Könnten Drachen existieren? – Pt. 1
Wie würden die echten Drachen aussehen?
Siegeldrachen sind eine große Sache. Sie haben ihren Weg durch Mythen und Folklore seit der Zeit der alten Griechen und Sumerer gemacht, und niemand weiß genau, woher sie kamen. Einige vermuten, dass sie ursprünglich ein Versuch waren, die Entdeckung von Dinosaurier- und Walknochen zu erklären. Andere denken, Monitoreidechsen oder Krokodile könnten mit ihnen verwechselt worden sein. Andere glauben immer noch, dass sie einfach unsere Angst vor Raubtieren darstellen. Darüber hinaus befriedigen Drachen unsere Faszination für Macht. Wer möchte nicht sehen, wie ein riesiges fliegendes Tier einen Flammenstrom freisetzt? (Vorausgesetzt, du stehst nicht zu nahe.) Drachen wurden sogar dargestellt, die andere Elemente wie Beleuchtung und Eis befehligen. Sie sind großartige mythische Bestien, die ihren Weg in die Kulturen und Herzen der Menschen auf der ganzen Welt gefunden haben. Leider stecken sie dort fest, da wir keinen Grund zu der Annahme haben, dass Drachen jemals wirklich die Erde durchstreift haben. Aber was, wenn sie hatten? Wenn wir die Evolution Millionen von Jahren zurückspulen würden, hätten Drachen einen weiteren Schuss? Ist ihre Biologie tatsächlich machbar?
Ob ein geflügeltes Tier kann fliegen, hängt sowohl von internen als auch von externen Faktoren ab. Interne Faktoren sind sein Gewicht, wie viel Kraft seine Muskeln ausgeben können, und die Gesamtfläche seiner Flügel. Zu den externen Faktoren gehören die Stärke der Schwerkraft, die Luftdichte und die Sauerstoffverfügbarkeit seines Heimatplaneten. Wir können das, was wir über echte fliegende Tiere wissen, verwenden, um festzustellen, welche anatomischen Merkmale es einem Drachen ermöglichen würden, auf der Erde zu fliegen.
Ich möchte darauf hinweisen, dass das, was wir normalerweise als Drachen betrachten, nicht unbedingt ein Drache ist. Drachen werden traditionell als mit vier Beinen und zwei Flügeln definiert. Filme und Fernsehsendungen zeigen jedoch oft Drachen mit zwei Hinterbeinen und zwei Flügeln. Diese Körperform fühlt sich realistischer an, weil sie der Art und Weise entspricht, wie wir Vögel, Fledermäuse und Flugsaurier kennen. Ich werde diese Körperform verwenden, wenn ich unsere hypothetischen Drachen konstruiere, weil sie biologische Unterstützung hat und das Gewicht optimiert, das sie während des Fluges tragen müssen. (Und vertrau mir. Diese Jungs werden alle Hilfe brauchen, die sie bekommen können, um abzuheben.) Dennoch würden diese Kreaturen genauer als Wyvern klassifiziert.
Die größten Tiere, die jemals auf der Erde geflogen sind, waren riesige Flugsaurier wie Aramburgiania philadelphiae und Quetzalcoatlas Northopi. Beide alten Reptilien hatten die Größe einer Giraffe und letztere wogen ungefähr so viel wie ein Grizzlybär.
Paläontologen und Luftfahrtexperten haben festgestellt, dass diese Tiere mit einigen sehr cleveren Anpassungen aus eigener Kraft fliegen konnten. Ihre Knochen waren hohl wie Vogelknochen, um ihnen zu helfen, mehr Sauerstoff für Atmung und Flugkraft aufzunehmen, aber sie hatten einen großen Umfang, um das Gewicht ihres Fleisches zu tragen. Und im Gegensatz zu Vögeln starteten diese Flugsaurier mit den Muskeln in ihren Flügeln anstelle der Muskeln in ihren Beinen vom Boden. Fledermäuse starten tatsächlich auf ähnliche Weise. Quetzalcoatlas Northopi wurden verdächtigt, Geschwindigkeiten von 80 Meilen pro Stunde oder 130 Kilometern pro Stunde zu erreichen und eine Reiseflughöhe von 2,8 Meilen oder 4,5 Kilometern in der Luft zu erreichen. Sie könnten wahrscheinlich sieben Tage am Stück in der Luft bleiben.
