Fax me up, Scotty!

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Kennen sie Star Trek? Oder Raumschiff Enterprise, wie die alte Serie in der deutschen Übersetzung hieß? Natürlich kennen wir die faszinierende Möglichkeit, Menschen einfach so aus dem Raumschiff hinunter auf den Planeten zu beamen. Oder eben wieder hoch. Der Funkspruch “Beam me up, Scotty!” ist zwar, wenn man der englischen Wikipedia glauben darf, in  der Serie nie gefallen, hat aber weite Verbreitung in unserer Kultur gefunden. Ich möchte hier ganz oberflächlich einige physikalische Spekulationen zur Frage anstellen, was beamen eigentlich ausmacht und ob es realistisch zu verwirklichen ist.

Wenn wir von einem materialistischen Weltbild ausgehen, wird eine Person mit ihren Gedanken und Gefühlen, mit ihrer Persönlichkeit und ihren Eigenarten vollständig durch die Zustände aller beteiligten Atome charakterisiert. Beamen könnte also so ablaufen, dass am Startort die Positionen und Quantenzustände aller Atome ausgelesen und am Zielort genau so wieder rekonstruiert werden.

Es hat mich immer schon verwirrt, dass dabei die Person am Startort verschwinden muss, denn tatsächlich handelt es sich hier um einen Kopiervorgang. Die Atome selber müssen ja nicht transportiert werden, sondern nur ihre Orte und Zustände. Am Zielort befinden sich meist ohnehin schon jede Menge Atome, die zu der kopierten Person zusammengefügt werden.

Ich stelle mir also beamen als eine Art Fernkopie vor, das Landeteam wird nicht auf den Planeten hinunter transportiert, sondern gefaxt. Wäre das hier ein juristischer Blog, könnte ich jetzt darüber spekulieren, ob die Vernichtung der Ursprungsperson eigentlich den Straftatbestand des Mordes erfüllt. Aber vielleicht ist diese Zerstörung unvermeidbar, ich komme gleich darauf zurück.

Beamen steht in der Science-Fiction-Literatur der Teleportation recht nahe. Letzteres ist aber eher ein esoterisches Thema, in dem es um übernatürliche Fähigkeiten geht. Ich erwähne es hier, weil es in der Quantenphysik Verfahren gibt, die als Quanten-Teleportation bezeichnet werden. Mit Hilfe von verschränkten Photonenpaaren kann man den Zustand eines Quantenobjektes an einem Ort einem Quantenobjekt an einem anderen Ort aufprägen. Dieses Verfahren eignet sich aber meines Erachtens nicht zum Transport komplexer Objekte. Es ist zu empfindlich gegen äußere Einflüsse. Ich schließe also aus, dass es sich beim Beamen um eine Weiterentwicklung der Quanten-Teleportation handelt.

Scanner

Ein Fax-Gerät besteht aus einem Scanner, der das Original einließt, und einem Drucker, der die Kopie erstellt. Diese beiden Funktionen werden sich auch in den Beamern des 23. Jahrhunderts finden. Kümmern wir uns erst um den Scanner. Welche Art von Strahlung wird er wohl verwenden um die Informationen einzulesen und welche Auflösung braucht er?

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Die 3D-Aufnahme des Körpers mit Röntgenstrahlung, hier eine Scheibe des Kopf-CTs des Autors, ist zwar faszinierend, die Auflösung reicht aber für eine funktionierende Fernkopie nicht aus.

Ich kann mir für einen Körperscanner nichts besseres vorstellen als Röntgenstrahlung. Die Radiofrequenzen der Kernspintomographie können wegen ihrer zu großen Wällenlänge nicht die notwendige Auflösung erreichen. Partikelstrahlung mit Protonen oder Elektronen hat zu starke Wechselwirkungen mit dem Gewebe, so dass sie mehr zerstören als messen würden. Man könnte sich vielleicht neue Technologien vorstellen, die Unmengen an kurzwelligen Neutrinos herstellen, von denen der winzige Anteil, der mit den Körpern der Menschen interagiert, gemessen wird. Das wäre aber eine unglaubliche Verschwendung an Ressourcen. Außerdem würde bei jedem Beamvorgang ein gerichteter, starker Neutrinostrahl das Raumschiff verlassen und es den Klingonen leicht machen, die Enterprise zu orten. Nein, so dumm, anderes als Röntgenstrahlung zu verwenden, werden die Menschen im 23. Jahrhundert nicht sein.

