Ereignisse] begleiten. Aber ihre spektakuläre Seite kann uns auch helfen, gerade auf Grund der ungewöhnlichen Größenordnung der Phänomene, die bestimmte Interpretationen ausschließen. Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Anschläge ist die [totale] Verwüstung des World Trade Centers, als Folge der Zerstörung der drei Wolkenkratzer (WTC1, WTC2 und WTC7). Die Brände hielten sich für viele lange Wochen in den Trümmern: offiziell wurde der letzte Brand 100 Tage nach dem 11. September gelöscht [1].

Diese einfache Tatsache wirft Fragen auf, besonders im Hinblick auf die beeindruckenden Leistungen der Feuerwehrleute vor Ort: „wie kann es sein, dass so viele, und so erfahrende Männer so viel Zeit brauchten, um die Feuer unter Kontrolle zu bringen?“

Man kann sich auch die Bilder der ersten Tage und Wochen nach den Anschlägen ansehen, und sehr erstaunt über die weiße Rauchfahne sein, die sich über Manhattan erhebt, wie die von Heinz Pommer für seinen Artikel vom 1. November [2018] gewählte Fotografie sehr gut zeigt, die ich hier nochmals untenstehend wiedergebe:

Bild 1: Manhattan, 11. September 2001. Rauch oder einfache Wolken aus Wasserdampf?

 

Gemäß den EXIF-Daten wurde diese Fotografie am 11. September um 10:35 Uhr aufgenommen, das heißt 7 Minuten nach dem Zusammenbruch des zweiten Turms. Die Brände in den Trümmern von Ground Zero sind damit noch klar vorhanden (und Gebäude 7 ist noch nicht zusammengestürzt). Dennoch zeigt eine aufmerksame Betrachtung des Bildes, dass es nicht Rauchwolken eines Brandes sind, die man sieht, sondern großteils einfache „weiße Wolken“, als Ergebnis der Kondensation von Wasserdampf. Dies ist besonders bei den Gebäuden an der Randzone sichtbar (im Zentrum zeigt ein deutlich dunklerer Rauch sehr wohl einen Brand an): Gebäude, die nicht Feuer gefangen haben, aber von denen Kondensationsschwaden auszugehen scheinen, genau so, wie man sie über dem Flügel eines Flugzeuges in einer feuchten Atmosphäre[3] beobachten kann.

Es handelt sich um exakt das gleiche Phänomen: auf der Gebäudeseite, die entgegen der Windrichtung liegt, findet auf Grund eines leichten Unterdrucks eine Kondensation von Wasserdampf in der von Feuchtigkeit gesättigten Atmosphäre statt. Selbst wenn die Massenmedien uns diese riesige Wolke als Rauchwolke eines Brandes präsentiert haben, muss man sie als das sehen, was sie ist: Manhattan wurde nach den Anschlägen zu einem riesengroßen Dampfkessel, in dem der Rauch der Brände nur einen kleinen Teil einnahm. Die Caldera von Yellowstone im Zentrum von New York…

Nun, um aber solche Mengen an Dampf zu erzeugen, ist es offensichtlich, dass man große Mengen an Wasser und Wärme benötigt. Wir haben es hier also mit einem Phänomen zu tun, dessen Größenordnung völlig aus dem Rahmen des Gewöhnlichen fällt, und das man erklären muss.

Das Wasser und die Wärme finden

Der Ursprung des Wassers

In Manhattan, als Halbinsel, ist es selbstverständlich nicht schwer, Wasser in der Nähe zu finden; trotzdem waten die New Yorker normalerweise nicht mit den Füßen im Schlamm und fahren nicht mit einem Kahn durch das Moor. Man muss also verstehen, wieso gerade an einer Stelle riesige Wassermengen vorhanden waren, an der die New Yorker trockenen Fußes stehen können. Man könnte denken, dass eine große Wassermenge eben zum Löschen der Brände eingebracht wurde; das ist richtig, aber sie stellt nur einen kleinen Teil der Wassermenge dar, die das World Trade Center durchfeuchtet hat, bevor sie verdampfte.