Wir kennen also bereits riesige Kreaturen, die phänomenal fliegen könnten. Wenn unsere Drachen ähnliche Knochen und Flügel hätten, könnten sie wahrscheinlich die gleiche Größe und das gleiche Gewicht wie diese alten Flugsaurier erreichen. Quetzalcoatlas stand 5 Meter hoch oder etwa 16 Fuß und hatte eine Flügelspannweite von 11 Metern oder etwa 36 Fuß. Obwohl ihre Proportionen sehr unterschiedlich wären, Das bringt unsere hypothetischen Drachen auf die gleiche Skala wie die meisten aus den How to Train Your Dragon-Filmen.
They’d also be comparable in height to some of the smaller dragons from Harry Potter and Game of Thrones.
There are a few caveats I should mention. Einige Paläontologen vermuten, dass große Flugsaurier wie Quetzalcoatlas in ihren jüngeren Jahren mehr geflogen sind, um Raubtieren auszuweichen, und mit zunehmendem Alter immer weniger geflogen sind. Erwachsene Quetzalcoatlas sind möglicherweise nur kurze Strecken geflogen. Darüber hinaus haben Wissenschaftler Grund zu der Annahme, dass die Atmosphäre während des Mesozoikums sauerstoffreicher war. Dann hätten Flugsaurier mehr Energie aus ihrer Nahrung gewinnen und mehr Kraft mit ihren Muskeln abgeben können. Unsere Drachen können ähnliche Bedingungen erfordern. Große Flugsaurier entwickelten sich auch zu Luftsäcken in ihren Körpern, die zusätzlichen Sauerstoff speicherten, den unsere hypothetischen Drachen wahrscheinlich auch benötigen würden. Schließlich wird das Gewicht unserer hypothetischen Drachen wahrscheinlich zunehmen, wenn wir Organe und Treibstoff für Feueratmung, Eisbatmung und Lichterzeugung einbeziehen. Ich werde ansprechen, ob diese Drachen noch fliegen könnten, während wir gehen.
Könnte ein Drache wirklich Feuer atmen?
rache, um Feuer zu atmen, braucht es ein Organ oder Organe, die in der Lage sind, eine brennbare Substanz zu produzieren und zu speichern, eine Möglichkeit, diese Substanz mit sehr hohen Geschwindigkeiten auszustoßen, und eine Möglichkeit, die Substanz zu entzünden, wenn sie den Körper des Drachen verlässt. Der Drache müsste auch außen und innen feuerfest sein, um seine eigenen Flammen zu überleben.
Beginnen wir mit der Kraftstoffquelle. Es gibt bereits eine brennbare Verbindung, die von vielen Tieren produziert wird, wenn sie Nahrung verdauen: Methan. Methan wird von Mikroben im Darm von Tieren produziert, wenn sie teilweise verdaute Nahrung abbauen. Wir haben festgestellt, dass sie wahrscheinlich Luftsäcke entwickeln würden, um den Sauerstoff zu speichern, der benötigt wird, um ihre Muskeln anzutreiben, also könnten sich vielleicht einige dieser Säcke entwickeln, um stattdessen Methan zu sammeln. Wir können bestimmen, wie viel Methan ein Drache speichern müsste, indem wir seine Leistung mit der eines Flammenwerfers vergleichen.