Kommen wir zur Auflösung. Sicher wären wir, denn wir atomare Auflösung erzielen könnten. Also im Bereich von Zehntel Nanometern. Dafür bräuchte man schon Strahlung von mindestens 12,5 Kiloelektronenvolt Energie. Aber Vorsicht! Die Auflösung eines abbildenden Verfahrens wird nicht nur durch die Wellenlänge der Strahlung, sondern auch durch die numerische Apertur, die Öffnung des Objektivs bestimmt. Die Information über die kleinsten Strukturen findet sich in den Strahlen, die am stärksten Abgelenkt werden.

Die numerische Apertur wird hier einfach durch den Sinus des Öffnungswinkels angegeben. Wenn man sich den Beamapparat ansieht, ist der Winkel am ungünstigsten Punkt, also in Körpermitte nur einige Grad groß. Die numerische Apertur ist sicher nicht größer als 0,1, die Strahlung muss also mindestens zehn mal kurzwelliger sein, die Energie bei 125 Kiloelektronenvolt liegen.

Aber das ist schon der günstigste Fall des Hinunterbeamens. Wenn das Team heraufgebeamt werden soll, wird ein stark gerichteter Röntgenstrahl auf die Mannschaft gefeuert und die Rückstreuung gemessen. Die numerische Apertur ist dabei winzig. Der größte Teil des gestreuten Signals dürfte außerdem am Raumschiff vorbeigehen und ein großer Teil der Strahlung wird im Planeten absorbiert werden. Die hinaufgebeamte Mannschaft wird also im wahrsten Sinne es Wortes verbrannte Erde zurücklassen und die Strahlung muss um Größenordnungen kurzwelliger als die angestrebte Auflösung sein.

Apropos Auflösung: Brauchen wir wirklich die Positionen einzelner Atome? Dazu ist ein bisschen Kenntnis in Biochemie hilfreich. Wie funktioniert eigentlich eine Körperzelle? Wie funktioniert das wichtigste Organ eines guten Captains, das Gehirn? Bei der Funktionsweise von Zellen kommt es auf einzelne Atome meist nicht an. Zellinteraktionen werden durch chemische Potentiale ausgelöst. Da geht es um Konzentrationen von Biomolekülen und Ionen. Um elektrische Potentiale in den Zellen und so weiter. Hier gibt es zwei Aspekte.

Erleichternd wirkt, dass atomare Auflösung eigentlich nicht notwendig ist. Man kann die einzelnen Moleküle auch auseinanderhalten, wenn man vielleicht nur ein bis fünf Nanometer Auflösung erreicht. Dazu kommt, dass die Erbinformation in jeder Zelle gleich sein sollte und auch sonst immer wieder dieselben Bausteine vorkommen. Das Beamgerät kann also Vorwissen über die vorkommenden Biomoleküle und eventuell über den genetischen Code der Besatzung einbringen und braucht gewisse Informationen nicht jedes Mal erneut einzulesen.

Dazu kommt, dass die Zellen des Körpers ohnehin mit Reparaturmechanismen gegen Fehler bei der Zellteilung und Genexpression ausgestattet sind. Daher sollten kleine Fehler beim Kopieren keine großen Auswirkungen haben. Selbst vereinzelt völlig falsch kopierte Zellen kann der Körper verkraften, auch ohne dass wir gebeamt werden, sterben ständig Körperzellen ab. Man kann also beim Kopieren von Muskel- und Hautzellen relativ schlampig vorgehen und sich auf die eigentlich wichtigen Stammzellen und vor allem auf das Gehirn konzentrieren.

