Von Slow Brains zu Fast X, die Wissenschaft hinter Lachgas

May 19, 2023

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Lebe dein Leben eine Viertelmeile nach der anderen ... schneller.

An diesem Wochenende kehren Zuschauer auf der ganzen Welt in Fast der Rest der Großfamilie, mit Auftritten der Franchise-Neulinge Jason Momoa (der Bösewicht des Films, Dante) und Brie Larson (Tess). Damit ist der wütende Teil der Gleichung erledigt, aber wir müssen immer noch den schnellen Teil berücksichtigen. Und dafür brauchen wir das andere Standbein der Fast Saga: Lachgas.

Lachgas ist (offensichtlich) ein Oxid aus gasförmigem Stickstoff mit der chemischen Signatur N2O. Es ist an sich nicht brennbar, was angesichts seiner Verwendung in Verbrennungsmotoren überraschend sein könnte (mehr dazu gleich), aber es reagiert gerne, insbesondere mit der Ozonschicht.

Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdatmosphäre. Es macht mehr als 78 % jedes einzelnen Atemzugs aus, den Sie machen. Sauerstoff ist zwar der Star der Atmung, macht aber nur knapp 21 % aus. Das restliche 1 % besteht hauptsächlich aus Argon, CO2 und einigen anderen Spurengasen. Der Punkt ist: Es schwebt viel Stickstoff herum.

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Dieser Luftstickstoff wird von stickstofffixierenden Bakterien im Boden und in den Wurzelknollen von Pflanzen aufgenommen. Sie wandeln den Stickstoff durch Zugabe von etwas Wasserstoff in Ammoniak um. Anschließend nehmen nitrifizierende Mikroben das Ammoniak auf und wandeln es in Nitrite (NO2) oder Nitrate (NO3) um. Das sind großartige Neuigkeiten für Pflanzen, denn sie lieben Stickstoffverbindungen. Stickstoff ist eines der wichtigsten Dinge, die wir der Erde hinzufügen müssen, wenn wir beginnen, Pflanzen auf dem Mond, dem Mars oder anderswo anzubauen.

Pflanzen nehmen diese Nitrate aus dem Boden auf und nutzen sie zum Aufbau einiger ihrer Strukturen. Deshalb ist Blattgemüse eine so gute Quelle für Nahrungsnitrate. Diese Pflanzen werden dann gefressen oder sterben und zerfallen. So oder so gelangen sie schließlich zurück in den Dreck, wo Mikroben wieder an die Arbeit gehen und die Nitrate wieder in Stickstoffgas umwandeln. Dies geschieht tiefer im Boden oder tief unter Wasser, wo Sauerstoff schwerer zu bekommen ist und anaerobe Mikroben gedeihen. Auf dem Weg zwischen Nitrat und Stickstoffgas durchlaufen die Verbindungen eine Reihe von Zwischengasen, darunter Lachgas.

Stickstoff dient vielleicht kaum mehr als ein unter Druck stehender Platzhalter für Ihre eigene Atmung, aber er ist ein wichtiger Teil der natürlichen Infrastruktur des Ökosystems. Natürliche Quellen produzieren etwa 60 % des weltweiten Lachgases, wobei jedes Pfund davon eine 265-fache wärmende Wirkung hat wie die entsprechende Menge CO2, und es verbleibt durchschnittlich 121 Jahre in der Atmosphäre, bevor es wieder von Bakterien aufgenommen wird. Die restlichen 40 % sind das Ergebnis menschlicher Aktivitäten, einschließlich der kommerziellen Produktion.

Die absichtliche Produktion von Lachgas ist ein rein chemischer Prozess und kein biologisch unterstützter. Die Produktion beginnt mit Ammoniumnitrat, einem weißen kristallinen Salz. In der Chemie ist ein Salz jede Verbindung, die positiv geladene und negativ geladene Ionen enthält und keine elektrische Nettoladung aufweist. Speisesalz ist ein häufiges Beispiel, aber bei weitem nicht das einzige – es wird mit Wasser in einer Konzentration von 80 % bis 93 % gemischt. Anschließend wird die Ammoniumnitratlösung auf 250 Grad Celsius erhitzt, wodurch Ammoniumnitrat reaktiv in Wasserdampf und Lachgas zerfällt.

Verbrennungsmotoren funktionieren, indem sie eine Kraftstoffquelle mit Luft vermischen und diese Mischung in Brand setzen. Jedes Mal, wenn Sie zur Arbeit pendeln oder ins Theater fahren, werden Sie von sorgfältig kontrollierten Explosionen angetrieben. Das Kraftstoffgemisch wird unter Druck gesetzt und es entsteht ein Funke. Da das Gemisch schnell verbrennt, entstehen starke Hitze und Druck, die die Kolben in Ihrem Motor bewegen. Diese Kolben drehen eine Kurbelwelle, die auf Zahnräder usw. einwirkt und Ihr Fahrzeug die Straße entlang bewegt.

Für uns ist Benzin (oder welcher Kraftstoff auch immer Sie verwenden) das, was brennt und die ganze Arbeit erledigt, aber das stimmt nur teilweise. Selbst die entzündlichste Substanz kann sich nicht entzünden, es sei denn, sie befindet sich in unmittelbarer Nähe eines Oxidationsmittels.