Der X15 flammenwerfer kann feuer schießen bis zu 45 füße, oder über 14 meter, für eine volle minute auf einem vollen tank von kraftstoff. Es kann dies mit praktisch jeder brennbaren Flüssigkeit tun, aber es erhält die beste Reichweite mit einer Mischung aus 75% Benzin und 25% Kerosin. Der Kraftstofftank fasst 13,25 Liter oder 3,5 US-Gallonen. Das entspricht etwa 9,9 Liter Benzin und 3,3 Liter Kerosin. Benzin gibt ungefähr 33 frei.867 Megajoule Energie pro Liter, wenn es brennt. Kerosin setzt etwa 38.346 Megajoule pro verbranntem Liter frei. Insgesamt gibt der X15 in einer Minute etwa 460 Megajoule aus. Um eine äquivalente Energieabgabe zu erhalten, müsste unser hypothetischer Drache für jede Minute, in der er Feuer ausstößt, etwa 8,3 Kilogramm Methan verbrennen.Wenn wir davon ausgehen, dass unser Drache genug Treibstoff speichern kann, um 10 Minuten lang Feuer zu atmen, dann müsste er 83 Kilogramm Methan aufnehmen. Die Dichte von gasförmigem Methan variiert je nach Temperatur und Druck, aber es ist unwahrscheinlich, dass unser Drache eine Körpertemperatur von mehr als 100 Grad Fahrenheit hat. Daher würde das gespeicherte Methan bei normalem Atmosphärendruck 130.000 Liter Volumen aufnehmen. Definitiv zu viel. Stellen wir uns stattdessen vor, der Drache kann das Methan komprimieren. Methan wird typischerweise bei 200 Pfund pro Quadratzoll komprimiert. Mit diesem Druck könnte der Drache sein gesamtes Methan mit nur 74 Litern speichern. Das ist ungefähr das Volumen des menschlichen Körpers. Wenn wir annehmen, dass der Drache das Methan in eine Kugel komprimiert, müsste er mindestens 132 US-Tonnen Kraft ausüben. Das ist ungefähr das 13-fache der Stärke eines Elefanten.
Nicht sehr praktisch. Außerdem würde sich Methangas bei seiner Freisetzung schnell in die Atmosphäre zerstreuen, wodurch das Feuer des Drachen schwer zu zielen wäre. Eine effizientere Methode der Kraftstoffspeicherung wäre die Umwandlung des Methans in Methanol.
Methanol ist eine Flüssigkeit bei 100 Grad Fahrenheit und nimmt viel weniger Volumen auf. Darüber hinaus würde eine Flüssigbrennstoffquelle es einem Drachen ermöglichen, Flammen auf die gleiche kontrollierte Weise wie ein Flammenwerfer auszustoßen. Aber ist es möglich, dass ein Lebewesen Methan in sich selbst in Methanol umwandelt?
Die die chemische Gleichung zur Herstellung von Methanol aus Methan ist ziemlich einfach. Die Kombination von zwei Mol Methan mit einem Mol Sauerstoffgas erzeugt zwei Mol Methanol für 5% aller versuchten Reaktionen. Diese Reaktion kann bei 100 Grad Fahrenheit auftreten, erfordert jedoch bis zu 50 Erdatmosphären Druck. Es sollte auch etwa 110 Kilojoule Energie pro Mol Methanol freisetzen, das unter diesen Bedingungen erzeugt wird. Zusammengenommen geben uns diese Faktoren ein Minimum an Zeit, die ein Drache benötigen würde, um genug Methanol für einen minutenlangen Feuerstoß wie den des X15-Flammenwerfers zu produzieren. (Ich habe das Feueratmungszeitlimit gesenkt, weil Methanol im Wert von 10 Minuten über 200 Kilogramm wäre und unseren Drachen erheblich wiegen würde. Es könnte jedoch immer noch 10 Minuten lang Feuer atmen, wenn es nur ein Zehntel der Leistung des X15 freisetzen würde, und es wäre immer noch ziemlich bedrohlich.)