Erschwerend wirkt, dass die Funktionalität der Zellen auch wesentlich von der Konzentration negativ und positiv geladener Atome und Moleküle, sowie von dem PH-Wert abhängt. Der Scanner muss also nicht nur in der Lage sein, die Dichteverteilungen in der Zelle abzubilden. Er muss auch Ladungen und Potentiale erkennen können, um die Funktionen der Zellen kopieren zu können.

Strahlenschäden

Ein Problem bei der Röntgenabbildung von biologischen Strukturen sind die unvermeidlichen Strahlenschäden. Um eine gute Auflösung zu erreichen, müssen genug Röntgenphotonen in ausreichend großen Winkeln gestreut werden. Diese Streuung ist aber ebenso zufällig, wie die Absorption einzelner Photonen, die zu Strahlenschäden führt. Je höher die gewünschte Auflösung ist, desto mehr Photonen müssen gestreut werden. Je mehr Photonen gestreut werden, desto mehr Energie wird in das Objekt gepumpt.

Die Auflösungsgrenze konventioneller Röntgenstrukturanalyse liegt bei etwa zehn Nanometern. Versucht man bessere Auflösung zu erreichen, so wird die Struktur durch Strahlenschäden noch während der Datennahme zerstört. An Freie-Elektronen Lasern arbeiten wir zur Zeit an Techniken, mit denen man die Struktur von biologischen Objekten wie Viren und kleinen Einzellern oder Proteinkristallen so schnell auflösen kann, dass wir das Bild im Kasten haben, bevor die Struktur zerstört ist. Auch hier wird das Objekt zerstört, aber die Strukturinformationen sind dann schon gewonnen.

Ähnlich könnte auch das Beamen funktionieren: Die Körper der Besatzungsmitglieder werden beim Scannen vollständig zerstört, ihre Struktur ist aber schon im Speicher und die entfernte Kopie kann erzeugt werden. Es ist also vielleicht tatsächlich unvermeidbar, dass das Original beim Einscannen zerstört wird.

Der Drucker

Als ob es nicht beim Einscannen schon genug Probleme gäbe, wird das erstellen der Fernkopien erst richtig problematisch. Es ist heute mit Laserpinzetten möglich, mikroskopisch kleine Tröpfchen anzuheben und beliebig zu manipulieren. Es ist in starken Laserfeldern möglich, einzelne Atome und Moleküle zu führen und auszurichten. Hierfür werden jedoch sichtbare Laserfelder mit Wellenlängen von halben Mikrometern verwendet. Um die nötige atomare Auflösung zur Bildung von Molekülen zu bekommen, braucht man kürzere Wellenlängen. Röntgenfelder wechselwirken aber sehr viel schwächer mit Atomen, so dass die entstehenden Kräfte auf die Atome nicht ausreichen dürften.

Man kann auch nicht davon ausgehen, dass es am Zielort bereits die richtigen Moleküle gibt, aus denen man Zellmembranen, Proteine und Nukleinsäuren zusammensetzen kann. Es dürfte in der fast immer atembaren Luft der Startrek-Zielplaneten nicht einmal ausreichend Kohlenstoff vorhanden sein, so dass der Beamer zunächst kernphysikalisch die richtigen Elemente zusammelnbasteln müsste.

Während also der Scanner mit weniger als atomarer Auflösung auskommen dürfte, müsste der Drucker sogar die Atome selbst verändern können, also die Atomkerne bearbeiten. Die dazu notwendigen Felder dürften so stark sein, dass die umgebenden Atome von den Streufeldern gleich wieder verdampfen würden. Zudem hätte man auch hier Probleme mit der numerischen Apertur. Die Größe eines Feldes zur Manipulation von Molekülen unterliegt nämlich denselben Gesetzen, wie die einer abbildenden Optik.

