Über den möglichen Einsatz hydraulischer Kraft zur Unterstützung beim Bau der Stufenpyramide von Sakkara

Originalartikel: Xavier Landreau, Guillaume Piton, Guillaume Morin, Pascal Bartout, Laurent Touchart, Christophe Giraud, Jean-Claude Barre, Cyrielle Guerin, Alexis Alibert, Charly Lallemand. On the possible use of hydraulic force to assist with building the step pyramid of saqqara. PLOS ONE, 2024. DOI: 10.1371/journal.pone.0306690

Zusammenfassung

Die Stufenpyramide des Djoser in Sakkara, Ägypten, gilt als die älteste der sieben monumentalen Pyramiden, die vor etwa 4.500 Jahren errichtet wurden. Durch eine transdisziplinäre Analyse wurde festgestellt, dass beim Bau der Pyramide möglicherweise ein hydraulischer Aufzug eingesetzt wurde. Auf Grundlage unserer Kartierung der nahegelegenen Wassereinzugsgebiete zeigen wir, dass eine der bisher unerklärten massiven Strukturen von Sakkara, die Einfriedung Gisr el-Mudir, Merkmale eines Rückhalte- beziehungsweise Sperrdamms besitzt, der Sedimente und Wasser zurückhalten sollte. Die Topografie hinter dem Damm deutet auf einen möglichen ephemeren See westlich des Djoser-Komplexes sowie auf Wasserfluss innerhalb des ihn umgebenden „Trockenen Grabens“ hin. Im südlichen Abschnitt des Grabens zeigen wir, dass die monumentale lineare, in den Fels gehauene Struktur aus aufeinanderfolgenden tiefen Kammern die technischen Anforderungen einer Wasseraufbereitungsanlage vereint: ein Absetzbecken, ein Rückhaltebecken und ein Reinigungssystem. Zusammen bilden Gisr el-Mudir und der innere südliche Abschnitt des Trockenen Grabens ein einheitliches hydraulisches System, das die Wasserqualität verbessert und den Abfluss für praktische Zwecke und menschliche Bedürfnisse reguliert. Schließlich stellten wir fest, dass die innere Architektur der Stufenpyramide mit einem bislang nie beschriebenen hydraulischen Hebemechanismus übereinstimmt. Die antiken Architekten könnten die Steine vom Zentrum der Pyramide aus in einer Art „Vulkan“-Bauweise angehoben haben, indem sie sedimentfreies Wasser aus dem südlichen Abschnitt des Trockenen Grabens nutzten. Die alten Ägypter sind für ihre Pionierleistungen und ihre Beherrschung der Hydraulik bekannt, etwa durch Kanäle zur Bewässerung und Lastkähne zum Transport riesiger Steine. Diese Arbeit eröffnet eine neue Forschungslinie: den Einsatz hydraulischer Kraft zur Errichtung der massiven Bauwerke der Pharaonen.

GRAFIKEN: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0306690#

1 Einleitung

Der um 2680 v. Chr. in Sakkara in Ägypten errichtete Grabkomplex König Djosers gilt als bedeutender Meilenstein der Monumentalarchitektur. Er weist erstmals zwei entscheidende Neuerungen auf: die Pyramidenform für das Grab des Pharaos und die ausschließliche Verwendung vollständig zugerichteter Steine für das Mauerwerk. Praktisch gesehen ist er auch revolutionär in der Fähigkeit, Millionen von Steinen zu gewinnen und anzuheben, bevor sie präzise aufeinandergeschichtet wurden [1]. Die sichtbaren Leistungen des Djoser-Komplexes waren so eindrucksvoll, dass sein Architekt, Wesir und Hohepriester des Re, Imhotep, im Neuen Reich vergöttlicht wurde.

Das Wissen und die Innovationen, die im Totentempelkomplex Djosers umgesetzt wurden, beeinflussten spätere Entwicklungen tiefgreifend und wurden während der III. und IV. Dynastie des Alten Reiches, also etwa 2680–2460 v. Chr., breit weiterentwickelt und perfektioniert. Diese Entwicklungen führten zu einer erheblichen Zunahme der Größe der Megalithen [2] und zu Pyramiden von spektakulären Ausmaßen, etwa auf den Plateaus von Meidum, Dahschur und Gizeh. In weniger als 150 Jahren vervielfachte sich das durchschnittliche Gewicht der typischen großen Steine um etwa den Faktor 8: von rund 300 kg bei Djosers Pyramide auf mehr als 2,5 Tonnen bei den Strukturblöcken der Chephren-Pyramide [3]. Bei den größten Sturzsteinen stieg das Gewicht um zwei Größenordnungen, mit mehreren Blöcken von etwa 50 bis 100 Tonnen in der Cheops-Pyramide. In diesem nach historischen Maßstäben kurzen Zeitraum transportierten und hoben die Ägypter rund 25 Millionen Tonnen Stein [4], um sieben monumentale Pyramiden zu errichten. Geht man von einem jährlichen Arbeitsplan von 300 Tagen zu je 10 Stunden aus, also von 450.000 Stunden über weniger als 150 Jahre, erforderte dies eine technische und logistische Organisation, die im Durchschnitt etwa 50 Tonnen Steinblöcke pro Stunde schneiden, bewegen und anpassen konnte. Selbst wenn man annimmt, dass nicht jeder Block einer Pyramide millimetergenau eingepasst wurde, bleibt die geleistete Arbeit bemerkenswert. Interessanterweise wurden die später in Ägypten errichteten Pyramiden mit der Zeit kleiner und erreichten nie wieder das Volumen der Monumentalbauten des Alten Reiches.

Da authentische Quellen aus dem Arbeitsumfeld der Pyramidenarchitekten derzeit fehlen, existiert bislang kein allgemein akzeptiertes ganzheitliches Modell des Pyramidenbaus. Zwar haben zahlreiche detaillierte Veröffentlichungen zu Pyramidenbauverfahren greifbare Elemente geliefert [5, 6], doch erklären sie meist jüngere, besser dokumentierte, aber auch kleinere Pyramiden [7]. Zu diesen Techniken könnten Rampen, Kräne, Winden, Kipphebevorrichtungen, Flaschenzüge, Hebel oder Kombinationen daraus gehört haben [8–10]. Untersuchungen der Pyramidenbaustellen zeigten außerdem ein hohes Maß an Fachwissen im Umgang mit hydraulischen und hydrologischen Rahmenbedingungen, etwa durch Nutzung von Wasserwegen zur Materialanlieferung, den Bau von Häfen und Schleusen oder die Einrichtung von Bewässerungssystemen [11, 12]. Diese Leistungen veranlassten einige Forschende, das alte Ägypten als „frühe hydraulische Zivilisation“ zu bezeichnen [11]. Tatsächlich gibt es jedoch nur sehr wenige multidisziplinäre Analysen, die die reichen archäologischen Funde zu den Pyramiden mit Disziplinen wie Hydrologie, Hydraulik, Geotechnik, Paläoklimatologie oder Bauingenieurwesen verbinden [9]. Daher bleibt das Thema Wasserkraft im Kontext des Pyramidenbaus in der wissenschaftlichen Literatur bislang unzureichend behandelt.

Eine zweite Frage verstärkt das Rätsel zusätzlich: Die Pharaonen, die diese Pyramiden errichteten, fehlen. Bis heute berichtet weder eine schriftliche Quelle noch ein physischer Nachweis von der Entdeckung eines Pharaos der III. oder IV. Dynastie. Die Räume der „großen“ Pyramiden des Alten Reiches wurden in den Jahrtausenden nach dem Bau der Pyramiden angeblich geplündert [13–15], sodass nur wenige Spuren zurückblieben [12]. Die Räume der III. und IV. Dynastie zeigen wenige oder keine Bestattungsmerkmale, wie sie in zeitgleichen Gräbern anderer hochrangiger Persönlichkeiten beobachtet werden [16, 17], und es wurden keine königlichen Überreste darin gefunden. Zudem weisen die Wände der Pyramidenkammern keine Hieroglyphen, Malereien, Gravuren oder Zeichnungen auf, anhand derer sie mit Sicherheit als funerär eingestuft werden könnten. Trotz dieses Mangels an Belegen vertreten viele Autoren [18] weiterhin die Ansicht, diese Räume seien vor allem aufgrund königlicher Kartuschen oder Königsnamen, die andernorts in der Pyramide oder in nahegelegenen Tempeln gefunden wurden, als Pharaonengräber anzusehen.

In den letzten Jahren gehörten Dormion & Verd’Hurt [19, 20], Hamilton [21–24] und andere [1, 25] zu den ersten, die mögliche nicht-funeräre Funktionen der inneren Anordnung von Pyramiden in Betracht zogen, indem sie auf architektonische Unstimmigkeiten hinwiesen und den hohen Komplexitätsgrad mehrerer Strukturen betonten, der für eine Grabkammer irrelevant erscheint. Ihre Analysen gaben sowohl Kammern als auch Galeriesystemen eine technische Dimension und unterstrichen ein bemerkenswertes ingenieurtechnisches Niveau der antiken Baumeister, das sich mitunter jeder naheliegenden Erklärung entzieht. Dieses technische Niveau zeigt sich zugleich in der Geometrie der Räume und Kanäle sowie in der Steinbearbeitung, einschließlich Materialauswahl, Gewinnung, Zuschnitt und anschließender äußerst präziser Montage [20]. Diese Präzision umfasste mehrere fortgeschrittene Teiltechniken, etwa die Herstellung von Mörtelfugen zwischen Blöcken [26–29] oder das Polieren von Stein mit Ebenheits- und Rauheitswerten, die heutiges Fachwissen erreichen. Neben Oberflächen und Schnittstellen zeigt sich die technische Fähigkeit der Baumeister auch in ausgefeilten mechanischen Systemen innerhalb der Pyramiden [30], etwa in drehbaren Steinflügeln der Meidum- und Knickpyramide [21, 24] oder in geneigten Fallsteinen in der Knickpyramide sowie in Gizeh [20]. Diese Elemente legen nahe, dass die alten Ägypter mit manchen Wänden, Tunneln, Korridoren, Schächten und Kammern eher technische Funktionen verfolgten als eine ästhetische Gestaltung oder funeräre Nutzung, insbesondere dort, wo einfachere vorhandene Techniken nicht ausreichten.

Zusammenfassend scheint die Analyse des Pyramidenbaus und die Untersuchung ihrer inneren Strukturen weitere Forschung zu erfordern, um eine ganzheitliche Erklärung ihres Zwecks zu liefern. Diese Studie möchte diese Themen mit einem alternativen, multidisziplinären und ganzheitlichen Ansatz neu betrachten. Sie untersucht die Baumethodik der Pyramiden des Alten Reiches erneut und versucht, die Bedeutung der inneren Anordnungen während des Baus zu erklären. Auf Grundlage des aktuellen archäologischen Wissens zeigen wir, dass die Topografie von Sakkara und die Anordnung mehrerer Strukturen mit der Hypothese übereinstimmen, dass ein hydraulisches System zum Bau der Pyramide verwendet wurde. Der Artikel ist in drei Hauptabschnitte gegliedert, die die aktuelle wissenschaftliche Literatur analysieren, um folgende Fragen zu behandeln: (i) Wurde das Plateau von Sakkara mit Wasser versorgt? (ii) Falls ja, wie wurde es möglicherweise gespeichert und aufbereitet? Und (iii) wie wurde es zum Bau der Pyramide genutzt? Es folgen eine Diskussion sowie abschließende Bemerkungen und Perspektiven.