Nach einem Bericht des Lawrence Livermore National Laboratory vom 1. Oktober 2002, der sich mit einer Studie der Tritium-Spuren am World Trade Center befasst [2], schätzt man (durch Kenntnis des Pumpvolumens) die zwischen dem 11. und 21. September durch die Feuerwehr eingebrachte Wassermenge auf 3 Millionen Gallonen (11.000 m³), in der gleichen Zeit aber brachte der Regen zusätzliche 1 Millionen Gallonen ein, vor allem aber sickerten 26 Millionen Gallonen (fast 100.000 m³) durch Risse der „Schutzwanne“ ein (Bathtub), die den Untergrund des World Trade Centers gegen das Einsickern von Grundwasser schützte (Seite 9 [des Berichts]).

Diese Information ist entscheidend: die unterirdische Mauer (slurry wall), die mit einer Höhe von 7 Stockwerken das World Trade Center trocken hielt, war direkt, wie auch das Fundament der Wolkenkratzer, auf den Gesteinssockel gebaut und wurde nicht nur beschädigt, sondern verschob sich, gemäß dem Bericht („Other pumps were installed (after 9/21) along Liberty Street to stabilize the Slurry Wall, which had moved“).

Eine noch immer im Netz verfügbare Info-Grafik der New York Times [3] zeigt, dass die unterschiedlichen Stockwerke im Souterrain des World Trade Centers, unter den Zwillingstürmen, „eingestürzt oder schwer beschädigt waren“:

Bild 2: Schäden, wie sie im sechsten Untergeschoss des World Trade Centers gemäß der Info-Grafik der New York Times auftraten

 

Es ist schwer zu verstehen, wie der Einsturz der Wolkenkratzer, trotz ihrer Höhe, diese tief im Untergrund befindlichen Infrasstrukturen zerstören und bewegen konnte, und ein Loch in der Sickerwasser-Schutzwand reißen konnte (wir sprechen von einem Loch von 90 Fuß Breite, entsprechend 27 m, gemäß dem Artikel von NY1 News [4])… es sei denn, selbstverständlich, der Zusammenbruch wäre die Konsequenz dieser Schäden, und nicht ihre Ursache.

Wenn man Antworten sucht, sieht man sich oft mit neuen Fragen konfrontiert. Legen wir also für einen Moment diese Informationen zur Seite, selbst wenn sie einen wichtigen Beweis darstellen, und untersuchen wir nun, woher die Wärme kam.

Der Ursprung der Wärme

Jeder hat schon einmal die Erfahrung gemacht wie es aussieht, wenn nach Zubereitung eines Kaffees oder eines Tees dieser langsam in der Tasse abkühlt. Ein heißer Gegenstand, der sich in einer kühleren Umgebung befindet, gibt seine Wärme an die Umgebung ab, bis er sich in einem thermischen Gleichgewicht befindet. Dies haben die Physiker als Leitsatz festgeschrieben: der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Der Erste Hauptsatz ist ebenfalls sehr wichtig: es schreibt vor, dass die Energie erhalten bleibt. Mit anderen Worten, wenn die Tasse Tee abkühlt, dann deshalb, weil die Wärme, die sie ursprünglich beinhaltet irgendwo anders hin geht, aber sie verschwindet nicht.

Ein Gegenstand kühlt über drei Prozesse ab: durch Wärmeleitung, durch Konvektion und durch Strahlung. Wenn wir die heiße Wand eines Kochtopfs berühren, wird auf uns die Wärme durch Wärmeleitung übertragen; das setzt einen Kontakt voraus. Wenn wir unsere Hand über das heiße Wasser im Topf halten, fühlen wir ebenfalls die Wärme, aber nicht so stark. Sie wird uns einerseits durch die warme, aufsteigende Luft übertragen, die über dem heißen Wasser entsteht: das ist die Konvektion; und durch die Strahlung (Infrarot, deswegen unsichtbar), die vom Wasser abgestrahlt wird, und die unsere Hand empfängt.