Fazit

Es gibt gute physikalische Gründe anzunehmen, dass es nie möglich sein wird, Menschen von einem Raumschiff auf einen Planeten herunterzubeamen. Schon das Einlesen der Strukturinformationen stellt große Probleme dar und dabei bin ich noch nicht auf das Problem der Datenmenge eingegangen. Menschliche Körper aus der Luft zu erzeugen dürfte mit Strahlungsfeldern gar nicht zu machen sein.

Nun hatten Galileos Widersacher auch schon gute Gründe, an einer schnell rotierenden und bewegten Erde zu zweifeln. Könnte es nichts ein, dass eine weitere Kraft entdeckt werden wird, die solche Fernmanipulation von Objekten erlaubt? Falls es zusätzliche Kräfte gäbe, dann müssen die entweder sehr viel schwächer sein, als die elektromagnetische, oder sie müssten sehr mysteriöse Eigenschaften haben. Andernfalls hätten wir sie längst entdeckt.

Wären sie aber schwach, so sind sie aus den gleichen Gründen wie Neutrinos zum Scannen und erst recht zum Drucken untauglich. Wenn sie ganz anders funktionieren als übliche Kräfte, dann sind sie dem recht ähnlich, was wir in der Fantasy-Literatur als Magie kennen. Auf reproduzierbar einsetzbare Magie gibt es aber keine Hinweise. Und Reproduzierbarkeit sollte man für ein Verfahren erwarten, mit denen Menschen transportiert werden sollen. Wir müssen das Beamen also nüchtern als das betrachten, was es ist: Ein Trick, die Besatzung der Enterprise schnell auf den Planeten zu bekommen, ohne Sendezeit mit langweiligen Shuttleszenen zu verschwenden.

 

Anmerkung in eigener Sache:

Nicht-wissenschaftliche Texte veröffentliche ich jetzt in meinem Zweitblog Quantenmeinung.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

17 Kommentare

  1. Schade..

    ..dass beamen so bald nicht gehen wird. Außer dem Aspekt des schnellen Transportmittels haben Scottie und seine Nachfolger ja auch noch die praktischen Filter und Sicherheitsprotokolle, mit deren Hilfe sie unerwünschte Dinge wie Waffen, Viren, Bakterien, bei Operationen vergessenen Gegenstände etc. beim ‘Reprint’ einfach weglassen konnten.

    Ihr Fazit bezieht sich auf unser aktuelles Weltbild. Aber warum sollte es nicht noch andere reproduzierbare Phänomene geben, von denen wir noch nicht das geringste ahnen? Haben wir nicht gerade erst angefangen, gewisse Grundlagen ansatzweise zu erforschen und zu verstehen?

  2. »Wenn wir von einem materialistischen Weltbild ausgehen,… «

    Herr Schulz, jetzt wo Sie das sagen… Das war mir nie so bewusst, dass die Star Trekker ja beinharte Materialisten sein müssen. Denn dass Geist und Seele beim beamen separat reisen würden, wird doch nirgendwo behauptet, oder?

    Dabei geht es da manchmal schon ganz schön geist-philosophisch zu. Diese Woche lief eine Folge, da hat Picard (schreibt der sich so?) dem Deter (?) erklärt, was die Menschen so über den Tod denken.

    Aber das mit Faxen finde ich gut 🙂

  3. 3D-Scanner genügt für Uploading

    Personen rüberfaxen geht also nicht, scannen bis auf molekulares Niveau ist aber nicht ganz ausgeschlossen.

    Doch schon dafür dürfte es genügend Interessenten geben. Heute schon lassen sich nicht wenige kurz vor oder nach ihrem Tod in flüssigem Stickstoff Kryo-Konservieren. In der Hoffnung, dass die Krankheit, die sie zu Fall brachte, in der Zukunft kuriert werden kann und sie wieder aufgeweckt werden.