2 Das hydrologische Netzwerk von Sakkara

Unsere Studie begann mit der Annahme, dass die größeren Pyramiden des Cheops und Chephren auf dem Plateau von Gizeh Ergebnisse eines technischen Fortschritts gegenüber früheren Pyramiden waren, wobei die Stufenpyramide als technologischer Vorläufer diente. Während viele Literaturstudien den Bau der Cheops-Pyramide in den Mittelpunkt stellen, hielten wir es für sinnvoller, zunächst die beim Bau der Stufenpyramide verwendeten Techniken zu untersuchen. Dies kann Einblicke in Verfahren geben, die antike Baumeister nutzten und die später bei nachfolgenden Pyramiden verfeinert wurden. Als ersten Ansatz analysierten wir mögliche Gründe für die gezielte Errichtung des Komplexes König Djosers auf dem Plateau von Sakkara.

2.1 Wasserressourcen aus den Wüstenwadis

Obwohl detaillierte Messungen der Nilhochwasserstände seit der V. Dynastie (2480 v. Chr.) überliefert sind [31–33], gibt es nur sehr wenige Informationen über die Hydrologie seiner Wüstenzuflüsse, die im alten Ägypten als „Wadis“ bekannt waren. Sedimentologische Belege für starke Regenfälle und Sturzfluten existieren [31, 34], doch darüber hinaus ist wenig bekannt.

Die Bestimmung des Niederschlagsregimes, das die Region Sakkara vor etwa 4.700 Jahren vor heute erlebte, ist schwierig und unsicher. Frühere Studien zeigten, dass die gesamte Sahara während der sogenannten „Grünen Sahara“ von etwa 11.000 bis 5.000 Jahren vor heute wesentlich feuchter war als heute und dass die Landschaft eher Savanne als Wüste war [35, 36]. Auch die östliche Mittelmeerregion war um 4.500–4.800 Jahre vor heute feuchter als heute, auch wenn sie später austrocknete [37–39]. Für die folgende Berechnung wird ein jährlicher Niederschlagsbereich von 50–150 mm/Jahr angenommen, um grobe Berechnungen der Wasserressource vorzunehmen. Dieser Bereich umfasst die mehr als 150 mm/Jahr, die Kuper & Kropelin [40] für das Ende der Grünen Sahara vor der anschließenden trockeneren Periode vorschlagen, in der der Niederschlag auf unter 50 mm/Jahr sank. Die Variabilitätsspanne, also 50 bis 150 mm/Jahr, stimmt auch mit der typischen interannualen Niederschlagsvariabilität überein, die in der Region beobachtet wird [38].

Aktuelle hydrologische Messungen an ägyptischen Wadis weiter nördlich mit vergleichbaren Jahresniederschlägen (100–200 mm/Jahr) zeigten, dass nur 1–3 % dieses mittleren Jahresniederschlags als Abfluss, also als Oberflächenwasser, gemessen wurden [41]. Dieser Durchschnittsbereich wird im Folgenden für konservative Erstabschätzungen des verfügbaren Wasservolumens verwendet, das nachfolgend als „Wasserressource“ bezeichnet wird. Zu beachten ist, dass seltene, besonders intensive Ereignisse 50 mm Niederschlag erreichen und zerstörerische Sturzfluten auslösen können, bei denen Abflusskoeffizienten von bis zu 30 % gemessen wurden, also eine Größenordnung über dem Jahresmittel [41–43]. Ebenfalls zu beachten ist, dass diese Schätzungen der Wasserressource und der Sturzfluthydrologie außer Acht lassen, dass die Böden unmittelbar nach der Grünen Sahara, nach mehreren Jahrtausenden feuchteren Klimas und savannenartiger Landschaft, wahrscheinlich reicher an Ton und Schluff waren [35, 36], was den Abflusskoeffizienten und die verfügbare Oberflächenwasserressource in den Wadis erhöhen würde.

2.2 Der Standort Sakkara: ein Plateau mit Wasserversorgung

Die Nekropole von Sakkara liegt auf einem Kalksteinplateau am Westufer des Nils, etwa 180 km vom Mittelmeer entfernt ([Fig 1]). Der gesamte Standort befindet sich in der Wüste, weniger als zwei Kilometer vom Rand des Plateaus entfernt (Höhe 40–55 m ASL — Above Sea Level), das die Nilauen überragt (Höhe ≈ 20 m ASL). Weiter westlich steigt die Wüste über etwa 20 km sanft an (Höhe der Hügelkuppen ≈ 200–300 m ASL).Fig 1. Allgemeine Lage des Djoser-Komplexes in Sakkara (Einschub) und Entwässerungsgebiet des Abusir-Wadis westlich der Einfriedung Gisr el-Mudir. (Satellitenbild: Airbus Pléiades, 2021-07-02, reprinted from Airbus D&S SAS library under a CC BY license, with permission from Michael Chemouny, original copyright 2021).

Die Gründe für die Errichtung des Djoser-Komplexes in Sakkara bleiben unklar. Der Beitrag wirtschaftlicher, sozio-politischer und religiöser Faktoren wurde bereits hervorgehoben [44, 45], doch auch Umweltfaktoren könnten einflussreich gewesen sein. 2020 lieferte Wong Hinweise darauf, dass Klima, Geologie und Hydrologie die Bauentscheidungen beeinflusst haben und zur Entstehung der Steinarchitektur auf dem Plateau von Sakkara beigetragen oder sie möglicherweise beschleunigt haben könnten [37].

Aus geologischer Sicht wurde die geschichtete Struktur des Kalksteins in Sakkara tatsächlich als günstiger Faktor für die Gewinnung großer Mengen von Bausteinen hervorgehoben [46, 47]. Diese Schichten, die aus 30–60 cm mächtigen sandreichen kalkigen Bänken im Wechsel mit kalkigem Ton und Mergellagen bestehen, erleichterten es, Kalksteinblöcke durch vertikale Schnitte aus ihrem Muttergestein zu lösen; die ursprüngliche Schichtmächtigkeit spiegelt sich in der Dicke der Bausteine des Djoser-Komplexes wider.

Aus hydrologischer Sicht gilt das Abusir-Wadi als zweiter Umweltfaktor, der zumindest die frühdynastische Entwicklung der Nekropole von Sakkara stark beeinflusste [45, 48–50]. Das Abusir-Wadi ist der ephemere Wasserlauf, der die Hügel westlich von Sakkara entwässert ([Fig 1]). Vor dieser Studie konzentrierte sich die akademische Forschung hauptsächlich auf den stromabwärtigen Teil des Wadis [45, 48–50], nämlich den nördlich des Sakkara-Plateaus gelegenen Abusir-See [51]. Der obere Abschnitt blieb dagegen undokumentiert.

Um die Beziehungen zwischen dem Abusir-Wadi und dem Bauprojekt der Stufenpyramide zu analysieren, wurden die Entwässerungsnetze westlich des Gebiets von Sakkara nach unserem Kenntnisstand erstmals mithilfe verschiedener Satellitenbilder ([Fig 1]) und digitaler Höhenmodelle kartiert (siehe S1 Fig in [S2 File]).

Oberhalb der Struktur Gisr el-Mudir lässt sich als Ursprung des Abusir-Wadis ein Paläo-Entwässerungssystem identifizieren ([Fig 1], rosa Linie). Die Grenzen dieses Abflusssystems bilden ein bislang nicht beschriebenes Einzugsgebiet, das jedoch anhand geomorphologischer Spuren von Oberflächen-Paläokanälen in der Wüste und auf historischen Karten leicht erkennbar ist [52]. Obwohl es derzeit eine Fläche von 15 km² besitzt, kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Wasserscheiden durch Landveränderungen und äolische Sandablagerungen in den vergangenen 4.500 Jahren verschoben und verändert haben.

Der heutige Scheitelpunkt des Einzugsgebiets liegt bei etwa 110 m ASL und verleiht dem Abusir-Wadi auf etwas mehr als 6 km Länge ein durchschnittliches Gefälle von 1 %. In der Hydrologie gilt ein Gefälle von 1 % als „recht steil“. Bei derart steilen Hängen ist bei Sturzfluten mit dem Transport von Sand und Kies zu rechnen, was stromabwärts schwere Schäden verursachen kann (Auskolkung oder Verschüttung von Bauwerken, Auffüllen von Ausgrabungen und Wasserflächen). Zum Vergleich: Bewässerungskanäle sind mindestens zehnmal weniger steil (etwa 0,1 %), und das Gefälle des Nils beträgt weniger als 0,01 % (weniger als 200 m Höhenunterschied zwischen Assuan und Kairo).

2.3 Das Wadi Taflah: eine mögliche ergänzende Wasserversorgung

Ein ehemaliger Nebenfluss des Nils, der seit dem frühen 19. Jahrhundert als Bahr Bela Ma [53, 54] oder „Wadi Taflah“ beschrieben wird, verlief parallel zum Einzugsgebiet des Abusir-Wadis, weniger als zwei Kilometer südlich des Sakkara-Plateaus. Anhand von Satellitenbildern stellten wir fest, dass das Wadi Taflah aus einem Entwässerungsgebiet von fast 400 km² hervorgeht und aus drei Hauptarmen besteht ([Fig 2], nummerierte schwarze Punkte), die noch immer in den geomorphologischen Spuren der Wüste erkennbar sind. Dieses Netzwerk ist auch in den von Paillou [55] bereitgestellten Radarbildern sichtbar, die mehrere Meter Sand durchdringen können (S2 Fig in [S2 File]). Die Ähnlichkeit der optischen und radarbildlichen Entwässerungsmuster bestätigt die Existenz und das hohe Alter dieses hydrologischen Netzwerks.Fig 2. Entwässerungsgebiet des Wadi Taflah, etwa 2 km südlich des Djoser-Komplexes. (Satellitenbild: Airbus Pléiades, 2021-07-02, reprinted from Airbus D&S SAS library under a CC BY license, with permission from Michael Chemouny, original copyright 2021).