Ein feueratmender Drache würde eine unglaubliche Isolierung in seinem Körper benötigen, so dass wir davon ausgehen können, dass die Wärme, die bei der Methanolproduktion freigesetzt wird, seinen Körper über Konvektion verlässt. Das bedeutet, dass Luft aus dem Inneren des Drachen freigesetzt wird und Wärme mit sich führt. Die durch Konvektion verlorene Wärme muss größer oder gleich der Wärme sein, die bei der Bildung von Methanol entsteht. Beide Werte hängen von der Oberfläche des Beutels ab, der die Chemikalien enthält, von denen wir annehmen, dass sie kugelförmig sind. Die Oberfläche ist auch direkt proportional zu der Kraft, die der Drache ausüben muss, um die notwendigen 50 Atmosphären Druck für die Methanolproduktion bereitzustellen.
Using all the information above, we can derive a formula that directly relates the dragon’s strength to its methanol production time:
etzt 22,7 Megajoule pro Kilogramm frei, wenn es brennt, also würden wir ungefähr 20,3 Kilogramm brauchen, um den Feueratem unseres Drachen zu tanken. Das sind etwa 632 mol flüssiges Methanol, das in einem Raum von etwa 25,8 Litern gelagert werden könnte. Nehmen wir an, unser Drache braucht einen Tag, um sich zu tanken. Dann müsste es über 240.000 Newton Kraft anwenden. Das würde es etwa 2,8 mal stärker machen als ein Elefant. Unser feueratmender Drache wäre für seine Masse immer noch unverhältnismäßig stark, aber wir können davon ausgehen, dass er Anpassungen hat, die ihm außergewöhnlich starke Muskeln verleihen. Muskeln, die stark wären, würden dem Drachen auch helfen zu fliegen, während er das zusätzliche Gewicht von seinem Treibstoff trägt.
Ich sollte erwähnen Sie auch, dass die 24-stündige Methanolproduktionszeit die Mindestzeit ist, die der Drache benötigen könnte, um sein Methanol ohne Überhitzung herzustellen, und nicht unbedingt, wie lange der Drache brauchen würde, um so viel Methan zu produzieren. Die gasförmigsten Tiere sind Kühe, die höchstens etwa 0,3 Kilogramm Methan pro Tag produzieren. Es würde eine einzelne Kuh etwa 40 Tage brauchen, um genug Methan zu produzieren, um das Feuer unseres Drachen anzuheizen, angesichts der Erfolgsrate von 5% bei der Umwandlung von Methan in Methanol. Unser Drache müsste also 40 mal so viel Methan produzieren wie eine Kuh. Eine Alternative wäre, dass unser Drache irgendwo mit einer hohen Methankonzentration wie ein Moor lebt. Es wäre jedoch ständig in Gefahr, seinen Lebensraum in Brand zu setzen. Eine überzeugende Idee wäre, dass ein Drache tatsächlich Vieh in einer geschlossenen Umgebung wie einer Höhle hält. Wenn ein Drache jeden Monat etwa 40 Kühe fangen und sie durchlassen könnte, bis sie verhungern, könnte er genug Methan einatmen, um seinen Feueratem anzuheizen. Dann könnte es die Kühe fressen, wenn sie sterben. Eine solche Diät würde unserem Drachen auch etwas anderes geben, was er braucht: Eisen.
Das letzte, was wir die Notwendigkeit für unseren Drachen, Methanol zu tanken, ist ein Katalysator. Katalysatoren sind Substanzen, mit denen chemische Reaktionen schneller oder unter anderen Bedingungen ablaufen können als normalerweise. Zufällig ist in Graphen eingebettetes Eisen ein Katalysator für die Reaktion von Methan und Sauerstoff zu Methanol. Es lässt diese Reaktion sogar bei Raumtemperatur auftreten. Fleisch ist reich an Eisen, so dass ein Drache mit einer sehr fleischigen Ernährung in der Lage wäre, einen Teil des aufgenommenen Hämeisens zu verwenden, um seinen Graphenkatalysator herzustellen. Die einzige andere Zutat wäre Kohlenstoff, den unser Drache aus so ziemlich jeder organischen Substanz gewinnen könnte. Graphen ist das stärkste Material, das der Wissenschaft bekannt ist, daher würde die Verwendung von Graphen zur Auskleidung des Gassacks des Drachen es ihm ermöglichen, dem immensen Druck standzuhalten, den die Muskeln des Drachen auf ihn ausüben. Graphen ist auch großartig in der Wärmeleitung, so dass es nicht verhindert, dass der Gassack abgekühlt wird.