    Für was aber den Körper krykonserviert aufbewahren, wenn ein vollständiger Datensatz schon genügt um diesen Körper digital zu rekonstruieren und ihm ewiges Leben in einem Simulationsprogramm zu verleihen. Zugegeben, die Datenmengen sind gigantisch und die Simulation von 10^26 oder mehr Atomen dürfte jeden heutigen Computer überfordern. Doch wofür hoffen wir auf Quantencomputer. Quantencomputer taugen doch zu allem und sicher zu mehr als nur dazu, die Zahl 42 zu berechnen (also the Answer to the Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything).

    Der deutschsprachige Artikel zum Mind-Uploading kümmert sich um einige Aspekte eines solcherartigen Weiterlebens

    Unter Mind-Uploading versteht man die Auslagerung der bewusstseinsrelevanten Teile des Gehirns in ein digitales Medium. Durch diesen Prozess könnte man zum einen eine digitale Alternative zur Kryonik als konservierende Maßnahme schaffen. Andererseits könnte es auch möglich sein, das gespeicherte Bewusstsein in einer digitalen virtuellen Welt zum „Leben“ zu erwecken.
    ….
    Für das Erlangen von Unsterblichkeit bietet die Methode des Uploading einen guten Sicherheitsvorteil, da man vor physischen körperlichen Schäden sicher wäre und man zusätzlich Backups auf räumlich verteilten digitalen Systemen speichern könnte.

    Seien sie nicht überrascht, wenn sie demnächst von der NASA kontaktiert werden: Es ist doch bestimmt billiger digitale Kopien von Astronauten ins All zu schicken als die realen Exemplare. Die digitalen Kopien brauchen nämlich weder Sauerstoff noch Wasser und auch kein WC.

  4. @ Balanus

    ‘dass die Star Trekker ja beinharte Materialisten sein müssen. ‘

    Ganz im Gegenteil.
    Das Institutional review board (Ethikkommission) kam unter Einbezug vulkanischer Experten überein, dass die Seele weder Körper- noch Ortsgebunden sei, und daher das Beamen auch für Lebewesen zugelassen werden kann.

  5. Eine Frage und eine Anmerkung:
    “Erschwerend wirkt, dass die Funktionalität der Zellen auch wesentlich von der Konzentration negativ und positiv geladener Atome und Moleküle, sowie von dem PH-Wert abhängt. Der Scanner muss also nicht nur in der Lage sein, die Dichteverteilungen in der Zelle abzubilden. Er muss auch Ladungen und Potentiale erkennen können, um die Funktionen der Zellen kopieren zu können.”
    Die Potentiale sind doch (über die Maxwell-Gleichungen) Funktionale der Ladungs- und Stromdichteverteilung, die sich wiederum aus den Positionen und Geschwindigkeiten der Elektronen/Atome/Moleküle ergibt (sofern deren Ladungen bekannt sind, was der Fall ist da die Art der Bausteine bekannt sein muss). Übersehe ich hier was oder verstehe ich nicht genau was Sie meinen?

    “Wir müssen das Beamen also nüchtern als das betrachten, was es ist: Ein Trick, die Besatzung der Enterprise schnell auf den Planeten zu bekommen, ohne Sendezeit mit langweiligen Shuttleszenen zu verschwenden.”
    Es gibt das Gerücht, dass das Beamen in Star Trek eingeführt wurde, um Kosten für das Filmen der Landesequenzen zu sparen. Findet sich beispielsweise hier http://de.wikipedia.org/…Technologie#Transporter .

  6. Der Heisenberg-Kompensator:

    Warum sind die Atome im Rastertunnelmikroskop (RTM) so scharf zu sehen?

    Die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation ist zwar nach wie vor uneingeschränkt wirksam, wirkt sich aber in gekühlten Kristallen dennoch nicht störend aus.

    Das erklärt sich aus dem Umstand, dass das Produkt aus Ort und Impuls niemals kleiner werden kann als h(quer) halbe, also h durch 4 mal Pi, wobei h = 6,6261 mal 10 hoch minus 34 Js (Plancksches Wirkungsquantum).

