Explosionen

1. Was ist eine Explosion?

GHS-Symbol

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Zuerst sollte man lieber fragen, was ist eine Verbrennung? Eine Verbrennung ist fachgerecht gesagt eine exotherme Reaktion, (exo = nach außen abgeben, therm = Wärme), eine Reaktion bei der Wärme frei wird. Das ist den meisten Menschen bekannt, doch was passiert eigentlich genau?
Am Beispiel von Methan kann das einfach erläutert werden. Methan ist ein Gas und ist z.B. Hauptbestandteil von Erdgas. Es wird aber auch von Bakterien als so genanntes “Biogas” produziert. Methan hat die chemische Formel CH4 (C steht für Kohlenstoff und H für Wasserstoff) also ein Molekül das aus 1 Kohlenstoffatom und 4 darum angeordneten Wasserstoffatomen besteht. Umgangssprachlich versteht man unter einer Verbrennung die Reaktion (hier Oxidation genannt) eines brennbaren Materials mit Sauerstoff unter Flammenbildung. Zündet man nun dieses Gas, reagiert es mit dem Luftsauerstoff (O2) zu CO2 und H2O, um genauer zu sein (damit die Rechnung aufgeht) entstehen 2 H2O.
Als Reaktionsgleichung:

{CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow  CO_2 + 2\ H_2O}
Holz zum Beispiel, verbrennt langsam, da die brennbare Oberfläche relativ klein ist und die Dichte groß. Holzspäne hingegen brennen schon besser, da die Oberfläche die Kontakt zur Luft hat größer ist. Bei Holzstaub kann es sogar zu einer “Staubexplosionen” kommen. Deshalb kann Gas explodieren wenn es z.B. aus einem Leck austritt und sich mit Luft vermischt woraufhin sich ein zündfähiges Gemisch bilden kann.
In einem Raum der zu 100% mit Methan gefüllt ist, würde man vergeblich versuchen das Gas zu entzünden, da der Sauerstoff fehlt.
Eine Explosion bezeichnet daher nichts weiteres als eine sehr schnell fortschreitende Verbrennung. Damit einher geht auch eine enorme Volumenzunahme der Verbrennungsprodukte, allerdings nimmt man das bei der Verbrennung von Holz kaum wahr, da diese langsam und gemäßigt fortschreitet. Dadurch haben die Gase genügend zeit sich zu verteilen. Pro kg verbranntem Holz entstehen etwa 5,5m³ Abgas, geht man von einer Dichte 650kg/m³ aus, besitzt 1kg Holz das Volumen von 0,0015m³ also etwa 1,5 Liter, d.h. die Volumenzunahme vom Feststoff Holz zu seinen gasförmigen Verbrennungsprodukten beträgt das 3666-Fache. Verbrennt nun ein Stoff extrem schnell, entstehen auch die Verbrennungsprodukte extrem schnell, und genau das bezeichnet man als Explosion.

Eine Explosion ist eine chemische Reaktion oder ein physikalischer Vorgang, bei dem Temperatur oder Druck in kurzer Zeit erheblich ansteigen. Dabei kommt es zu einer plötzlichen Volumenausdehnung von Gasen und der Freisetzung von großen Energiemengen auf kleinem Raum

Stoffe die gut mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Kontakt kommen können Explodieren. Holz ist ein Feststoff und brennt daher nur langsam, doch Explosivstoffe sind auch Feststoffe. Wie kann denn Dynamit explodieren obwohl man es fest zusammenpresst und dann auch noch mit Papier umhüllt?
Das berühmte Nitroglycerin hat die Summenformel C_3H_5N_3O_9 es ist flüssig und besitzt ganze 9 Sauerstoffatome. Der zur Verbrennung nötige Sauerstoff kommt also nicht aus der Umgebung, sondern ist im Stoff selber enthalten. Nitroglycerin ist allerdings ein sehr instabiler Stoff, schon kleine Erschütterungen können es zur Explosion bringen (siehe Verbrennungsgeschwindigkeit. 1867 gelang es Alfred Nobel, durch Aufsaugen von Glycerintrinitrat in Kieselgur (einem Sedimentgestein) erschütterungsunempfindliches Dynamit herzustellen.
Andere Sprengstoffe sind auch in Reinform fest. Hier verweise ich auf einige Wikipedia Artikel.
RDX (Hexogen) ist Hauptbestandteil von Plastiksprengstoffen wie C4 oder Semtex und hat eine Detonationsgeschwindigkeit von 8,4 km s-1.
HMX (Octogen) ist einer der stärksten Sprengstoffe (9,11 km s-1) aber auch sehr teuer und wird daher z.B. in Hohlladungen eingesetzt.