Obwohl in den Satellitendaten kein Kanal erkannt wurde, ist die Nähe des Abusir-Wadis zum Wadi Taflah ([Fig 2]) bemerkenswert und wirft die Frage nach einer möglichen antiken künstlichen Verbindung zwischen beiden auf. Nach den von Savary veröffentlichten Karten des 18. Jahrhunderts [54] wurde das Wadi Taflah von „einem alten König Ägyptens geschlossen“. Ein solcher, wenn auch unpräziser Hinweis könnte auf die Errichtung einer Wasserumleitung durch einen früheren Herrscher hindeuten. Eine geophysikalische Untersuchung könnte helfen, eine solche Struktur zu finden, falls sie existiert. Das Entwässerungsgebiet des Wadi Taflah umfasst nahezu 400 km² in einer Höhe von mehr als 58 m ASL. Diese Höhe reicht aus, um eine Umleitung des Entwässerungsgebiets in Richtung Abusir-Wadi zu ermöglichen. Dadurch würde sich die entwässerte Fläche und damit die verfügbare Wasserressource um einen Faktor von mehr als 25 erhöhen. Auf Grundlage der in Abschnitt 2.1 beschriebenen hydrologischen Bedingungen wird die Wasserressource aus dem Abusir-Wadi und dem Wadi Taflah grob auf 7.500 bis 68.000 m³/Jahr beziehungsweise 200.000 bis 1.800.000 m³/Jahr geschätzt.

2.4 Das Abusir-Wadi: ein strukturbildendes Element in der frühdynastischen Entwicklung Sakkaras

Nach der Topografie von Sakkara ([Fig 3]) verlief das Abusir-Wadi durch die Einfriedung Gisr el-Mudir, bevor es nach Norden in Richtung Nilauen weiterfloss, wo es einst einen Altwassersee, den Abusir-See, speiste [51]. An dieser Stelle stauen die Mauern von Gisr el-Mudir buchstäblich die gesamte Breite des Abusir-Wadi-Tals. Die spärliche Vegetation, die nur im Talboden oberhalb von Gisr el-Mudir und sonst nirgends in der Gegend wächst, belegt diese Stauwirkung und das Abfangen von Oberflächen- und Untergrundabflüssen ([Fig 4A], grüne Linie). Dieses leicht feuchte Gebiet wird von Pflanzen dominiert, die typischerweise an Wüstenrändern und in Wadis vorkommen, etwa Panicum thurgidum und Alhagi graecorum [56], und ist charakteristisch für hypodermische Abflüsse.Fig 3. Topografie von Nord-Sakkara. Höhenlinien aus der topografischen Karte 1:5.000 [52] „Le Caire, sheet H22“.Fig 4. a. Der Rückhaltedamm Gisr el-Mudir (Satellitenbild: Airbus Pléiades, 2021-07-02, reprinted from Airbus D&S SAS library under a CC BY license, with permission from Michael Chemouny, original copyright 2021); b.: Digitales Höhenmodell aus der topografischen Karte 1:5.000 „Le Caire, sheet H22“.

Stromabwärts von Gisr el-Mudir erreicht das Abusir-Wadi das Plateau von Sakkara. Seine Grenzen werden im Süden durch einen ausstreichenden Kalksteinrücken und im Osten durch die Einfriedungen von Sechemchet und Djoser definiert ([Fig 3]).

Die Geländeform dieses Bereichs scheint mit einer rein fluvialen Bildung nicht vereinbar zu sein. Stattdessen weist die sehr flache Topografie auf etwa 2–2,5 km² laut dem Saqqara Geophysics Survey Project (SGSP) [57–60] darauf hin, dass sich zeitweise ephemere Wasserflächen bilden konnten, die nach den stärksten Regenfällen zu einem episodischen oberen Abusir-See geführt haben könnten. Aufgrund der mehrere Meter mächtigen, im Laufe der Jahrtausende angesammelten Wind- und Alluvialsanddecke [57] sind die Flussbetthöhen zur Zeit Djosers ohne weitere Untersuchungen jedoch schwer zu bestimmen, und aus der lokalen Topografie lassen sich nur grobe Muster ableiten [52].

Wie bei vielen anderen kleinen Wadis ist die frühdynastische Hydrologie des Abusir-Wadis weitgehend unbekannt. Nach der Analyse fluviatiler Sedimente im Bereich des Abusir-Sees war das Abusir-Wadi während des Alten Reiches wahrscheinlich ein perennierender Wasserlauf [51]. Obwohl das Klima heute heiß und arid ist, stützen mehrere Studien die Annahme einer feuchteren Umwelt während des Alten Reiches [34]. Verschiedene Belege deuten tatsächlich darauf hin, dass Ägypten um die Regierungszeit Djosers erhebliche Niederschläge erlebte, die häufige Überschwemmungen und starke Abflüsse auf dem Plateau von Sakkara verursachten. Dieses klimatische Merkmal wird durch Sedimentablagerungen gestützt, die aus fließendem Wasser mit „beträchtlicher kinetischer Kraft“ stammen und zeitgleich mit Djosers Herrschaft sind [61, 62]. Nach Trzciński et al. [34] entstand die stark zementierte Struktur L3 im Großen Graben um den Djoser-Komplex durch zyklische Bewässerung, während der hohe Fe3+-Gehalt darauf hinweist, dass die Region in einer warmen und feuchten Umwelt intensiver Verwitterung ausgesetzt war. 2020 kam Wong zu dem Schluss, dass während Djosers Herrschaft die „faszinierende Möglichkeit [bestand], dass der Große Graben um den Djoser-Komplex mit Wasser gefüllt gewesen sein könnte“ [37]. Falls dies zutrifft, könnte es erklären, weshalb Gräber im höher gelegenen nördlichen Teil des Sakkara-Plateaus errichtet wurden [45] und im Graben bis zur Regierungszeit von Userkaf und Unas (V. Dynastie) nichts gebaut wurde.

3 Das Wasserwirtschaftssystem von Sakkara

3.1 Der Rückhaltedamm Gisr el-Mudir

Gisr el-Mudir ist mindestens seit dem 18. Jahrhundert bekannt [63] und wurde im Rahmen einer jahrzehntelangen geophysikalischen Untersuchung durch Mathieson et al. ausführlich beschrieben; siehe auch [45] für eine Zusammenfassung. Es handelt sich um eine rechteckige Einfriedung wenige hundert Meter westlich des Djoser-Komplexes ([Fig 3], [Fig 4A & 4B]). Diese monumentale Struktur hat eine Grundfläche von etwa 360 m × 620 m und ist damit größer als der Djoser-Komplex (545 m × 277 m). Die Mauern besitzen ein geschätztes Volumen von mehr als 100.000 m³ (SGSP-Bericht 1992–1993), also rund ein Drittel des Volumens der Stufenpyramide. Feldinspektionen und geophysikalische Ergebnisse des SGSP [57] fanden im Inneren keine Konstruktionen außer einigen jüngeren kleinen Gräbern und bestätigen damit, dass die Einfriedung im Wesentlichen leer ist. Zudem deuten mehrere Elemente des Bauwerks darauf hin, dass diese Struktur dem Komplex der Stufenpyramide vorausging und vorläufig in die späte II. oder frühe III. Dynastie datiert wurde [57, 64], wodurch sie möglicherweise zur ältesten bisher entdeckten großen Steinstruktur Ägyptens wird.

Vor dieser Studie wurden mehrere widersprüchliche Theorien zum Zweck von Gisr el-Mudir vorgeschlagen [59]: etwa ein unvollendeter Pyramidenkomplex (wobei das Fehlen einer zentralen Struktur eine funeräre Deutung unwahrscheinlich macht), eine bewachte Festung [65] zum Schutz der Nekropole von Sakkara vor Überfällen nomadischer Beduinen, ein Aufschüttungsbau zur Anhebung eines Monuments auf ein höheres Niveau [66], ein Fest- oder Zeremonienareal [64, 67] oder sogar ein Viehgehege. Angesichts des geringen Umfangs der Untersuchungen an der Struktur gibt es jedoch noch keine allgemein akzeptierte Erklärung; ihr Zweck blieb eher spekulativ als belegt.

Vor dem Hintergrund des oberliegenden Einzugsgebiets und der Querstellung zum Abusir-Fluss erfüllt die Westmauer von Gisr el-Mudir die wesentlichen Kriterien eines Rückhaltedamms, also eines Damms zur Steuerung von Sediment- und Wasserflüssen [68, 69]. Besonders auffällig ist dieser Vergleich in Bezug auf den Querschnitt ([Fig 5]). Nach Mathieson et al. [59] besteht die Grundstruktur dieser Mauer aus einer Hohlkonstruktion aus zwei grob behauenen Kalkstein-Schalenmauern von etwa 3,2 m Höhe, die durch einen 15 m breiten Zwischenraum getrennt sind. Dieser ist mit drei Schichten von Materialien gefüllt, die aus dem umliegenden Wüstenuntergrund gewonnen und geschickt angeordnet wurden [70]. Die erste Schicht ([Fig 5], Punkt „A“) besteht aus grob verlegten lokalen Kalksteinblöcken, die als Stütze gegen die Innenseite der Verblendblöcke dienen. Die zweite Füllung (B) umfasst groben Sand sowie mittlere bis große Kalksteinfragmente. Die dritte Füllung (C) besteht aus grobem bis feinem Sand und Schluff, kleinen Kalksteinfragmenten und Abschlägen mit Kieseln und Feuersteinknollen. Schließlich sind diese Verfüllschichten A, B und C symmetrisch zur Mittelachse der Mauer angeordnet.Fig 5. Querschnitt der Westmauer von Gisr el-Mudir (Lage in [Fig 4A], violettes Rechteck). Abbildung angepasst nach [58].

Bauingenieurwesen wurde im Alten Reich eingesetzt, um Siedlungen vor Sturzfluten zu schützen, etwa beim Heit el-Ghurab („Wall of the Crow“), der das Dorf der Pyramidenbauer in Gizeh schützte [71]. Bei Gisr el-Mudir erinnern die genannten Elemente auffallend an das Querprofil und den Böschungsschutz eines weiteren berühmten Bauwerks des Alten Reiches: den Sadd-el-Kafara-dam am Wadi al-Garawi, einen kolossalen Bau, der als zeitgleich mit Gisr el-Mudir gilt [72–74]. Beide Strukturen tragen die technische Signatur zonierter Erddämme: einen breiten Dammkörper mit zentralem undurchlässigem Kern, umgeben von Übergangsfiltern, also gröberem Füllmaterial, das Erosion, Migration und mögliches Piping des feinen Kernmaterials durch Sickerwasser verhindert. Die halb zugerichteten Kalksteinmauern stabilisierten das innere Material und schützten es vor Erosion, wenn Wasser gegen den Damm und darüber floss. Beide Dämme besitzen deutlich breitere Profile als moderne Dämme. Diese Überdimensionierung könnte auf das Fehlen damaliger Verdichtungssysteme oder auf ein empirisches und konservatives Tragwerksdesign zurückzuführen sein. Beide weisen am Dammfuß schmalere Kerne aus feinem Material auf als an der Krone, was modernen Entwurfsprinzipien widerspricht [75]. Dies lässt sich mit der Bauabfolge erklären: Zunächst wurden die Seitenwände errichtet, gestützt durch grobe und mittlere Füllung (B- und C-Füllungen in [Fig 5]), anschließend wurde der breite Kern mit feinerem, verdichtetem Material gefüllt [72].