    Ein einzelnes, freies Atom ist in Ort und Impuls so unbestimmt (nicht: unbestimmbar), dass man von ihm kein klares Bild bekommen kann.

    Wird aber ein einzelnes Atom an die Oberfläche eines Monokristalls adsorbiert, dann geht die Masse des Monokristalls in die Gleichung für den Impuls ein (Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit).

    Deshalb kann das Atom bei nahe bei null liegenden Geschwindigkeiten auf Bruchteile eines Atomdurchmessers bestimmt sein, ohne das es deswegen einen zu kleinen Impuls haben müsste.

    Das hier ist er nicht:

    http://de.memory-alpha.org/…isenberg-Kompensator

  7. Das trifft jetzt aber nur zu, wenn man sich beamen als copy & paste (oder meinetwegen cut & paste) vorstellt, oder?

    Und wenn es „echter“ Transport ist? Z.B. Durch eine gezielte Krümmug der Raumzeit? Wäre sowas möglich?

  8. Ein paar Antworten

    @RD
    Selbstverständlich kann ich nicht in die Zukunft sehen. Aber wir wissen ja bereits sehr viel über die Wechselwirkungen der bekannten Materie. Gäbe es weitere Kräfte, über die normale Materie miteinander in Wechselwirkung treten kann, dann hätten wir sie in den präzisen Streuexperimenten längst gesehen.

    Man müsste also zusätzlich zu einer neuen Kraft einen Grund finden, warum sich diese Kraft so gut versteckt und wie wir sie dennoch nutzen können. Neutrinos verstecken sich ja ganz gut, aber das macht sie auch nutzlos.

    @Balanus
    Ich habe eher das Gefühl, dass die erste Generation Star Trek überzeugte Christen und die neue Generation Mystiker und Esoteriker sind. Deshalb meine Einschränkung hier: Wenn es eine vom Körper unabhängige Seele gibt, müssten wir zusätzlich eine Methode finden, die Seele zu transportieren. Dafür haben wir aber keinen Ansatzpunkt. Was ich nicht messen kann, kann ich auch nicht transportieren.

    @Martin Holzherr
    Für’s Uploading reicht es vermutlich, die Verschaltung der Nerven genau zu vermessen und verstehen. Dann kann man die gespeicherten Informationen vielleicht sogar auf andere “Hardware adaptieren”. Da gibt es andere SciFi drüber. Zum Beispiel 2010 von A.C. Clarke

    @tom
    Röntgenstreuung basiert hauptsächlich auf die Elektronendichte. Es ist sehr schwer, zum beispiel ein positiv geladenes Sauerstoffatom von einem neutralen Stickstoff zu unterscheiden. Beide haben sieben Elektronen. Natürlich ist es bei entsprechender Auflösung und Kenntnis der Chemie denkbar, so genau zu unterscheiden. Aber es erschwert die Aufgabe erheblich. Darauf wollte ich hinaus.

    @Karl Bednarik
    Rastersondenmethoden haben den Nachteil, dass sie mit elektrostatischen Nahfeldern arbeiten. Man muss mit einer metallischen Spitze auf atomaren Abstand an das zu messende Objekt herankommen. Diese Methoden eignen sich nur für Oberflächenanalyse. Man müsste sie Crew also in sehr dünne Scheiben schneiden. Ich schreibe gerne mal bei Gelegenheit etwas dazu.

    @Markus A. Dahlem
    Du spielst auf das Loch in meinem Schädel an? Das wurde mir in der Universitätsklinik Lund hineingebohrt. Einer der Gründe, warum mir deine Frisur nicht stehen würde 🙂

    @lupino
    Ja, echten Transport habe ich nicht in Betracht gezogen. So eine Art Personen-Warp? Müsste ich drüber nachdenken.

  9. @Jürgen
    Thxs, lieber Jürgen. Da war ich mit Deter klanglich doch schon nahe dran. Hätte man mich gefragt, hätte diese Figur in der deutschen Fassung ohnehin ‘Dieter’ geheißen.