Für einen Physiker unterscheidet sich das World Trade Center nach den Anschlägen nicht sonderlich von einer Tasse Tee. Es brauchte ebenfalls eine bestimmte Zeit um abzukühlen, und zwar durch die drei oben genannten Prozesse, deren Wirkung sich addiert. Anders gesagt, selbst wenn man nur einen [Prozess] davon untersucht, und man in der Lage ist, diese Menge an Wärme abzuschätzen, die durch diesen [einen] Prozess an die Umgebung abgegeben wird, kann man sicher sein, dass die Gesamtwärmemenge [noch] größer ist.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion wird sehr häufig verwendet: durch den Motorkühler in einem Auto (erzwungene Konvektion) oder durch unsere Zentralheizung (natürliche Konvektion). Es handelt sich also um einen den Ingenieuren und Architekten gut bekannten Vorgang, die gut funktionierende Autos und komfortable Wohnung bauen müssen. Sie modellieren diese Wärmeübertragung mit Hilfe eines Wärmeleitkoeffizienten, normalerweise angegeben mit h, und dessen Größe von geometrischen Überlegungen abhängt (Oberflächenorientierung horizontal oder vertikal, heiße Oberfläche oben oder unten…). Wenn man diesen Koeffizienten, den Flächeninhalt der heißen Oberfläche und den Temperaturunterschied zur Umgebungsluft kennt, kann man daraus eine Wärmeleistung ableiten. Auf diese Weise plant man eine Heizung genau richtig, so dass sie ein Zimmer gut beheizt (nicht zu stark und nicht zu schwach).

Ground Zero kann man als eine einfache elektrische Kochplatte sehen: eine heiße Oberfläche, der man eine bestimmte Leistung in Watt zuordnet. Sicher, es ist fast unmöglich die Größe der Leistung genau zu bestimmen (maximal zu Beginn, und im Laufe der Monate abnehmend, bis zum Erreichen des Nullwerts), aber eine Schätzung ist möglich, wenn uns die Größenordnung interessiert: wir finden hier wieder eine Fermi-Aufgabe.

Zum Glück stehen uns die Aufzeichnungen der Temperaturwerte von Ground Zero der Wochen nach dem Anschlag zur Verfügung, dank der Aufzeichnungen der Infrarot-Luftbilder[5] [6] [7] [8]. Die Strahlung, die von einem heißen Gegenstand abgegeben wird, hängt stark von seiner Temperatur ab (Plancksches Strahlungsgesetz[4]), tatsächlich erlaubt die Spektralanalyse dieser Strahlung Temperaturen aus großer Distanz zu messen, so als würde man eine Fotografie machen; [genau] das ermöglicht es beispielsweise schnell Wärmelecks in Gebäuden zu finden, die man gerne besser isolieren möchte.

Bild 3: Infrarot-Aufnahme von Ground Zero, aufgenommen am 7. Oktober 2001 von Earth Data
[redaktionell bearbeitet (Grenzlinien)]

 

Diese Aufzeichnungen vermitteln uns Wissen über die Ausdehnung der Hitzezonen und über die Temperatur einiger [Hitze]-zentren, wie der Bereich mit ungefähr 730 °C (1.000 °K), aufgenommen am 16. September in den Trümmern von WTC7 [7]. Diese Temperaturen sind übrigens auch durch die Zeugenaussagen der Feuerwehrleute belegt, die von einer „echten Hölle auf Erden“ sprechen, und durch die wegschmelzenden Stiefelsohlen. Wir haben also Zugang, zumindest im Hinblick auf die Größenordnung, zu dem Wissen bezüglich der Heizleistung unserer „Kochplatte“; genauer gesagt: unserer drei Kochplatten: die Überreste von WTC1, WTC2 und WTC7. Es ist übrigens bezeichnend, dass Gebäude Nr. 7, obwohl es im Vergleich mit den Zwillingstürmen nur sehr schwachen Bränden ausgesetzt war, einen Trümmerhaufen zurückließ, der ungefähr so heiß war wie die anderen [beiden].