Schließlich zeigt das Nord-Süd-Profil der Ostmauer ([Fig 6], Linie A-B) ein parabolisches Profil, das geeignet ist, Abflüsse in die Mitte des von Gisr el-Mudir gebildeten Beckens zu leiten. Diese Führung hätte bei Hochwasserereignissen ein Versagen des Damms durch Umströmung verhindert, wenn der Dammauslass gesättigt war. Wir schätzen, dass das aufgestaute Wasser den Damm durch einen Auslass querte, der wahrscheinlich am tiefsten Punkt des Tals lag, also nahe 48,7 m ASL (G1 in Figs [4B] und [Fig 6]). Zusammenfassend wirkte die Westmauer von Gisr el-Mudir wahrscheinlich als erster Rückhaltedamm für die Abflüsse des Abusir-Wadis.Fig 6. Höhenprofile entlang der östlichen (rote Linie) und westlichen (schwarze Linie) Mauern.

Die Ausgrabungen an der Ostmauer von Gisr el-Mudir zeigten eine geringere bauliche Qualität [45]. Ihre Form ähnelt der Westmauer und besitzt ein ausgeprägtes parabolisches Profil ([Fig 6], Linie C-D). Zudem weist sie zwei topografische Besonderheiten auf: Erstens liegt ihre Gesamthöhe einige Meter unter der Westmauer ([Fig 7A]). Zweitens wurde im südlichen Teil der Ostmauer eine geophysikalische Anomalie (G2 in Figs [4B] und [Fig 6]) als Reihe massiver, grob zugeschnittener, L-förmiger Megalithen identifiziert [45, 66]. Vor unserer Studie wurden diese Megalithen möglicherweise als Reste eines monumentalen Tores gedeutet — aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem Eingang der Einfriedung des Djoser-Komplexes —, doch ihr Zweck wurde nicht bestimmt [66]. Nach unserer Analyse könnten diese Megalithen Seitenelemente von Wasserauslässen gewesen sein, möglicherweise Schlitzöffnungen [76], die vermutlich mit Holzbalken verschlossen waren, aber zum Entleeren des Beckens geöffnet werden konnten. Sie befinden sich übereinstimmend nahe einem 2,2 m tiefen Graben [45], den wir als möglichen Kanal deuten, der das abfließende Wasser führte. Kurz gesagt: Die Ostmauer wirkte wahrscheinlich als zweiter Rückhaltedamm für die Abusir-Abflüsse.Fig 7. a. West-Ost-Höhenprofil der Struktur Gisr el-Mudir. b: Schematische Rekonstruktion des Profils mit Wasserfluss.

Neben den beiden Dämmen, die von West- und Ostmauer gebildet werden, formt die Einfriedung Gisr el-Mudir ein Becken ([Fig 4]). Im Norden ist es durch eine weitere Mauer aus Kalksteinblöcken geschlossen, die allerdings nicht sehr hoch ist (wahrscheinlich < 2 m), weil sie auf einem natürlichen Rücken errichtet wurde [45]. Die südliche Begrenzung des Beckens besteht ebenfalls überwiegend aus einem natürlichen Rücken. Das mögliche Fehlen einer gemauerten Wand in bestimmten Abschnitten auf dieser Seite blieb in früheren Analysen unerklärt [45]. Im Hinblick auf eine Reservoirfunktion ergibt es jedoch vollkommen Sinn. Dämme an Seitenhängen zu verankern ist eine Standardmethode, um Abflüsse zu führen und Umströmung zu verhindern [68].

Im Kern weist die Einfriedung Gisr el-Mudir die definierenden Merkmale eines Rückhaltedamms auf ([Fig 7B]). Das von ihr abgefangene Einzugsgebiet ist groß genug (15 km²), zusätzlich zu einer möglichen Wasserableitung aus dem Wadi Taflah, um bei Starkregen Sturzfluten zu erzeugen, die aufgrund des Gefälles erhebliche Mengen an Kies, Sand, Schlamm und Geröll transportieren. Das Tal oberhalb der Westmauer diente wahrscheinlich als erstes Reservoir, in dem sich die gröbsten Kiese ablagerten. Das überlaufende Wasser füllte anschließend das innere Becken von Gisr el-Mudir, wo sich erneut grober Sand absetzen konnte. Bei einer angenommenen Speichertiefe von 1 bis 2 m läge die Rückhaltekapazität des Beckens bei etwa 220.000–440.000 m³. Dieses Volumen steht im Einklang mit dem Gesamtwasservolumen einer Sturzflut, die vom Abusir-Wadi erzeugt werden könnte; dieses wird bei 50 mm Niederschlag und einem Abflusskoeffizienten von 0,30 auf etwa 75.000–225.000 m³ geschätzt. Diese erste Schlüsselstruktur des hydraulischen Systems von Sakkara hätte dann in normalen Zeiten klares Wasser stromabwärts geliefert, während sie bei Regenereignissen auch schlammiges Wasser mit einer möglichen Schwebstofffracht aus feinem Sand und Ton weitergab.

3.2 Das Wasseraufbereitungssystem des Deep Trench

3.2.1 Allgemeine Konfiguration

Der Djoser-Komplex ist von einem großen Ausgrabungsbereich umgeben, der seit Swelims Identifizierung seiner Umrisse allgemein als „Dry Moat“ bezeichnet wird [77, 78] ([Fig 3], blauer Streifen). Der Dry Moat soll ein zusammenhängender, in den Fels gehauener Graben sein, bis zu 50 m breit und etwa 3 km lang, der ein Gebiet von etwa 600 m × 750 m um den Djoser-Komplex einschließt [77, 79, 80]. Bei einer angenommenen mittleren Tiefe von 20 m für die vier Grabenseiten [61] wird das gesamte Aushubvolumen auf etwa 3,5 Mm³ geschätzt, ungefähr das Zehnfache des Volumens der Stufenpyramide. Wegen der dicken Decke aus Sand und Schutt [61], die sich im Laufe der Jahrtausende angesammelt hat, ist seine genaue Geometrie nur unvollständig bekannt. Besonders die östlichen und südlichen Kanäle des Grabens sind umstritten [61].

Nach Swelim teilte sich der südliche Kanal des Grabens wahrscheinlich in zwei Teile, die als innerer und äußerer südlicher Kanal bekannt sind [78] ([Fig 8], blaue Streifen). Der innere südliche Kanal ist relativ flach (5–7 m tief), 25–30 m breit und verläuft etwa 350 m parallel zur Südmauer des Djoser-Komplexes.Fig 8. Ansicht des Bereichs des Deep Trench (rote Teile) südlich des Djoser-Komplexes. Wasser aus dem Abusir-See kann zwei parallelen Kreisläufen folgen.

Der „Deep Trench“ [81] ([Fig 8], rote Rechtecke und gestrichelte Linien) wurde innerhalb des inneren südlichen Kanals entlang dessen Südmauer angelegt. Er ist ein etwa 27 m tiefer, 3 m breiter und Hunderte Meter langer, in den Fels gehauener Kanal mit mehreren „Kammern“. Bislang wurden nur etwa 240 m [78] seiner wahrscheinlichen Gesamtlänge von 410 m archäologisch untersucht, und zwar 1937–1938 [78, 1937–1945 81] und 1975 [82]. Somit bleiben rund 170 m unerforscht, vor allem wegen zweier späterer Mastaba-Gruppen des Alten Reiches, die über dem Graben errichtet wurden und bei unterirdischen Ausgrabungen einsturzgefährdet wären (transparente graue Bereiche in [Fig 8]).

In der Literatur werden im Allgemeinen zwei Haupttheorien zur Erklärung des Zwecks des Grabens hervorgehoben: (i) ein Steinbruch für den Djoser-Komplex [47, 83] oder (ii) eine spirituelle Funktion [78, 84, 85]. In den letzten Jahren wiesen Autoren jedoch auf mehrere Besonderheiten der architektonischen Anordnung des Grabens hin, die in einem religiösen oder bergbaulichen Kontext irrelevant erscheinen [1, 86, 87]. Insbesondere zum Abbauaspekt schätzen mehrere Autoren [45, 86], dass die Form der Trasse nahelegt, dass die Steingewinnung nicht ihre einzige oder auch nur primäre Funktion war, da sie nicht zu altägyptischen Steinbruchmethoden passt. Reader hält außerdem Teile des Grabens, die etwa 27 m tief und von einer Felsdecke bedeckt sind, für vollständig unrealistisch für Steinbrucharbeiten und sieht keinen Grund, warum hierfür die am Grabengrund gefundene Pflasterung erforderlich gewesen sein sollte [45]. Dieser Punkt wird durch die geringe Breite des ausgehobenen Deep Trench (3 m), die in einem Abbauszenario unpraktisch ist, zusätzlich betont.

In spiritueller Hinsicht schlägt Kuraszkiewicz vor, dass der Graben eine rituelle Bedeutung als Versammlungsort für die Seelen der Adligen entwickelt haben könnte, die dem verstorbenen König dienen sollten [86]. Monnier [1] meint, dass die Entdeckung mehrerer Nischen im Kanal den religiösen Zweck des Grabens nicht vollständig belege und diesen als sekundär betrachtet. Auch Reader [45] sieht die rituelle Bedeutung des Grabens als sekundär und schlägt vor, dass sich die rituellen Aspekte erst nach dem Bau des Komplexes entwickelten und nicht die ursprüngliche Funktion der Struktur widerspiegeln.

Auf Grundlage archäologischer, geologischer und klimatischer Hinweise brachte Wong 2020 erstmals die Idee vor, dass der Graben eine völlig andere Funktion gehabt haben könnte, nämlich nach Starkregen mit Abflusswasser gefüllt zu werden [37]. Falls dies zutrifft, würde es erklären, warum neue Gräber den Graben erst unter Unas und Userkaf (V. Dynastie) belegten. Das Einsetzen trockenerer klimatischer Bedingungen [31, 88] gegen Ende der IV. Dynastie hätte günstigere Bedingungen für neue Bauten im Graben geschaffen. Trotz der möglichen Tragweite von Wongs Annahme fand sie in der Literatur wenig Beachtung. Die Autoren der vorliegenden Studie sind jedoch der Ansicht, dass Wongs Schlussfolgerungen plausibel sind, wenn man Sakkaras Lage stromabwärts eines Einzugsgebiets berücksichtigt.

3.2.2 Der Deep Trench: eine Reihe in den Fels gehauener Kammern in einem hydrologischen Korridor

Der innere südliche Kanal und der Deep Trench liegen im Unas-Tal, einem hydrologischen Korridor, der die Ebene des Abusir-Wadis mit der Nilauenebene verbindet ([Fig 3]). Beide könnten daher (un)kontrollierten Überschwemmungen [34, 61] aus der Ebene des Abusir-Wadis ausgesetzt gewesen sein.