Egal, ob Sie ein Lagerfeuer machen oder Ihre Motoren anwerfen, das häufigste Oxidationsmittel, dem Sie auf der Erde begegnen werden, ist natürlich Sauerstoff. Aber das muss nicht sein. Wenn eine Brennstoffquelle auf die richtige Temperatur erhitzt wird, entzieht ein Oxidationsmittel der Brennstoffquelle Elektronen. Diese schnelle exotherme Reaktion nennen wir Verbrennung. Es handelt sich lediglich um eine Hochgeschwindigkeitsoxidation, ähnlich wie beim Rosten im Schnellvorlauf, und die Reaktion wird fortgesetzt, bis der Kraftstoff verbraucht, das Oxidationsmittel erschöpft ist oder die Temperatur sinkt.

Wenn Sie sich schon einmal in der Nähe einer offenen Flamme aufgehalten haben, wissen Sie, dass das Blasen in ein Feuer entweder mit der eigenen Lunge oder mit einem Blasebalg eine wirksame Methode ist, um die Größe und Intensität der Flammen vorübergehend zu erhöhen. Das liegt daran, dass Sie mehr Sauerstoff hinzufügen, was eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit ermöglicht. Da es keine einfache Möglichkeit gibt, einen Blasebalg auf das Innere Ihres Motors zu richten, ist der Sauerstoffanteil in Ihrem Kraftstoffgemisch auf 21 % begrenzt, da dieser in der Atmosphäre verfügbar ist. Aus diesem Grund kann Ihr Auto auch in größeren Höhen träge werden.

Wenn jedoch ein Lachgassystem (NOS) Lachgas in das Kraftstoffgemisch einbringt und es auf über 300 Grad Celsius erhitzt wird, zerfällt es in ein Sauerstoff- und zwei Stickstoffatome. Infolgedessen beträgt die Sauerstoffkonzentration in Ihrem Kraftstoffgemisch bis zu 36 % und liegt damit deutlich über den auf Meereshöhe vorhandenen Hintergrundwerten von 21 %. Mehr Sauerstoff bedeutet eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit und mehr Raum.

Lachgas wurde nicht wirklich erfunden, aber es wurde 1772 von Joseph Priestly entdeckt und später synthetisiert. Noch vor dem Ende des 18. Jahrhunderts experimentierten die Menschen bereits mit Freizeit- und medizinischen Anwendungen. Im Jahr 1799 begann Humphry Davy, mit den Auswirkungen von Lachgas auf den Menschen zu experimentieren, indem er das Gas selbst einatmete. Er bemerkte sofort die euphorische Wirkung und war Berichten zufolge so begeistert davon, dass er eine luftdichte Box baute, in der er stundenlang saß und Lachgas atmete, bis er fast starb.

Heutzutage wird Lachgas hauptsächlich in der Medizin wegen seiner analgetischen (schmerzlindernden) und anästhetischen Wirkung eingesetzt. Es ist eine altehrwürdige Ergänzung im medizinischen und zahnmedizinischen Umfeld und der Schutzpatron der Wurzelkanalpatienten überall. Es wird bevorzugt, weil seine Wirkung fast unmittelbar, aber nur von kurzer Dauer ist. Ärzte können die Schmerzen nahezu in Echtzeit lindern und die Patienten sind innerhalb weniger Minuten wieder funktionsfähig.

Obwohl wir wissen, dass Lachgas funktioniert, sind sich die Wissenschaftler noch nicht ganz sicher, wie es funktioniert, aber wir haben das Grundgerüst und einige Hypothesen. Beim Einatmen gelangt Lachgas über die Lunge in den Blutkreislauf und gelangt zum Gehirn. Dort löst es eine Steigerung der natürlichen Produktion von Endorphinen, Corticotropinen und Dopamin aus. Das ist wahrscheinlich der Grund für das angenehme, euphorische Gefühl. Sobald es im Gehirn angekommen ist, schwächt Lachgas auch die Empfindungen aller fünf Sinne und kann dazu führen, dass einige der emotionalen Zentren des Gehirns nicht mit maximaler Kapazität funktionieren.

Es wurde vermutet, dass Lachgas den Sauerstoff im Gehirn ersetzen und einige seiner Auswirkungen hervorrufen könnte, aber bevor wir es sicher wissen können, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Was auch immer der Mechanismus sein mag, die kombinierte Wirkung von Lachgas auf das Gehirn kann einige Prozesse im Gehirn verlangsamen oder ganz zum Erliegen bringen, sodass Ihr Zahnarzt Ihr Gesicht anbohren kann, während Sie glücklicherweise woanders sind.

Wenn Ihr Gehirn das Lachgas auf 300 Grad Celsius erhitzen könnte, wäre es vielleicht in der Lage, damit sehr schnell zu fahren, aber wir empfehlen es nicht.

Fast X kommt diesen Freitag, den 19. Mai, in die Kinos. Sichern Sie sich Ihre Tickets und starten Sie Ihre Motoren!