Hier ist nicht der Ort, um detaillierte Rechnungen anzuführen, aber jeder kann an Hand der Referenzen, auf die ich hinweise, lernen, dies zu tun: es handelt sich um ein klassisches Problem der Wärmeleitung. Für meinen Teil erhalte ich als Ergebnis für die Anfangs-Gesamtheizleistung den Wert von P0 ≈ 70 MW, als eine sehr ungenaue Zahl. Deshalb behalten wir von ihr nur die Größenordnung, und wir erinnern daran, dass sie nur einen Teil der Gesamtleistung darstellt (die Abstrahlung, besonders stark zu Beginn, als die Temperaturen noch hoch waren, spielt eine nicht vernachlässigbare Rolle).

Kehren wir für einen Moment zu unserer Tasse Tee zurück: jeder kann mit einem Küchen-Thermometer nachprüfen, dass ihre Temperatur ungefähr wie eine Exponentialfunktion abfällt, das heißt umso langsamer, je mehr sich ihre Temperatur der Zimmertemperatur nähert. Aber selbst wenn das völlige [thermische] Gleichgewicht theoretisch erst nach einer unendlichen Zeit erreicht wird, besitzt ein solcher Prozess eine charakteristische Abkühlzeit (nennen wir sie τ). Zum Beispiel wäre diese [Abkühlzeit] für die Tasse Tee weder eine Minute, noch ein Tag, sondern eher eine Stunde.

Da die Gesetze der Physik universell sind, gelten sie auch für Ground Zero. Es reicht also, die ihm zuzuordnende charakteristische [Abkühl]zeit zu kennen, um die im Rahmen des abgeschlossenen Abkühlprozesses freigegebene Gesamtwärmemenge Q zu kennen: diese errechnet sich als Produkt aus der Anfangsleistung P0 und der Zeit: Q = P0τ.

Nun, wir wissen dass die Brände an Ground Zero 100 Tage dauerten, dies gibt uns bereits einen Schätzwert dieser Abkühlzeit: mehrere Monate. Es gab sogar Luftbild-Aufnahmen vom 12. Februar 2002, die natürlich nicht mehr die extremen Temperaturen zu Beginn zeigen. Aber sie beweisen trotzdem, dass sogar nach 5 Monaten im Umfeld von WTC1 noch eine ausreichend warme Zone vorhanden war, die sich deutlich von dem „Hintergrundrauschen“ der Messungen abhob. Es ist also vernünftig, zum Beispiel τ = 4 Monate anzunehmen, was zu einer durch Konvektion freigesetzten Wärmeenergie von 7 x 1014 J[5] führt. Wohl wissend, dass allein die Größenordnung wichtig ist, und dass wir weder die Abstrahlung (deren Beitrag zu Beginn auf Grund der sehr hohen Temperaturen ohne Zweifel recht hoch war), noch die Wärmeleitung, noch nicht einmal die Konvektion auf Basis des Grundwassers (die Rechnung bezieht sich nur auf die Kühlung durch Luft), noch die zusätzlichen Effekte einer Luftströmung (die Rechnung geht von Windstille aus), noch den Regen berücksichtigt haben, kann man abwägen, dass die Größenordnung der Energiefreisetzung durch Ground Zero im Bereich von 1015 J liegt, oder anders [geschrieben:] 1 Petajoule (1 PJ).

Dies ist eine ungeheure Menge, und entspricht der Wärmemenge, die durch das Verbrennen von ca. 35.000 Tonnen Kohle freigesetzt wird…

Rückkehr zum Wesentlichen

Die Macht der Physik liegt in ihrer Universalität: die Bewegungsgleichungen von Newton werden überall exakt gleich angewandt, die Struktur der Atome ist überall exakt die gleiche, etc. Aber außer dieser exakten Allgemeingültigkeit gibt es auch ungefähre Allgemeingültigkeiten, die sehr interessant sind, wenn es nur darum geht, Größenordnungen zu vergleichen. Und da gibt es eine [Allgemeingültigkeit], die uns im Bereich der Energie die Aufgabe ganz wesentlich erleichtert.