Natürlich, in der Lage zu sein, Methanol zu produzieren, ist nicht nützlich, es sei denn, unser Drache hat eine Möglichkeit, es zu entzünden und die brennende Flüssigkeit auszustoßen. Eine Möglichkeit ist, dass Drachen eine Art natürlichen Feuerstein im Hals oder Mund haben, den sie kratzen können, um die Flamme zu entzünden. Sie könnten auch kleine Steine wie Vögel aufnehmen und diese zusammenkratzen. Alternativ könnte unser Drache das Methanol so schnell ausstoßen, dass es zu einer statischen Zündung kommt. Dann erzeugt die Reibung zwischen einem Behälter und seinem Kraftstoff statische Elektrizität, die den Kraftstoff entzündet. Aber wie würde unser Drache seinen Treibstoff ausstoßen?
Flammenwerfer vertreiben Sie ihren Brennstoff, indem sie komprimierte Gase freisetzen. Der X15, mit dem wir unseren Drachen verglichen haben, verwendet einen 20-Unzen-Tank Kohlendioxid, der mit 800 Pfund pro Quadratzoll komprimiert ist. Kohlendioxid wird verwendet, weil es nicht brennbar ist. Wenn unser Drache einen zweiten kugelförmigen Gassack hätte, um Kohlendioxid zu speichern, könnte er seine außergewöhnlichen Muskeln nutzen, um denselben Druck bereitzustellen. Daher könnte es Methanol mit der gleichen 45-Fuß-Reichweite wie der X15 ausstoßen.
Der letzte hürde, die unser feueratmender Drache überwinden muss, ist das Feuer selbst. Es ist heiß und Lebewesen wollen normalerweise nicht in der Nähe sein. Wie konnte ein Drache es ertragen, es in sich zu haben? Nun, es gibt einen Teil von Lebewesen, der schockierend feuerfest ist: DNA! Laut einem Artikel von WIRED (den ich mit anderen Quellen überprüft habe):
Die chemische Struktur der DNA macht sie ideal für den Flammenstopp. Beim Erhitzen erzeugt sein phosphathaltiges Rückgrat Phosphorsäure, die chemisch Wasser aus Baumwollfasern entfernt und dabei einen flammwidrigen, kohlenstoffreichen Rückstand hinterlässt. Die stickstoffhaltigen Basen setzen Ammoniak frei, das brennbare Gase verdünnt und Verbrennungsreaktionen hemmt, und können als „Treibmittel“ wirken, die dazu beitragen, die kohlenstoffreichen Ablagerungen in eine langsam brennende Schutzschicht zu verwandeln. Letztendlich stoppen diese Inhaltsstoffe die Verbrennung, indem sie entweder einen kohlenstoffreichen Schaum oder eine schützende, glasige Kohlenstoffbeschichtung namens Char bilden.
Materialwissenschaftler in Italien fanden heraus, dass die Beschichtung eines Baumwollgewebes mit DNA aus Heringssperma das Verbrennen verhinderte. Organismen sind bereits großartig darin, DNA herzustellen — es ist irgendwie ihre ganze Sache – also sollte ein Drache in der Lage sein, genug DNA zu produzieren, um zumindest das Innere seines Rachens, Mundes und Gassacks zu bedecken. Es gibt das Problem, dass die von den Italienern geschaffene Beschichtung nicht wasserdicht war, aber es könnte möglich sein, dieses Problem zu umgehen, indem die DNA zu einer großen Matrix vernetzt wird. Unser Drache könnte auch die gesamte Wärme nutzen, die bei der Herstellung von Methanol entsteht, um Wasser zu verdampfen, das seine DNA-Beschichtung auflösen könnte.
