Auf die Größe kommt es an: Skaleneffekte, vom ganz Großen bis zum ganz Kleinen – Welt der Physik

Vor 3 Jahren betrug in den USA die Gesamtleistung von vier starken Pferden, die an einen Pflug gespannt waren, nicht mehr als 120 Kilowatt – und mehr als die Hälfte aller Arbeitskräfte arbeitete auf Bauernhöfen. Heute leistet selbst der kleinste John-Deere-Traktor 1.3 Kilowatt und etwa 40 % der Arbeitnehmer sind in der Landwirtschaft beschäftigt. Das bedeutet, dass sich die Leistung landwirtschaftlicher Maschinen in dieser Zeit um das Vierzigfache vervielfachte und die Zahl der ländlichen Arbeitskräfte um das Vierzigfache geteilt wurde – was alles kein Zufall ist.

Im Transportwesen können sowohl moderne Schiffe als auch große Verkehrsflugzeuge bis zu 90 Megawatt erzeugen. Damit sind sie fast 1000-mal leistungsstärker als ein typischer Kleinwagen und 100,000-mal leistungsstärker als ein Wasserrad aus dem 19. Jahrhundert. Und dabei handelt es sich nicht einmal um die leistungsstärksten Maschinen überhaupt: Manche Dampfmaschinen, die Strom erzeugen, leisten mittlerweile 1000 Megawatt. Abgesehen von den Umweltauswirkungen haben diese enormen Machtzuwächse zu einem Überangebot an Nahrungsmitteln und erschwinglichen Konsumgütern in einer weitgehend städtischen Gesellschaft mit verbessertem Zugang zu Informationen und Mobilität geführt.

Der tschechisch-kanadische Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger Vaclav Smil analysiert dieses Größen- und Machtwachstum in seinem neuesten Buch Größe: Wie sie die Welt erklärt. Smil ist ein produktiver Autor, der bereits mehr als 40 Bücher zu Themen veröffentlicht hat, die von Energie und Nahrungsmittelproduktion bis hin zu technischer Innovation und öffentlicher Politik reichen. In diesem Werk greift er einige dieser Gebiete erneut auf und verknüpft sie mit einer Diskussion über die Größe, wobei es vielleicht zutreffender wäre zu sagen, dass es in dem Buch um Proportionen geht.

Größe ist nicht so trivial wie einfach eine Liste von Dingen, die im Laufe der Jahrhunderte sehr umfangreich geworden sind. Die physikalischen Grenzen dieses Wachstums werden diskutiert – die Größe von Öltankern wird beispielsweise oft in der Tragfähigkeit (dwt) ausgedrückt, und die Größe dieser Schiffe stieg stetig von etwa 20,000 dwt nach dem Zweiten Weltkrieg auf etwa 300,000 dwt die 1970er Jahre. Es gibt keine technischen Einschränkungen, sie mehr als doppelt so groß zu machen, und doch ist das noch nicht geschehen. Smil weist darauf hin, dass dies daran liegt, dass nur eine Handvoll Tiefwasserhäfen auf der Welt solche Megaschiffe aufnehmen können und sie weder den Suez- noch den Panamakanal passieren könnten.

Am anderen Ende der Größenskala diskutiert Smil Moores Gesetz, in dem der Ingenieur Gordon Moore 1965 die rasche Verdoppelung der Anzahl der auf einem Mikrochip untergebrachten Komponenten vorhersagte. Eine grafische Darstellung der Anzahl der Transistoren im Zeitverlauf zeigt, dass das Gesetz viele Jahrzehnte lang beibehalten wurde, seit 2008 jedoch eine leichte Abschwächung zu verzeichnen ist. Smil führt dieses Nachlassen auf die Arbeit des US-amerikanischen Elektroingenieurs Robert Dennard zurück, der dies gezeigt hat Wenn Transistoren kleiner werden, können sie schneller laufen, ohne dass sich der Gesamtstromverbrauch erhöht – dieser Skalierungseffekt stieß jedoch bereits in den 1990er Jahren an seine Grenzen. Zukünftige Verbesserungen können auch durch die natürlichen Grenzen der Lithographie, der weit verbreiteten Lichtdrucktechnik, und durch die enormen Investitionen, die für die Entwicklung einer neuen Produktionsanlage erforderlich sind, kontrolliert werden.

Größe geht auch über die bloße Analyse von Technologie hinaus. In einem Versuch, den menschlichen Maßstab in allen Aspekten des Designs zu würdigen, beginnt Smil mit einer ausführlichen Diskussion der Giganten, denen man begegnet Gullivers Reisen. Wir erfahren, dass – trotz Jonathan Swifts Versuchen, seine fiktive Welt einigermaßen plausibel aufzubauen – ein modernes Verständnis von Materialien zeigt, dass seine Riesen nicht in der Lage gewesen wären, aufrecht zu gehen. Schlimmer noch, ihr Masse-zu-Oberflächen-Verhältnis hätte es ihnen sehr schwer gemacht, sich abzukühlen, ein Problem, das sich bei den deutlich kleineren Liliputanern widerspiegelte, die fast ständig essen mussten, um ihre Körpertemperatur aufrechtzuerhalten.

Der Schrotflintencharakter der Themen im Buch könnte verhindern, dass am Ende eine zusammenhängende These präsentiert wird – aber dafür ist es nicht weniger unterhaltsam. Die ausführliche Diskussion über Normalverteilungen und ihre Anwendung auf so unterschiedliche Themen wie die Einkommensverteilung und die Körpergröße von Basketballspielern ist sowohl informativ als auch unterhaltsam. Mir hat auch der Abschnitt über den menschlichen Körper und die wahrgenommene Attraktivität gefallen, der zu einer Analyse darüber führt, wie wir in Gemälden dargestellt werden. Das wiederum führt uns zu einer wunderbaren Schimpftirade über die angebliche Allgegenwärtigkeit des „Goldenen Schnitts“ in Kunst und Design. Smil nähert sich diesem Konzept mit einiger Skepsis und kommt zu dem Schluss, dass das sogenannte Verhältnis nicht präzise als Bruch ausgedrückt werden kann und daher nicht einmal wirklich ein Verhältnis ist.

Alles in allem vermute ich, dass es viele sind Physik-Welt Die Leser würden sich freuen, wenn dieses Buch unter dem Weihnachtsbaum auf sie wartet. Tatsächlich wäre es perfektes Lesematerial für jeden, der Freude an einer mathematischen Analyse der Welt um sich herum hat und ein wenig Freizeit hat.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/size-matters-the-economies-of-scale-from-the-very-big-to-the-very-small/