Es existieren verschiedene Arten von Energie, die ich hier nicht weiter detaillieren werde. Aber wenn es sich um Energie handelt, die von Materie freigesetzt wird, kennen wir nur zwei Arten: chemische Energie und nukleare Energie. Genauer gesagt: chemische Energien und nukleare Energien, aber die Unterschiede zwischen diese beiden Familien sind derart, dass wir sie in zwei deutlich unterschiedliche Gruppen sortieren können.

Chemische Energie

Chemische Reaktionen brauchen Energie oder setzen Energie frei, durch eine Änderung der chemischen Bindungen zwischen Atomen. Beispielsweise entsteht bei der Verbrennung von reinem Kohlenstoff CO2, bei dem sich der Kohlenstoff dann in einer Verbindung mit zwei Sauerstoffatomen befindet. Also, eine chemische Verbindung ist nichts anderes als eine gemeinsame Nutzung von Elektronen durch zwei [oder mehrere] Atome, und diese Elektronen besitzen ein „Energieniveau“, das gut bekannt ist, in der Größe von einigen Elektronenvolt[6], die den Kraftaufwand darstellt, um diese [Elektronen] aus der Atomhülle zu lösen. Und wenn eine chemische Reaktion Energie freisetzt, dann bedeutet das, dass sich die Elektronen zwischen den Atomen neu platzieren, indem sie ein anderes Energieniveau einnehmen, und es ist der Unterschied zwischen dem ursprünglichen und dem finalen Energieniveau, den man „außen“ wiederfindet. Nichts geht verloren, nichts wird erschaffen: der erste Hauptsatz [der Thermodynamik] verlangt die Energieerhaltung.

Aber da die Energieniveaus ihrerseits höchstens einige Elektronenvolt betragen, sind auch die Differenz[energien] höchstens in der Größenordnung einiger Elektronenvolt. Nun ist die Materie elektrisch neutral: auf jedes Elektron kommt ein Proton im Atomkern, der auch die Neutronen enthält[7], die aber, wie ihr Name schon sagt, neutral sind. Und die Masse der Materie geht fast ausschließlich aus der Masse der Nukleonen hervor (Protonen und Neutronen), denn ein Proton oder ein Neutron wiegen ungefähr 1.800 mal mehr als ein Elektron.

Diese sehr grundlegenden Betrachtungen erlauben es, eine einfache Regel zu formulieren: weil es das Elektron ist, das im Rahmen einer chemischen Reaktion Energie freisetzt, und da die Materie [elektrisch] neutral ist, da sie genauso viele Elektronen wie Protonen enthält, und da die Nukleonen die Massenträger sind, ist die freigesetzte Energie jeder chemischen Reaktion von der maximalen Größenordnung von 1 eV pro Nukleonenmasseneinheit, entsprechend [einem Gewicht von] 1,67 x 10-27 kg.

Die Rechnung ergibt , oder in der Umgangssprache 100 Megajoules (MJ) pro Kilogramm. Hierbei handelt es sich um einen Höchstwert (denn nicht alle Elektronen nehmen an einer chemischen Reaktion teil, mit Ausnahme von Wasserstoff, der nur ein Elektron besitzt!) und um eine [Abschätzung der] Größenordnung, denn diese Rechnung ist sehr approximativ. In der Praxis enthält ein Stoff, der sehr viel Energie freisetzt, nur einige MJ-Zehnerstellen (Erdöl: 42 MJ/kg), und ein [Stoff], der eine geringe Menge [an Energie] freisetzt, wie ein Explosivstoff, der den Luftsauerstoff nicht nutzt, bringt es nur auf einige Megajoules (TNT: 4,18 MJ/kg)[8]. Der Wasserstoff, der Weltmeister aller Klassen, der kein Neutron als „tote Masse“ besitzt, setzt 120 MJ/kg frei, dies entspricht der hier oben berechneten Menge.