Der Deep Trench verbindet mindestens drei massive unterirdische Kammern [45, 47] ([Fig 8], rote Teile), die sorgfältig mit präzise geschnittenen Oberflächen aus dem Fels gehauen wurden [78] ([Fig 9]) und durch einen Tunnel verbunden sind [77]. Wahrscheinlich existiert eine vierte Kammer, nachträglich als Kammer 0 bezeichnet ([Fig 10]) [45, 78]. Im größeren Maßstab ist die perfekte geometrische Ausrichtung dieser Kammern bemerkenswert, ebenso ihre Parallelität zum Djoser-Komplex und ihr Bodenniveau, das dem der südlichen und nördlichen Schächte ähnelt (≈ 27 m ASL). Diese räumlichen Beziehungen veranlassten einige Autoren zu der Annahme, dass der Graben als Teil des Djoser-Komplexes geschaffen wurde [86, 89, 90]. Diese Annahme wurde durch Deslandes’ Entdeckungen von mindestens zwei Ost-West-Leitungen von etwa 80 m Länge verstärkt, die die unterirdischen Strukturen des Djoser-Komplexes mit der Ostseite des Dry Moat verbinden [91].Fig 9. Ansicht von Kammer 1 des in den Fels gehauenen Deep Trench [78] (1943), 27 m tief, 3 m breit. a: Ansicht von Westen; b: Ansicht von Osten. Die Arbeiter im Hintergrund vermitteln ein Gefühl für das enorme Ausmaß und die technische Qualität der Struktur.Fig 10. Ansicht der Betriebsstruktur des Deep Trench, die als Wasseraufbereitungssystem identifiziert wurde. Ansicht der Südseite.

Zusammengenommen unterstreicht die Architektur des Deep Trench ein hohes technisches Können und legt nahe, dass die alten Ägypter eine technische und keine spirituelle Funktion beabsichtigten. Überraschenderweise wurde der Deep Trench trotz der vorhandenen Hinweise nie einer detaillierten ingenieurtechnischen Untersuchung unterzogen, um seine Merkmale zu analysieren und seinen Zweck zu bestimmen. Die folgenden Abschnitte schlagen eine hydraulische Begründung für seine innere Anordnung vor (weitere Details im Supplement).

3.2.3 Übereinstimmung der Architektur des Deep Trench mit einem Wasseraufbereitungssystem

Da die Anordnung der Kammern in der Literatur ausführlich beschrieben ist [77, 86, 92], werden sie im Supplement detailliert dargestellt. Betrachtet man Architektur und geografische Lage, vereint der südliche Abschnitt des Dry Moat die technischen Anforderungen an ein Wasseraufbereitungssystem, einschließlich Sedimentation, Rückhaltung und Reinigung. [Fig 10] veranschaulicht den Funktionsablauf der Anlage. Ähnlich wie bei Gisr el-Mudir stellten wir fest, dass die Kammern des Deep Trench wahrscheinlich dazu dienten, Wasser mit niedriger Schwebstoffkonzentration durch Überlaufen in die stromabwärtigen Kammern zu leiten. Die Nutzung einer Reihe verbundener Becken zur Filterung von Wasser und Entfernung von Sedimenten ist eine alte Technik, die in archäologischer und wissenschaftlicher Literatur umfassend dokumentiert ist [93–96]. Diese Methode wurde über Jahrhunderte zur Wasserreinigung eingesetzt und spielte eine bedeutende Rolle in der Entwicklung der Wasseraufbereitung.

Kammer 0 erfüllt die Mindestanforderungen an ein Absetzbecken: beträchtliche Länge und Breite, geringes Eintrittsgefälle und Lage am Eingang des hydrologischen Korridors von Unas. Ihr Zweck wäre es gewesen, das Absetzen grober Partikel zu erleichtern, die bei starken Regenfällen aus Gisr el-Mudir überliefen. Die von Swelim [97] identifizierte absteigende Rampe entlang der Südmauer könnte es Arbeitern ermöglicht haben, das Becken auszubaggern und die entlang der Ostmauer angesammelten Sedimente zu entfernen ([Fig 10]). Die sehr wahrscheinliche Verbindung [45, 97] zwischen Kammer 0 und Kammer 1, die mit grobem Mauerwerk blockiert ist ([Fig 9B] und S3 Fig in [S2 File]), stimmt mit einer überlaufenden Auslassstruktur überein. Zusätzlich könnten bei zu hoher Abflussrate in Kammer 0 der Tunnel oder sogar der nördliche Teil des Grabens als Überlauf-Bypass gedient haben, um überschüssiges Wasser in den östlichen Teil des Unas-Wadi-Tals abzuleiten ([Fig 8], Sicherheitskreislauf).

Kammer 1 stimmt mit einem Rückhaltebecken von mehr als 3.000 m³ Kapazität überein ([Fig 10], linker Teil). Die Steinpflasterung des Bodens mit Mörtelfugen begrenzte wahrscheinlich das Versickern von Wasser in den Untergrund. Ihr östliches Ende könnte bis zur Kammer 2 reichen [45] und damit eine einzige Kammer bilden; dieser Punkt bleibt jedoch umstritten [78, 97].

Kammer 2 ist leider weitgehend unerforscht ([Fig 10]). Ihre stromabwärtige Lage könnte auf ein zweites Rückhaltebecken oder möglicherweise eine Erweiterung [45] des ersten Beckens hinweisen. Der westliche Teil dieser Kammer (Treppenbereich) ist exakt auf die Basisniveaus des südlichen und nördlichen Schachts des Djoser-Komplexes ausgerichtet, was auf eine Verbindung zwischen den drei Strukturen hindeutet [86]. Falls dies zutrifft, wäre sie auf die kürzlich entdeckte Leitung eines 200 m langen Tunnels ausgerichtet, der den Boden des südlichen und nördlichen Schachts des Djoser-Komplexes verbindet [91] (siehe nächster Abschnitt, [Fig 11]). Kammer 2 wäre dann ein weiteres oder erweitertes Rückhaltebecken mit einem Wasserauslass nach Norden.Fig 11. Überblick über die unterirdische Anordnung des Djoser-Komplexes mit Schwerpunkt auf den Entdeckungen der lettischen Mission (orange Teile) — mit freundlicher Genehmigung von Monnier [1].

Kammer 3 ([Fig 10], rechter Teil) ist wahrscheinlich ein seitliches Reinigungsbecken für Trinkwasser. Ihre Lage als Appendix des primären Wasserkreislaufs zwischen Gisr el-Mudir und dem Djoser-Komplex scheint optimal, um die Wasserzirkulation zu minimieren und die Absetzzeit zu maximieren, wodurch die Reinigung verbessert wird. Der zweite und dritte Abschnitt ermöglichten vermutlich ein weiteres Absetzen von Partikeln und dienten während Trockenperioden als Reservoirs. Die relativ glatten Wände der gesamten Struktur hätten das Wachstum von Mikroben, Pflanzen und anderen Verunreinigungen erschwert und damit dazu beigetragen, die Sauberkeit des Wassers zu erhalten [98]. Vier Oberflächenbrunnen erlaubten den Zugang zum Ende der letzten Kammer, wo das im Schatten dieser monumentalen unterirdischen Zisterne klar und frisch gehaltene Wasser von den Arbeitskräften der Baustelle genutzt werden konnte [99].

Das ausgehobene Volumen des Deep Trench beträgt mehr als 14.000 m³ [77, 86, 92]. Wenn man annimmt, dass der Großteil des im Wadi Taflah verfügbaren Wassers nach Sakkara umgeleitet wurde, könnte dieses Volumen im Durchschnitt etwa ein Dutzend bis mehr als hundert Mal pro Jahr gefüllt worden sein. Wir nehmen für den Deep Trench einen typischen Füllstand von 45 m ASL an; eine genaue topografische Vermessung fehlt jedoch, und der maximale Wasserstand könnte je nach umliegender Geländehöhe zwischen 40 und 52 m ASL variieren.

Im Kern haben wir erstmals entdeckt und hervorgehoben, dass Lage und Gestaltung des Deep Trench mit einer möglichen Nutzung als Wasseraufbereitungs- und Speichersystem übereinstimmen, das Tausende Kubikmeter Wasser reinigen und speichern konnte.

4 Das zentrale hydraulische Aufzugssystem

4.1 Überblick über die Substruktur des Djoser-Komplexes

Die innere und äußere Architektur des Djoser-Komplexes ist ausführlich dokumentiert [1, 3, 100, 101]. Das Supplement gibt einen Überblick über diese Struktur. Grundsätzlich steht die sechsstufige Stufenpyramide selbst leicht nach Süden versetzt innerhalb einer rechteckigen Einfriedung und erreicht eine Höhe von etwa 60 m ([Fig 11]). Die Pyramide besteht aus mehr als 2,3 Millionen Kalksteinblöcken mit einem durchschnittlichen Gewicht von 300 kg [2], was zu einem geschätzten Gesamtgewicht von 0,69 Millionen Tonnen und einem Volumen von etwa 330.400 m³ führt.

Die Substruktur besitzt mindestens 13 Schächte, darunter zwei besonders große Zwillingsschächte im Norden und Süden des Komplexes ([Fig 11], Einschübe 3 und 4), sowie ein ausgedehntes und gut organisiertes Galerienetz, das bis zu 45 m unter Geländeniveau hinabreicht [102]. Der Nordschacht ist von vier kammförmigen Strukturen umgeben, die auf jeder Seite verteilt und um 90° zueinander versetzt sind. Bodenradar (GPR) zeigte, dass die Anordnungen der Zwillingsschächte durch einen 200 m langen Tunnel verbunden sind [91, 102]. Außerdem sind mindestens zwei der zwölf Schächte an der Ostseite der Pyramide durch zwei 80 m lange Leitungen mit dem vermuteten östlichen Abschnitt des Dry Moat verbunden ([Fig 11] und Supplement).

Aus unseren 3D-Modellen schätzen wir, dass antike Architekten mehr als 30.000 Tonnen Kalkstein aus dem Untergrund entnahmen, um die gesamte unterirdische Struktur auszuheben. Die Gesamtlänge der Tunnel und unterirdischen Räume beträgt zusammen etwa 6,8 km. Ihre Anordnung und ihr Zweck sind jedoch weiterhin überwiegend schlecht bekannt und umstritten [6].

4.2 Die verbundenen Zwillingsschächte

Der „Nordschacht“ liegt unter der Pyramide des Djoser und ist nahezu auf deren Spitze ausgerichtet. Dieser Schacht ist etwa 28 m tief und besitzt einen quadratischen Grundriss mit 7 m Seitenlänge. Sein unterer Teil erweitert sich in den letzten, tiefsten 6 m auf etwa 10 m und bildet eine Kammer ([Fig 12] und S6 Fig in [S2 File]). Im oberen Teil setzt sich der Schacht innerhalb der Stufenpyramide mindestens vier Meter über das Geländeniveau hinaus in Form eines halbkugelförmigen Gewölbes fort, das jüngst verstärkt wurde ([Fig 11], Einschub 5). Dieser obere Teil im Pyramidenkörper ist unerforscht. Wie Lauer jedoch bemerkte, zeigt das Mauerwerk der Schachtseiten oberhalb des Geländeniveaus eine Ähnlichkeit mit dem des südlichen Schachts, was auf eine mögliche Erweiterung nach oben hinweist [3]. An der Nordseite der Pyramide bietet ein steiler Graben mit Treppen Zugang zum Schacht.Fig 12. a.: Granitkasten des Nordschachts des Djoser-Komplexes als Öffnungs- und Schließsystem für den Wasserfluss aus Seitentunneln — source: [113]. b.: Kalksteinpfeiler, die den Kasten tragen — source: [3]. c: Diagramm des Verschlusssystems des Nordschachts. Neu gezeichnet nach Lauer-Skizzen [108].