    @RD
    Besten Dank auch Ihnen dafür, dass Sie mich auf den Boden der Tatsachen zurückgeholt haben. Es wäre aber auch zu schön gewesen… Wie konnte die Ethikkommission nur sicher sein, dass die Seele immer zu ihrem Besitzer zurückfindet? Was wissen die Vulkanier, was wir nicht wissen…? .

    @Joachim
    Ich habe zwar nie eingehend darüber nachgedacht, aber ich bin auch immer von einer absolut exakten Übertragung aller Atome ausgegangen, damit eine Person zu 100% rekonstruiert werden kann. Aber ich denke, es stimmt, so genau muss es nicht sein, auf der atomaren Ebene wird eh alles extrem diffus. Aber zu ungenau sollte es wohl auch nicht sein, wegen der vielen Wiederholungen (des Beamens, nicht der Star-Trek-Folgen).

  10. Hallo Joachim Schulz,

    Man müsste die zu analysierende Person vollständig in isotonische Kochsalzlösung einbetten, und mit Hilfe von flüssigem Stickstoff schnell einfrieren.

    Dann tastet man die Oberflächenschicht dieses Eisblocks mit einer atomar genauen Rastersondenspitze ab, um die Lage der einzelnen Moleküle zu bestimmen.

    Danach zieht man die einzelnen Moleküle elektrostatisch mit der Rastersondenspitze aus der Oberfläche des Eisblocks heraus.

    Dadurch kann man diese Moleküle bei Bedarf noch genauer untersuchen und für die Informations-Kompression katalogisieren.

    Ausserdem wird dadurch auch nach und nach eine neue monomolekulare Oberflächenschicht frei gelegt, die man dann wieder abtasten kann.

    In der Empfangs-Station findet der gleiche Vorgang in der umgekehrten Reihenfolge statt, und natürlich auch bei tiefer Temperatur.

    Bei dieser Gelegenheit kann man auch gleich die Frostschäden, die durch die Eiskristalle entstanden sind, reparieren.

    Danach benötigt man nur noch eine Erwärmung durch Diathermie mit tief eindringenden Langwellen, und einen Defibrillator zum Starten der Herztätigkeit.

    Auf ähnliche Weise könnte man dann auch vielleicht kryonisch konservierte Menschen reparieren, heilen, und dann zum Leben erwecken.

    Ich würde das alles aber lieber zu erst an einem Pantoffeltierchen ausprobieren.

    Ich empfehle die folgenden Seiten:

    Cornell researchers probe secrets of chemical bonding by assembling molecules one at a time:

    http://www.news.cornell.edu/…9/molecules.ws.html

    Molecules in Motion, Imaging DNA with the Scanning- Force Microscope in Aqueous Solutions:

    http://malone.bioquant.uni-heidelberg.de//publi

  11. @Karl

    Wenn man 10 Milliarden Atome pro Sekunde mit dieser Technik einlesen/abtragen könnte, dann würde das Einscannen so lange dauern wie vom Urknall bis jetzt.

  12. Hallo Physiker,

    Normalerweise hat eine menschliche Zelle eine Kantenlänge von rund 100.000 (10 hoch 5) Atomdurchmessern (100.000 Angström, 10.000 Nanometer, 10 Mikrometer).

    Eine Zelle hat also rund 1.000.000.000.000.000 (10 hoch 15) Atome, und die Querschnittsfläche der Zelle hat deshalb rund 10.000.000.000 (10 hoch 10) Atome.

    Wenn eine Rasterkraftsonde 1.000 mal 1.000 Atome abtasten kann, also 1.000.000 (10 hoch 6) Atome, dann benötigt man 10.000 (10 hoch 4) Abtaster für eine Zellquerschnittsfläche.

    Für medizinische Zwecke ist es schon nützlich, eine einzige Zelle herzustellen, denn man kann diese danach durch Zellteilung vermehren.