Für einen Brennstoff der „Mittelklasse“ ist es somit vernünftig, eine Größenordnung von 10 MJ/kg anzunehmen. Eine Regel, die sich sogar für die Energiefreisetzung von Lebensmitteln (bei weitaus geringeren Temperaturen!) anwenden lässt, denn auch diese sind chemischer Natur: machen Sie selbst das Experiment und lesen Sie auf einer Verpackung die Zahl der kJ pro 100 g ab, Sie werden schon sehen….

Nukleare Energie

Nun treten wir in einen ganz anderen Bereich ein; die Energie, die durch eine nukleare Reaktion (Spaltung oder Verschmelzung) freigesetzt wird, stammt aus einer Änderung der Bindungsenergien der Kernbausteine (der Nukleonen, also der Protonen und Neutronen). Deren Energie ist sehr viel höher als die der chemischen Bindungen, um es zu vereinfachen: etwa eine Millionen mal höher. Aber da die Massenträger noch immer die Nukleonen sind, folgt daraus eine andere, sehr einfache Regel: bei gleicher Masse kann die nukleare Energie bis zu einer Millionen mal größer sein als die chemische Energie. In der Praxis wird diese theoretische Zahl jedoch nicht erreicht, jedes zweckmäßige Aggregat (Reaktor oder Atombombe) trägt eine große Menge Masse, die keine Energie freisetzt.

Wenn man nun die öffentlich zugänglichen Zahlen von der Masse [des Aggregats] und der Energiefreisetzung von echten Atombomben nimmt, kommt man eher auf 1011 J/kg, entsprechend 10.000 mal mehr als die 107 J/kg eines „durchschnittlichen“ Brennstoffs. Aber selbst wenn das 100 mal weniger ist als der theoretische Wert, so liegt dies weit über den Möglichkeiten chemischer Energie, und das reicht für unsere Argumentation.

Spiel-Ergebnis

Unsere [Mengen-]Schätzung der durch den Mega-Dampfkessel Ground Zero freigesetzten Wärme war 1015 J; mit den jeweiligen Grenzen für chemische und nukleare Energien führt dies zu einer Schätzung der Masse [des Reaktionsstoffs], die für diese Energiefreisetzung benötigt wurde:

  • für den Fall einer Verbrennung (chemische Energie):
    also ungefähr: m ≈ 100.000 Tonnen
  • für den Fall einer nuklearen Energiequelle:
    also ungefähr: m ≈ 10 Tonnen

Nun, gemäß den Angaben der NIST betrug die Masse des Stahls jeder der Zwillingstürme ungefähr 100.000 Tonnen… [9]. Es scheint also relativ offensichtlich, sofern davon ausgehend, dass der Stahl und der Beton als Hauptbestandteile der Türme nicht selbst die Brennstoffe waren, dass keine Form chemischer Energie die gewaltige, durch Ground Zero abgegebene Wärmemenge erklären kann. Ein Begriff – vor dem 11. September nicht mit Großbuchstaben geschrieben – , der ursprünglich aus der Militärsprache kommt und exakt bedeutet: „die Stelle an der Erd- oder Wasseroberfläche senkrecht zum Explosionsort einer nuklearen Bombe.“[9]

Schlussfolgerung

Es ist Zeit, die Schlussfolgerung [des erreichten Meilensteins] zu ziehen: auf Basis des außergewöhnlichen Maßstabs der Abgabe von Wärmeenergie, wie sie an Ground Zero nach den Anschlägen vom 11. September 2001 auftrat, können wir alle Formen chemischer Energie (und damit alle Verbrennungsprozesse) als einzige Energiequelle dieser Wärme ausschließen. Wir müssen auf nukleare Energien zurückgreifen, denn die chemischen [Energien] reichen nicht aus. Die Brände waren damit nicht der Grund dieser Wärme, sondern ihre Konsequenz, was außerdem ihre – ebenfalls ungewöhnliche – Langlebigkeit erklärt. Aktuell wissen wir nichts über die Art der Energiefreisetzung (progressiv oder explosiv), aber etwas Lesestoff bezüglich der Charakteristik und Anwendung ziviler unterirdischer Nuklearexplosionen, sehr modern in den Jahren um 1960, sollte uns erlauben, hier schnell weiterzukommen.