Der „Südschacht“ liegt etwa 200 m südlich des Nordschachts, nahe dem Deep Trench ([Fig 11], Einschub 1). Seine Abmessungen und innere Anordnung ähneln im Wesentlichen denen des Nordschachts. Die Substruktur des Südschachts wird durch einen nach Westen gerichteten tunnelartigen Korridor mit Treppe betreten, der etwa 30 m abwärts führt, bevor er sich im Schacht öffnet. Die Treppe verläuft anschließend nach Osten weiter und führt zu einem Galerienetz, dessen Anordnung die blauen Kammern unter der Stufenpyramide nachahmt. Wie oben erwähnt, verbindet ein 200 m langer Tunnel den unteren Teil des Nord- und Südschachts ([Fig 11], orangefarbene Leitung). Eine Reihe tiefer Nischen an der Südseite des Südschachts [97], deren Form den Kammern 1 und 2 des Deep Trench ähnelt, könnte auf eine frühere Verbindung zwischen beiden hinweisen. Dieser Punkt muss durch weitere Untersuchungen bestätigt werden.

Der Südschacht ist über einen tunnelartigen Korridor mit einer Treppe, die etwa 30 m abwärts führt, mit einem rechteckigen Schacht im Westen verbunden ([Fig 11], Einschub 2). Auf der Ebene des Korridors wurde parallel zum absteigenden Gang nach Süden eine Kammer in den Fels geschnitten [3]. Diese Kammer weist mehrere unvollständig ausgegrabene Nischen in ihrer Südwand auf, die sich unter die Südmauer des Djoser-Komplexes erstrecken könnten ([Fig 8]). Vorbehaltlich weiterer Ausgrabungen könnten sie auf eine Verbindung zum Deep Trench hinweisen.

4.3 Die innere Anordnung der Zwillingsschächte: zwei Verschlusssysteme mit darüberliegenden Bedienkammern

Der ursprüngliche Zweck der Granitkästen in den Zwillingsschächten wurde vielfach diskutiert [15, 100]. Das Vorhandensein zweier Schächte mit zwei ähnlichen Granitkästen und fast identischen Substrukturen wurde zuvor als Trennung von Körper und Geist Djosers erklärt [100]. Tatsächlich fehlt jedoch der Körper des Pharaos und wurde bei modernen Ausgrabungen nicht gefunden. Mehrere Autoren und Entdecker schlossen die Möglichkeit einer Bestattung König Djosers im Nordschacht aus [15, 103]. Vyse behauptete [15], das Innenvolumen des Kastens sei zu schmal, um einen Sarg zu bewegen, ohne den Körper zu beschädigen. Firth und Quibell betrachteten [103] die von Gunn und Lauer [104] gefundenen Fragmente als Mumien „späten Datums“, möglicherweise aus dem Mittleren oder Neuen Reich. Schließlich schloss eine umfassende Radiokarbondatierung [105] fast aller geborgenen Überreste [104, 106, 107] nahe dem Granitkasten die Möglichkeit aus, dass „auch nur ein einziger von ihnen“ [105] König Djoser gehört haben könnte. Obwohl der nördliche Schacht daher viel später eindeutig funeräre Bedeutung hatte, könnte sein ursprünglicher Zweck zur Zeit Djosers ein anderer gewesen sein.

Leider wurde der größte Teil des Materials, das die Zwillingsschächte füllte, bei früheren archäologischen Ausgrabungen, hauptsächlich in den 1930er Jahren [108], entfernt, sodass nur die beiden Granitkästen am Boden verblieben ([Fig 11], Einschübe 3 und 4). Daher beruht die Beschreibung der inneren Anordnung der Schächte hauptsächlich auf archäologischen Berichten und Zeugnissen der Entdecker [109–111].

Die beiden Granitkästen sind in Form und Abmessungen weitgehend ähnlich. Beide bestehen aus vier Lagen Granitblöcken und besitzen obere Öffnungen, die durch mehrere Tonnen schwere Stopfen verschlossen sind ([Fig 12A]). Der südliche Kasten ist etwas kleiner und hat einen aus mehreren Teilen bestehenden Stopfen, wodurch er weniger vielseitig ist. Der nördliche Kasten liegt nicht direkt auf dem darunterliegenden Fels, sondern ruht auf mehreren Pfeilern aus Kalksteinblöcken, die die unteren Granitbalken stützen ([Fig 12B]); Lauer schrieb sie vorläufig Räubern zu [3]. Der Raum um den Kasten ist mit vier Tunneln verbunden, die senkrecht auf jeder Seite des Schachts angeordnet sind (siehe Supplement). Dieser Raum war mit mehreren aufeinanderfolgenden Schichten gefüllt [108] ([Fig 12C], graue Teile). Die unterste Schicht bestand aus groben Fragmenten von Kalksteinabfall und Alabaster und war dadurch durchlässig. Die obere Schicht, die bis zur Höhe der Kastendecke reichte, bestand hingegen aus Kalkstein, der mit Tonmörtel verbunden war [108], also weniger durchlässig [112]. Diese Decke war selbst mit einer 1,50 m dicken Schicht aus Alabaster- und Kalksteinfragmenten sowie darüberliegender Füllung bedeckt ([Fig 12C], blauer Teil), ausgenommen um das Stopfenloch, das von einer Dioritfassung umgeben war, einem besonders festen Gestein ([Fig 12C], grüner Teil).

Direkt über den Granitkästen befanden sich „Bedienkammern“ [108], die das Anheben des Stopfens ermöglichten. Der Stopfen, der den Kasten des Nordschachts verschließt, besitzt vier vertikale seitliche Rillen von 15 cm Durchmesser für Hebeseile ([Fig 12C]) sowie eine horizontale Rille, möglicherweise zur Abdichtung. Unterhalb der Kammerdecke und unmittelbar über der Öffnung war ein unverkleideter Holzbalken in der Ost- und Westwand verankert ([Fig 12C]). Dieser Balken trug wahrscheinlich Seile zum Anheben des Stopfens, ähnlich denen, die im Südschacht mit Reibungsspuren gefunden wurden [108].

Interessanterweise waren die Granitsteine, die die Decke des Granitkastens bilden, mit Mörtel verbunden ([Fig 12A]). Dadurch entstand eine undurchlässige Barriere zum unteren Teil des Schachts, sodass das Stopfenloch die einzige mögliche Verbindung zwischen Schacht und Kastinnerem blieb. Umgekehrt waren die meisten Fugen zwischen Seiten- und Bodensteinen des Kastens, die mit der durchlässigen Bodenschicht verbunden waren, frei von Mörtel.

Diese Details, die während Lauers Ausgrabung [3, 108] ausführlich dokumentiert und auf Bildern sichtbar sind ([Fig 12A] und [12B]), sprechen eindeutig eher für eine technische als für eine symbolische Anwendung. Zusammengenommen besitzen die Architektur des Granitkastens und sein entfernbarer Stopfen, umgeben von mit Ton gebundenen Kalksteinblöcken, die technische Signatur eines Wasserauslassmechanismus.

Im geöffneten Zustand hätte ein solches Stopfensystem ermöglicht, den Nordschacht mit Wasser aus dem Deep Trench oder, in einem anderen Szenario, aus dem östlichen Abschnitt des Dry Moat zu füllen. Die durchlässige umgebende Füllung hätte eine Kontrolle des Wasserabflusses aus den vier Seitentunneln ermöglicht. Anschließend konnte das Wasser nur durch die unteren Fugen des Granitkastens sickern. Dieses Design hätte verhindert, dass Wasser mit hoher Geschwindigkeit und Druckstößen durch das System schießt.

Bei Wasser aus dem Deep Trench (Höhendifferenz: 10–20 m) wirkten die Stützmauern und das kumulierte Gewicht der vielen über dem Granitkasten aufgeschichteten Lagen als seitliche Blockierung und hätten verhindert, dass die Kastendecke durch den darunterliegenden Wasserdruck angehoben wird.

4.4 Übereinstimmung der inneren Architektur des Djoser-Komplexes mit einem hydraulischen Aufzugsmechanismus

Nach Zusammenführung aller Elemente dieser Studie schließen wir, dass die Anordnung des Nordschachts mit einem hydraulischen Aufzugsmechanismus zum Transport von Material und zum Bau der Pyramide übereinstimmt. Die uns vorliegenden Elemente deuten darauf hin, dass Süd- und Nordschacht mit Wasser aus dem Dry Moat gefüllt werden konnten. Ein massiver Schwimmer im Nordschacht hätte dann Steine anheben und so den Bau der Pyramide aus ihrem Zentrum heraus in einer „Vulkan“-Bauweise ermöglichen können ([Fig 13]).Fig 13. Der identifizierte Bauprozess der Stufenpyramide: ein hydraulischer Aufzugsmechanismus.

Obwohl eine Verbindung zwischen Kammer 2 und den Djoser-Schächten noch nicht identifiziert wurde, ist es sehr wahrscheinlich, dass sedimentfreies Wasser aus dem Deep Trench in diesem System genutzt wurde ([Fig 13], Scheibe „1“). Diese Wasserqualität hätte das Risiko von Verschmutzung und Fehlfunktionen reduziert, da sie den Eintrag von Sand und Ton in den Nordschacht minimierte. Dadurch wären Ablagerungen und ein fortschreitendes Verfüllen der Tunnel und Verbindungen sowie ein Verstopfen der Fugen zwischen Boden- und Seitenblöcken des Granitkastens verhindert worden. Die 200 m lange unterirdische Leitung [91], die Nord- und Südschacht verbindet, passt daher zum Transfer von Wasser aus dem Wasseraufbereitungssystem des Deep Trench zum Nordschacht, möglicherweise über den Südschacht.

Darüber hinaus gibt es auf der Ostseite des Komplexes eine nachgewiesene Verbindung zwischen den Tunneln um den Nordschacht und dem Dry Moat durch die Deslandes-Leitungen [91] (Figs [11] und [13]). Vorbehaltlich weiterer Untersuchungen nehmen wir an, dass der Wassereinlass im Süden lag ([Fig 13], Scheibe „1“), während der Auslass oder die Auslässe Wasser nach Osten durch zwei nebeneinanderliegende Leitungen leiteten (Scheibe „2“). Mehrere horizontale Galerien, die mit diesen beiden Leitungen verbunden waren, waren mit Akazienholz ausgekleidet [3], einer Technik, die im alten Ägypten häufig zum Schutz von Wänden in hydraulischen Bauwerken eingesetzt wurde. Ein großer steinerner Fallverschluss [108], der in einer dieser Galerien gefunden wurde, könnte als vielseitiges Tor gedient haben, das während der Wasserfüllung des Nordschachts geschlossen wurde.

In einem anderen Szenario könnten die nebeneinanderliegenden Deslandes-Leitungen ([Fig 13], Scheibe „2“) als Wassereinlass für ungefiltertes Wasser betrachtet werden.