Feuerfest zu sein, stoppt jedoch nicht den Wärmefluss. Unser Drache braucht auch eine ausreichende Wärmedämmung. Dafür wenden wir uns Aerogelen zu. Aerogele sind poröse Materialien, die den Wärmefluss unglaublich einschränken. Wenn unser Drache eine natürliche Aerogelbeschichtung herstellen kann, könnte er sich vor der Hitze seiner eigenen Flammen schützen. Es gibt sogar Organismen, die bereits Aerogel produzieren: Libellen!
Libellenflügel haben eine Struktur, die der von hergestelltem Aerogel sehr ähnlich ist. Wissenschaftler untersuchen sogar ihr Wachstum, um Aerogele für die Isolierung von Häusern herzustellen. Wer hätte gedacht, dass Libellen der Schlüssel zur Biologie eines echten Drachen sein würden?
Fazit
Machen wir also eine Liste aller Anpassungen, die ein Drache besitzen müsste:
- Flügel, Knochen und Körpergewicht vergleichbar mit dem des alten Quetzalcoatlas Northopi.
- Beutel, die Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Methan aufnehmen und komprimieren.
- Außerordentlich effiziente Muskeln, die 2 ausüben können.8 mal die Kraft eines Elefanten, ohne das Gewicht des Tieres über das eines Grizzlybären hinaus zu erhöhen.
- Die Fähigkeit, Methan 40-mal schneller zu produzieren als eine Kuh oder eine Überlebensstrategie, die es ihr ermöglicht, das Methan großer Tiergruppen einzuatmen.
- Eine eisenreiche Ernährung.
- Die Fähigkeit, Eisen eingebettetes Graphen in seinem Körper zu machen.
- Ein System zur konvektiven Kühlung, das es ermöglicht, die bei der Herstellung von Methanol freigesetzte Wärme schnell abzuführen.
- Eine Kammer, die komprimiertes Gas freisetzt, um Methanol auszustoßen und eine harte Substanz zusammenzuklicken und zu entzünden.
- Die Fähigkeit, eine Beschichtung herzustellen, um sich selbst feuerfest zu machen.
- Und die Fähigkeit, Aerogel-ähnliche Beschichtung für die Wärmedämmung zu machen.
Ich würde sagen, die größte evolutionäre Hürde wären die verbesserten Muskeln. Vielleicht könnten Drachen mehr kraftsteigernde Hormone und weniger Kraftinhibitoren produzieren als andere Tiere, oder sie könnten Muskeln haben, die einem Arthropoden oder Mollusken ähnlicher sind als einem Wirbeltier. Die Muskelfasern dieser Organismen können bei gleicher Querschnittsfläche mehr Kraft ausüben. Es gibt auch Materialien, die Drachen produzieren müssten – wie Graphen und DNA—Beschichtung -, die im Tierreich nicht zu finden sind. Während ich also nicht sagen kann, dass die Evolution der Drachen plausibel ist, denke ich auch nicht, dass es völlig unmöglich ist. Vielleicht könnten Fortschritte in der Gentechnik eines Tages einen Drachen hervorbringen (so voller ethischer Implikationen wie das wäre). Ich persönlich denke, dass ein wissenschaftliches Bild davon, wie sich Drachen entwickelt hätten, sie umso erstaunlicher macht.
Dieser Beitrag ist der erste in einer dreiteiligen Serie, die ich über die Biologie der Drachen mache. Im nächsten werde ich mir die Machbarkeit von Drachen ansehen, die mit Licht, Eis und sogar kaltem Plasma angreifen. In dem Beitrag danach werde ich die Physiologie und Biochemie verwenden, die ich in den ersten beiden Beiträgen festgelegt habe, um vorherzusagen, wo jeder Drachentyp leben würde, was er essen würde und wie er jagen würde. Ich hoffe, Sie dort zu sehen!
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