Für einen ersten Schritt ist das Erreichte mehr als genug, und man darf in diesem Stadium die Physik nicht Dinge sagen lassen, die sie nicht sagt. Reden wir also nicht von einer nuklearen Waffe (eine Waffe wird gebaut um zu töten, wir aber wissen nichts über die ursprüngliche Funktion der nuklearen Vorrichtung, die auch entwendet worden sein könnte), und geben wir auch nicht vor zu wissen, wer diese Vorrichtung aktiviert hat und noch weniger warum. Dies sind Fragen, die weitaus komplexer sind und die, zumindest auf den ersten Blick, nicht im Verantwortungsbereich der Physik liegen.

François Roby ist Assistenzprofessor für Physik an der Universität von Pau (Frankreich).

Fußnoten

[1] Grober Unfug und der 11. September
https://kenfm.de/grober-unfug-und-der-11-september/

[2] Für den interessierten Leser:
https://de.wikipedia.org/wiki/Fermi-Problem#Beispiel:_Klavierstimmer_in_Chicago

[3] Einige schöne Fotos kann man hier sehen:
https://aviation.stackexchange.com/questions/19241/why-does-condensation-form-on-the-wing-especially-during-take-off-and-landing

[4] Für Details:
https://de.wikipedia.org/wiki/Wärmeübergangskoeffizient

[5] Das Joule, abgekürzt J, ist die Einheit für Energie und 1014 ist eine 1 gefolgt von 14 Nullen
https://de.wikipedia.org/wiki/Joule

[6] Das Elektronenvolt (eV) ist eine sehr kleine Energieeinheit und beträgt ca. 1,6 x 10-19 J
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenvolt

[7] Außer für Wasserstoff, der nur 1 Proton enthält.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff#Protium

[8] Üblicherweise misst man die „Sprengkraft“ einer Atombombe, die in Wirklichkeit eine Energiemenge darstellt, in Kilotonnen TNT (1 kt TNT = 4,18 x 1012 J)
https://de.wikipedia.org/wiki/TNT-Äquivalent

[9] Alte Definition von Ground Zero:
https://sophias-correction.weebly.com/uploads/1/8/5/4/18541048/published/image041.jpg

Referenzen

[1] Jeffrey W. Vincoli, Norman H. Black, and Stewart C. Burkhammer. Disaster Response / SH&E at Ground Zero / a firsthand account from the most dangerous workplace in the U.S. -. Technical report, American Society of Safety Engineers, 2002.
http://911research.wtc7.net/cache/wtc/analysis/asse_groundzero1.htm

[2] T.M. Semkow et al. Study of traces of tritium at the World Trade Center. Technical report, American Chemical Society, October 2002.
https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/241096.pdf

[3] Interactive graph New York Times [online]. October 2001.
https://archive.nytimes.com/www.nytimes.com/library/national/sci_WALL_1009_B6.html

[4] NY1 News. Workers Rush To Repair Huge Hole In WTC ’Bathtub’ [online]. September 2001.
http://www.ny1.com/nyc/all-boroughs/archives/2002/03/21/workers-rush-to-repair-huge-hole-in-wtc-bathtub.NYC_20029

[5] WTC Thermal Imagery.
http://newyork.earthdata.com/thermal.html

[6] Charles K. Huyck and Dr. Beverley J. Adams. Remote Sensing in Response to September 11th. MCEER Special Report Series, 2002.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.210.3959

[7] Images of the World Trade Center Site Show Thermal Hot Spots on September 16 and 23, 2001., 2001.
https://pubs.usgs.gov/of/2001/ofr-01-0429/thermal.r09.html

[8] Dr. Beverley J. Adams Charles K. Huyck and David I. Kehrlein. An evaluation of the role played by remote sensing technology following the World Trade Center attack. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2(1) :159, June 2003.
http://s3.amazonaws.com/nasathermalimages/public/images/wtc_eev.pdf

[9] Stephen W. Banovic. Steel inventory and identification. Technical report, NIST, September 2005.
https://ws680.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=101430

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