Schließlich nehmen wir an, dass ein hydraulischer Aufzug, ein massiver Schwimmer, der möglicherweise aus Holz bestand und mehrere Tonnen wog (siehe Supplement), langsam im Schacht laufen musste, um Instabilitäten und Reibung an den Seiten zu vermeiden. Die Steine könnten durch Füll- und Entleerungszyklen angehoben worden sein, wodurch sich der Aufzug mit den Steinen auf und ab bewegte ([Fig 13]). Diese Steine könnten entlang des nördlichen Eingangs bis zum zentralen Schacht gelangt sein. Jüngste Entdeckungen zeigten, dass diese Galerie bis ganz zum Ende des Pyramidenbaus offen blieb und erst danach geschlossen wurde [1, 91]. In unserem Szenario könnten die Steine direkt auf Geländeniveau, entsprechend der ersten Lage der Pyramide, transportiert worden sein oder etwas höher über eine Rampe, die in einen heute verschlossenen Korridor einige Meter über dem Geländeniveau führte. Diese Konfiguration hätte den besonderen Vorteil gehabt, den Höhengewinn zu minimieren, den der hydraulische Aufzug leisten musste. In einem abschließenden Szenario könnten die Steine über die sogenannte „Saite gallery“ [114] transportiert worden sein. Obwohl Firth [114] diese Galerie nach die III. Dynastie datiert, bleibt es möglich, dass sie auf Grundlage einer früheren Galerie neu ausgeschnitten wurde.

4.5 Modellierung des hydraulischen Aufzugsmechanismus

Wir entwickelten ein einfaches numerisches Modell des hydraulischen Aufzugs, um seinen Wasserverbrauch und seine Tragfähigkeit zu untersuchen (siehe Supplement). Das Modell wurde so einfach wie möglich gehalten, damit es leicht überprüfbar ist, und sollte lediglich relevante Größenordnungen liefern.

Der hydraulische Aufzug wird als Schwimmer modelliert, der mit Steinen für den Pyramidenbau beladen ist und eine vertikale Erweiterung besitzt, um dieses Material auf das erforderliche Niveau anzuheben. Ausgehend von der anfänglichen Höhe des Aufzugs, Z_m, die nicht unter 17 m ab Geländeniveau liegen kann (der Schachtboden war mit dem Kasten und darüberliegenden Steinen gefüllt, siehe [Fig 12C]), und unter der Annahme, dass das Material auf Geländeniveau auf den Aufzug geladen wurde, beträgt die maximale Höhe, die in einem Zyklus erreicht werden kann, weniger als 17 m. Um größere Höhen zu erreichen, nehmen wir an, dass die Aufzugsplattform während des Absinkens des Schwimmers blockiert wurde, etwa durch Balken (siehe [Fig 14]). Diese Anpassung hätte es der Plattform ermöglicht, durch Hinzufügen oder Ausklappen einer Erweiterung größere Höhen zu erreichen. Für die Spitze der Pyramide könnte der Schwimmer umgekehrt beim Absinken als Gegengewicht genutzt worden sein, wobei er an Seilen zog, die die Plattform nach dem Umlaufen über Rollen oberhalb des Schachtkopfes hochzogen. Eine Doppelnutzung, bei der beim Entleeren des Schachts gezogen und beim Füllen gehoben wurde, wäre die optimale Betriebsweise gewesen.Fig 14. Skizze des Prinzips des hydraulischen Aufzugs. Dargestellt sind die Aufzugsplattform (rote Linie) und die Erweiterungsstütze (orange Linie) beim Ausklappen des unteren Elements. Die zugehörigen Öffnungen sind bei weiteren Ausgrabungen des oberen Schachtteils zu lokalisieren.

Der Beginn des Pyramidenbaus erfolgte höchstwahrscheinlich mithilfe von Rampen, die den Weg aus dem lokalen Steinbruch, möglicherweise dem Dry Moat, verlängerten [44]. Um eine Obergrenze des Wasserverbrauchs zu erhalten, modellierten wir den Pyramidenbau mit dem hydraulischen Aufzug ab der ersten Lage auf Geländeniveau. Unser Modell legt nahe, dass dieser obere Grenzwert bei 18 Mm³ Wasser liegt, die zum Bau der gesamten Pyramide erforderlich wären, wenn der Schwimmer nur beim Füllen des Schachts zum Heben von Steinen verwendet wurde (siehe Supplement). Einige Millionen Kubikmeter wären für den Bau der ersten 20 m erforderlich gewesen und könnten eingespart werden, wenn stattdessen Rampen verwendet worden wären. Die benötigte Gesamtwassermenge hätte sich um etwa ein Drittel verringert, wenn der Schwimmer als Gegengewicht genutzt worden wäre, das über Seile Steine auf einer Plattform im oberen Schachtteil hochzog, anstatt auf einer hölzernen, am Schwimmer befestigten Rahmenverlängerung zu sitzen. Wären schließlich sowohl Heben (beim Füllen des Schachts) als auch Ziehen (beim Entleeren des Schachts) genutzt worden, hätte sich der Wasserverbrauch um zwei Drittel verringert. Wäre die Beladung nicht auf Geländeniveau, sondern über eine Rampe und Galerie oberhalb des Geländeniveaus erfolgt, ließe sich etwa ein Viertel des Wassers sparen, etwa bei einer 5 m hohen Rampe, und 43 % bei einer 10 m hohen Rampe. Weitere Untersuchungen oberhalb des Gewölbes und an den Pyramidenflanken könnten helfen, eine solche mögliche Galerie zu identifizieren. Wäre die Beladung dagegen etwa 13 m unter Geländeniveau im oberen Teil der Nordgalerie erfolgt (S6 Fig in [S2 File]), würde der Wasserverbrauch typischerweise um zwei Drittel steigen.

Andererseits haben wir durch unsere Forschung und Berechnungen festgestellt, dass das Einzugsgebiet des Wadi Taflah über 20–30 Jahre Bauzeit 4–54 Mm³ liefern konnte. Dies wäre nicht ausreichend, wenn man nur pessimistische Werte annimmt (untere Grenze für Niederschlag und Abflusskoeffizient, schnelle Bauzeit und suboptimale Nutzung des Aufzugs nur beim Ansteigen des Wassers), aber ausreichend bei mittleren Annahmen und sogar achtmal ausreichend bei optimistischen Werten (obere Parametergrenzen und Doppelfunktion aus Heben und Ziehen). Falls weitere Forschung zeigt, dass der möglicherweise damals kurz nach der Grünen Sahara höhere Ton- und Schluffgehalt die Abflusskoeffizienten wahrscheinlich um den Faktor 2–3 oder mehr erhöhte, würde die Ressource um denselben Faktor steigen.

Die klimatischen Bedingungen auf dem Plateau von Sakkara während der III. Dynastie sind weiterhin nicht gut verstanden [37]. Als erste Annahme schätzen wir, dass die Wasserversorgung auch ohne dauerhaft vorhandenen oberen Abusir-See kontinuierlich gewesen sein könnte, dank des Abflusses aus dem Wadi Abusir und vor allem durch ein wahrscheinliches Umleitungssystem aus dem nahegelegenen Wadi Taflah, sofern dieses große Einzugsgebiet ein eher perennierendes Abflussregime hatte. Pedologische Untersuchungen im Plateaubereich und im Talweg beider Wadis wären sinnvoll, um nach Hinweisen auf häufigeren Wasserfluss zu suchen.

Daraus ergibt sich, dass der hydraulische Mechanismus möglicherweise nur bei ausreichender Wasserversorgung nutzbar war und daher nur periodisch eingesetzt wurde. Andere Techniken wie Rampen und Dämme wurden wahrscheinlich verwendet, um die Steine aus den Steinbrüchen heranzubringen und ihre Positionen um den Hebemechanismus herum anzupassen oder wenn dieser nicht in Betrieb war.

5 Diskussion

Ein einheitliches hydraulisches System

Auf Grundlage einer transdisziplinären Analyse liefert diese Studie erstmals eine Erklärung für Funktion und Bauprozess mehrerer kolossaler Strukturen am Standort Sakkara. Sie ist insofern einzigartig, als sie mit zuvor veröffentlichten Forschungsergebnissen aus mehreren Bereichen übereinstimmt: Hydrologie, Geologie, Geotechnik, Geophysik und Archäologie. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Einfriedung Gisr el-Mudir Merkmale eines Rückhaltedamms besitzt, der Sediment und Wasser zurückhalten sollte, während der Deep Trench die technischen Anforderungen einer Wasseraufbereitungsanlage zur Entfernung von Sedimenten und Trübung vereint. Zusammen bilden diese beiden Strukturen ein einheitliches hydraulisches System, das die Reinheit des Wassers verbessert und den Abfluss für praktische Nutzungen und lebenswichtige Bedürfnisse reguliert. Unter den möglichen Verwendungen zeigt unsere Analyse, dass dieses sedimentfreie Wasser zum Bau der Pyramide mithilfe eines hydraulischen Aufzugssystems eingesetzt worden sein könnte.

Durch seinen Maßstab und sein ingenieurtechnisches Niveau ist dieses Werk so bedeutend, dass es über den bloßen Bau der Stufenpyramide hinauszugehen scheint. Die geografischen Entscheidungen der Architekten spiegeln ihren Weitblick bei der Erfüllung verschiedener ziviler Bedürfnisse wider und machten den Standort Sakkara geeignet für Ansiedlung und sesshafte Tätigkeiten wie Landwirtschaft, mit Zugang zu Wasserressourcen und Schutz vor extremen Wetterbedingungen. Dazu gehörte die Sicherstellung ausreichender Wasserqualität und -menge sowohl für Verbrauch und Bewässerung als auch für Transport, Navigation oder Bau. Zusätzlich könnte der Graben nach seiner Errichtung ein wichtiges Verteidigungselement gewesen sein, insbesondere wenn er mit Wasser gefüllt war, und die Sicherheit des Sakkara-Komplexes gewährleistet haben [115].

Der hydraulische Aufzugsmechanismus scheint für den Bau von Steinstrukturen revolutionär zu sein und findet in unserer Zivilisation keine Parallele. Diese Technologie zeigt ein ausgezeichnetes Energiemanagement und effiziente Logistik, die erhebliche Baumöglichkeiten eröffnet und zugleich den Bedarf an menschlicher Arbeitskraft reduziert haben könnten. Darüber hinaus wirft sie die Frage auf, ob auch andere Pyramiden des Alten Reiches neben der Stufenpyramide mit ähnlichen, möglicherweise weiterentwickelten Verfahren errichtet wurden — ein Punkt, der weitere Untersuchungen verdient.