    Ein Mensch besteht maximal aus 10 hoch 28 Atomen.

    Da ist natürlich eine hochgradige Parallelität der Abtaster notwendig.

    Wenn der Eisblock 0,3 Meter dick ist, (man muss ja nicht von Kopf bis Fuss, sondern man kann ja auch von vorne nach hinten scannen,) dann wären das 300.000.000 (3 mal 10 hoch 8) Nanometer oder 3.000.000.000 (3 mal 10 hoch 9) Angström oder Atomdurchmesser.

    Bei 1.000 Schichten pro Sekunde wäre man schon nach 3.000.000 Sekunden oder 35 Tagen damit fertig.

    Eine sehr einfache Vorstufe dafür ist der Millipede mit 4000 Spitzen:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Millipede

  13. Weitere Details:

    Hohlräume, Luftblasen und Gasblasen sollte man im Original vermeiden.

    Beim Scannen des Originals würden durch Hohlräume Ungenauigkeiten in der Positionierung auftreten.

    Beim Rapid Prototyping der Kopie würden durch Hohlräume Hinterschneidungen oder Überhänge auftreten.

    Nach der Narkose und vor dem Einfrieren muss man deshalb alle Hohlräume mit einer Flüssigkeit auffüllen.

    Für Stirnhöhlen, Nebenhöhlen, Mittelohren und den Verdauungstrakt ist die isotonische Kochsalzlösung am besten geeignet.

    Für die Atmungsorgane ist aber LiquiVent (Perfluorooctylbromid, C8F17Br) besser geeignet, weil es dort leichter verträglich ist.

    Falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des LiquiVent Schwierigkeiten bereitet, dann kann man auch für die Atmungsorgane isotonische Kochsalzlösung verwenden.

    Weil man ohnehin bei -196 °C oder weniger arbeitet, bietet sich als Schwingungsdämpfung das Schweben über einem Supraleiter an.

    Die Daten kann man vielkanalig optisch übertragen (viele tausend Laserdioden), und die Energie durch Induktionsschleifen.

    Auf diese Weise besteht keinerlei mechanische Verbindung zwischem dem Orignal mitsamt dem Scanner und der restlichen Welt.

    Über Wassereis von -196 °C herrscht sozusagen ein mit Wasserdampf gesättigtes Hochvakuum (wie ist wohl der Partialdruck?).

    Bei atomaren Abständen kann man schon mit sehr geringen Spannungen sehr hohe Feldstärken erreichen.

    Das hat den Vorteil, dass man nie in die Nähe einer Ionisationsspannung kommt.

    Weil die kovalenten Atombindungen normalerweise viel stärker als die Van-der-Waalschen Nebenvalenzkräfte sind, wird man praktisch immer Moleküle und nicht einzelne Atome elektrostatisch aus der Oberfläche ziehen.

    Falls die Moleküle zu fest in die Matrix aus Wassereis eingebettet sind, dann hilft eine lokale Erwärmung durch den Tunnelstrom.

    Die genaue Lage der Wassermoleküle ist ohnehin nicht wichtig.

    Am besten wird es sein, wenn der Scanner aus mehreren Milliarden Nanomaschinen aufgebaut ist.

  14. Faszinierend

    Danke für diesen erhellenden Beitrag über das beamen.
    Ursprünglich wurde bei Star Trek beamen, soweit ich weiß, nur eingeführt, weil man Kosten für aufwendige Landesequenzen mit Raumfähren sparen wollte. Die Serie sollte, vor allem am Anfang, als ihr Erfolg noch im wahrsten Sinn des Wortes in den Sternen stand, möglichst billig produziert werden.

    Und da hatte man wohl durchaus eine interessante Möglichkeit der Kostenersparnis gefunden. Ich gehe durchaus davon aus, dass es auch das beamen war, welches den Erfolg der Serie bis heute begründete. Jedenfalls würden wir heute sicher nicht über die Raumfähren der Serie diskutieren, oder?

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