Sprengstoffe basieren auf energiereichen Verbindungen. Dies sind teilweise organische Verbindungen, welche die chemischen Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) enthalten und thermodynamisch wenig stabil sind […]. Typischerweise weisen die meisten organischen Sprengstoffe Nitrogruppen auf. Bei der Explosion entstehen sehr stabile, gasförmige Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid CO2, Wasserdampf und Stickstoff N2. Bei dieser Umsetzung wird innerhalb weniger Mikro- oder Millisekunden eine große Wärmemenge freigesetzt, außerdem sind die bei der Umsetzung des Sprengstoffs entstehenden Reaktionsprodukte auch wegen der entstehenden Hitze von mehreren tausend Grad Celsius gasförmig. Die plötzliche Entstehung sehr heißer Gase, mit großem Raumbedarf, aus einem Feststoff oder Flüssigkeit hat dann die für Sprengstoffe typische Druckwelle zur Folge.

2. Was macht Explosionen zerstörerisch?

Das wirklich zerstörerische an Explosionen ist die Stoßwelle (Shock wave). Dabei handelt es sich um eine fortschreitende Wellen welche sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Je schneller ein Sprengstoff detoniert (Detonationsgeschwindigkeit), umso stärker ist die Stoßwelle. Eine Detonation ist eine sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitende Verbrennung in einem Sprengstoff. Innerhalb der Stoßwelle ändern sich Dichte, Druck, Temperatur nahezu momentan. Dadurch werden dünne Stoßwellen mit stark ansteigendem Druck erzeugt. Die Stoßwellen klingen schließlich zu normalen Druckwellen ab, wenn ihre Energie von der Luft absorbiert wird.

Detonationen, wie beispielsweise die von Bomben, sind in der Lage, mit ihren Stoßwellen Gegenstände durch die Luft fliegen zu lassen und zu zerstören.

Trifft eine Detonationsfront auf einen angrenzenden Körper, so wird dieser durch den extrem schnellen Anstieg auf sehr hohe Drücke einer sehr starken Beschleunigung ausgesetzt. Die dabei auftretenden Kräfte betragen ein Vielfaches der zwischenatomaren Bindungskräfte. Es gibt kein Material, das dem Detonationsstoß eines brisanten Sprengstoffes unmittelbar standhalten kann. In der Detonationsfront herrscht ein sehr hoher Druck von bis zu 500 Kilobar und eine sehr hohe Temperatur von bis zu 6000°C; die Materie ist hochverdichtet, ionisiert (wird elektrisch leitend) und emittiert Licht, erkennbar als Detonationsblitz. In einer mehr oder weniger breiten Zone wird durch einen Detonationsstoß die mechanische und chemische Struktur des Zielmaterials zerrissen.

Ein sehr interessanter Beitrag über Stoßwellen wurde von BBC gemacht. Hier kann man einige der oben genannten Phänomene beobachten. Durch die Dichte- und Druckunterschiede ändert sich natürlich auch der Brechungsindex der Luft weshalb man die Stoßwelle sehen kann.

3. Gesundheitliche Folgen

Je nach Art, Schwere und Entfernung zur Explosion und weiteren Umständen kommt es zu typischen gesundheitlichen Schäden.
Druckschläge auf den Brustkorb können die bei geschlossenem Mund zu einer Verletzung des Lungengewebes führen. (dies ist auch bei Lawienenabgängen zu beachten, da hier ebenfalls starke Druckstöße auftreten können). Bei Lungenrissen kann es zu einer arterielle Gasembolie kommen. Dabei kommt es zum Übertritt der Atmungsluft in die Lungenvenen. Die Luftblasen rufen dann auf ihrem Weg durch die linke Herzkammer Verschlüsse durch Blasenanlagerung in den Endarterien des Rückenmarks, des Gehirns oder auch der Herzkranzgefäße hervor. Was zu Bewusstseinstrübungen, Bewusstlosigkeit, Halbseitenlähmungen und Atemlähmung führen kann. Ebenfalls kann ein randständiger Lungenriss zu einer Luftansammlung im Brustraum führen (Pneumothorax). Hierbei strömt die Luft aus der Verletzung ins Brustfell womit der Unterdruck aufgehoben wird, dadurch fällt die Lunge zusammen und man droht zu ersticken. Sofern sich die Verletzungsstelle nicht spontan schließt (Regelfall), strömt mit jedem Atemzug weitere Luft in den in den Brustraum, und es entsteht ein Spannungspneumothorax.

Weiter kann es zu einem Knalltraumata bzw. Schalltrauma kommen.
Außerdem natürlich zu Verbrennungen, schweren Verletzungen durch Trümmer und Splitter sowie Schockzuständen.

Zum Abschluss das Video einer Überwachungskamera, welche eine IED(improviced explosive device) Explosion eines Lastwagens im Irak aufgezeichnet hat.

2 Antworten zu “Explosionen”

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