Insgesamt könnte der hydraulische Aufzug eine ergänzende Bautechnik zu den in der Literatur für das Alte Reich beschriebenen Verfahren gewesen sein [8, 10]. Es ist in der Tat unwahrscheinlich, dass die antiken Architekten eine einzige ausschließliche Bautechnik verwendeten; wahrscheinlicher ist, dass unterschiedliche Methoden eingesetzt wurden, um sich an verschiedene Zwänge oder unvorhergesehene Umstände einer Großbaustelle anzupassen, etwa eine Trockenperiode. Daher wurde der Beginn des Pyramidenbaus höchstwahrscheinlich mit Rampen ausgeführt, die den Weg aus dem lokalen Steinbruch verlängerten. Nach petrographischen Studien [47] könnte der Hauptkalksteinbruch des Standorts Sakkara dem Dry Moat entsprechen, der den Djoser-Komplex umgibt, den abgebauten Blöcken Zugang zu allen vier Seiten der Pyramide bot und die durchschnittliche Rampenlänge verringerte.

Ein fortgeschrittenes technisches und technologisches Niveau

Durch ihr technisches Niveau und ihre schiere Größe sind die Ingenieurprojekte von Sakkara wirklich beeindruckend. Betrachtet man die technischen Implikationen des Baus eines Damms, einer Wasseraufbereitungsanlage und eines Aufzugs, wird deutlich, dass solche Arbeiten Ergebnis einer langen technischen Tradition sind. Über die technischen Aspekte hinaus spiegeln sie Modernität durch das Zusammenspiel verschiedener Berufe und Fachkenntnisse wider. Auch wenn Grundwissen auf dem Gebiet der Hydraulik bereits in der frühdynastischen Zeit existierte, scheint dieses Werk die in der Literatur jener Zeit erwähnten technischen Leistungen wie Foggaras oder kleinere Dämme zu übertreffen. Zudem zeigen die Entwürfe dieser Technologien, etwa des Gisr-el-Mudir-Rückhaltedamms, dass wohlüberlegte Entscheidungen im Vorgriff auf ihre Errichtung getroffen wurden. Sie legen nahe, dass die antiken Architekten ein gewisses empirisches und theoretisches Verständnis der Vorgänge innerhalb dieser Strukturen besaßen.

… und die historische Linie infrage stellend

Der in Sakkara sichtbare technologische Entwicklungsstand wirft auch Fragen zu seiner Stellung in der Geschichte auf. Die vorrangige Frage bleibt, wann diese Strukturen gebaut wurden. Wurden alle beobachteten Technologien zur Zeit Djosers entwickelt, oder waren sie bereits früher vorhanden? Ohne absolute Datierung dieser Werke ist bei ihrer Zuschreibung und Bauzeit Vorsicht geboten. Aufgrund der beträchtlichen Bandbreite von Techniken, die beim Bau von Gisr el-Mudir verwendet wurden, schätzt Reader [70], dass die Einfriedung ein langfristiges Projekt gewesen sein könnte, das über mehrere nachfolgende Regierungszeiten entwickelt und erhalten wurde — ein Punkt, den auch die Autoren der vorliegenden Studie unterstützen. Die Wasseraufbereitungsanlage folgt einem ähnlichen Muster: sauber geschnittene Steine wurden von späterem gröberem Mauerwerk überdeckt und verfüllt. Schließlich zeigt auch die Djoser-Stufenpyramide eine Überlagerung perfekt zugeschnittener Steine, die teils mit großer Präzision ohne Fugen gesetzt und von gröberen und kantigeren Steinen überdeckt wurden [3]. Einige dieser Elemente veranlassten Autoren [6, 100] zu der Behauptung, Djosers Pyramide habe eine bereits vorhandene Struktur wiederverwendet.

Einige verbleibende Fragen

Der Deep Trench wurde zu einem bestimmten Zeitpunkt der Geschichte absichtlich verschlossen, wie die Blockierung der Leitung zwischen Kammer 0 und Kammer 1 zeigt. Die Gründe sind unbekannt und spekulativ; sie reichen vom Wunsch, Bauten wie die Mastabas von Khenut, Nebet oder Kairer über dem Graben zu errichten, über eine technische Fehlfunktion bis hin zur Stilllegung wegen Wassermangels. Diese Versiegelung könnte auch aus anderen kulturellen oder religiösen Gründen erfolgt sein.

Die heutige Topografie des Geländes um den Djoser-Komplex unterstützt trotz Unsicherheiten aufgrund natürlicher oder anthropogener Veränderungen in den letzten fünf Jahrtausenden nicht die Existenz eines Grabens auf der Ostseite. Unsere Beobachtungen stimmen daher mit denen von Welc et al. [61] und einigen der ersten Entdecker [63] überein, die dem Dry Moat vernünftigerweise nur drei Abschnitte zuschreiben.

6 Materialien und Methoden

• Hochauflösende kommerzielle Satellitenbilder (Airbus PLEIADES, 50 cm Auflösung) und digitale Höhenmodelle (DEM) wurden berechnet und analysiert, um die Auswirkungen des paläohydrologischen Netzwerks des Abusir-Wadis auf Djosers Bauprojekt zu identifizieren. Die Prozesskette zur DEM-Erzeugung wurde hauptsächlich mit der Software Micmac [116] des französischen National Geographic Institute (IGN) sowie dem quelloffenen plattformübergreifenden geografischen Informationssystem QGIS 3.24.3. Tisler durchgeführt.
• Die Analyse georäumlicher Daten erfolgte mit dem quelloffenen, WebGL-basierten Punktwolken-Renderer Potree 1.8.1 und QGIS 3.24.3. Tisler.
• Die in diesem Artikel gezeigten 2D-CAD-Profile des Stufenpyramidenkomplexes wurden mit Solidworks 2020 SP5 (Dassault Systems), Sketchup Pro 2021 (Trimble), Blender (Blender Foundation) und Unreal Engine 5 (Epic Games) erstellt, hauptsächlich auf Grundlage von Abmessungen, die in den letzten zwei Jahrhunderten von aufeinanderfolgenden archäologischen Missionen erhoben und in der Literatur berichtet wurden.
• Das Einzugsgebiet des Wadi Taflah und das Einzugsgebiet westlich von Gisr el-Mudir wurden mit QGIS 3.24.3 identifiziert und charakterisiert. Dies geschah mithilfe des Plugins Geomeletitiki Basin Analysis Toolbox, entwickelt von Lymperis Efstathios for Geomeletitiki Consulting Engineers S.A. mit Sitz in Griechenland.
• Die Modellierung des hydraulischen Aufzugsmechanismus wurde mit der quelloffenen Programmiersoftware RStudio 2022.07.2 durchgeführt.

7 Schlussbemerkungen und Perspektiven

Dieser Artikel legt mehrere bislang nicht berichtete Entdeckungen im Zusammenhang mit dem Bau des Djoser-Komplexes offen:

1. Die Autoren präsentierten Hinweise darauf, dass der Standort Sakkara und der Stufenpyramidenkomplex stromabwärts eines Einzugsgebiets errichtet wurden. Dieses westlich der Einfriedung Gisr el-Mudir gelegene Einzugsgebiet entwässert eine Gesamtfläche von etwa 15 km². Wahrscheinlich war dieses Becken mit einem größeren Becken von geschätzt etwa 400 km² verbunden. Dieses größere Becken bildete einst den Bahr Bela Ma River, auch als Wadi Taflah bekannt, einen Nebenfluss des Nils.
2. Eine gründliche technische Analyse zeigt, dass die Einfriedung Gisr el-Mudir offenbar eine massive Sedimentfalle ist (360 m × 620 m, mit einer Mauerdicke von etwa 15 m und 2 km Länge), die einen offenen Rückhaltedamm aufweist. Angesichts ihres fortgeschrittenen geotechnischen Entwurfs schätzen wir, dass ein solches Werk aus einer technischen Tradition hervorgeht, die dem Bau dieses Damms deutlich vorausgeht.
   
   Um die Betriebszeit des Damms genau zu verstehen, betrachten die Autoren geologische Probenahmen und Analysen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Sedimentfalle als höchste Priorität. Dieser Prozess würde auch wertvolle Informationen über die chronologische Bauabfolge der wichtigsten Strukturen auf dem Plateau von Sakkara liefern.
3. Die hydrologische und topografische Analyse des stromabwärtigen Dammbereichs zeigt die mögliche Existenz eines ausgetrockneten, vermutlich ephemeren Sees, den wir Oberer Abusir-See nennen und der westlich des Djoser-Komplexes lag. Die Befunde legen eine mögliche Verbindung zwischen diesem See und dem hydrologischen Korridor von Unas sowie mit dem den Djoser-Komplex umgebenden „Dry Moat“ nahe.
4. Der „Dry Moat“ um den Djoser-Komplex wurde wahrscheinlich mit Wasser aus dem Oberen Abusir-See gefüllt und eignete sich damit für Navigation und Materialtransport. Unsere erste topografische Analyse schreibt diesem Graben nur drei Abschnitte zu (West, Nord und Süd).
5. Der innere südliche Abschnitt des Dry Moat liegt innerhalb des hydrologischen Korridors von Unas. Die in diesem Bereich errichtete lineare, in den Fels gehauene Struktur, „Deep Trench“ genannt, besteht aus aufeinanderfolgenden Kammern, die durch eine Felsleitung verbunden sind, und vereint die technischen Anforderungen eines Wasseraufbereitungssystems: Absetzbecken, Rückhaltebecken und Reinigungssystem.
6. In ihrer Gesamtheit bilden Gisr el-Mudir und der Deep Trench ein einheitliches hydraulisches System, das die Wasserreinheit verbessert und den Abfluss für praktische Nutzungen und lebenswichtige Bedürfnisse reguliert.
7. Wir haben eine mögliche Erklärung dafür aufgedeckt, wie die Pyramiden mithilfe hydraulischer Kraft gebaut wurden. Die innere Architektur der Stufenpyramide stimmt mit einer bislang nie beschriebenen hydraulischen Hebevorrichtung überein. Die Autoren nehmen an, dass die antiken Architekten die Steine aus dem Inneren der Pyramide heraus in einer Art „Vulkan“-Bauweise angehoben haben könnten. Die Granitsteinkästen am Boden des nördlichen und südlichen Schachts über der Stufenpyramide, die zuvor als zwei Gräber Djosers betrachtet wurden, besitzen die technische Signatur eines Einlass-/Auslasssystems für Wasserfluss ([Fig 15]). Ein einfaches Modell des mechanischen Systems wurde entwickelt, um seinen Wasserverbrauch und seine Tragfähigkeit zu untersuchen. Unter Berücksichtigung der geschätzten Wasserressourcen des Einzugsgebiets Wadi Taflah während des Alten Reiches zeigen die Ergebnisse Größenordnungen, die mit den baulichen Anforderungen der Stufenpyramide vereinbar sind.

Grafische Schlussfolgerung

[Fig 15].Fig 15. Zusammenfassung der Studie. Karte von Nord-Sakkara, die die Beziehung zwischen dem Abusir-Wasserlauf und dem Bauprozess der Stufenpyramide zeigt (Einschub). Die Pfeile, die die Fließrichtungen darstellen, sind näherungsweise und dienen der Veranschaulichung auf Grundlage der französisch-ägyptischen SFS/IGN-Vermessung [52]. Satellitenbild: Airbus Pléiades, 2021-07-02, reprinted from Airbus D&S SAS library under a CC BY license, with permission from Michael Chemouny, original copyright 2021.

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