: Sprengstoffe für zivile Anwendungen
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Spektrum der Wissenschaft: Sprengstoffe für zivile Anwendungen

 

Sprengstoff ist in stofflicher Form konzentrierte Energie. Sie läßt sich bei sachgerechtem Vorgehen gezielt freisetzen, um Arbeit zu verrichten, die anders nur äußerst mühsam und völlig unwirtschaftlich zu leisten wäre. Während dem römischen Kaiser Nero (37 bis 68 nach Christus) auch mit Tausenden von Sklaven der Bau des Kanals von Korinth nicht gelang, ermöglichten Dynamit und Sprenggelatine, das Projekt innerhalb von zwei Jahren – von 1891 bis 1893 – durchzuführen. Die Anlage des Panamakanals in den Jahren 1879 bis 1890 und 1903 bis 1914 erforderte 30 000 Tonnen Dynamit. Und ohne diesen Sprengstoff hätten St. Gotthard- und Tauerntunnel beim damaligen Stand der Technik kaum innerhalb weniger Jahre fertiggestellt werden können (von 1872 bis 1882 beziehungsweise von 1901 bis 1907).

 

Außer für derartige Bauprojekte nutzt man Sprengstoffe zum Gewinnen von Rohstoffen, denn Erze, Mineralien oder auch Kohle rein mechanisch zu fördern wäre wesentlich teurer. Eine wichtige Anwendung ist der Abriß von Gebäuden und technischen Anlagen; selbst Wurzelstöcke lassen sich durch Explosionen roden und Böden lockern. (…)

 

Nitroglycerin, eine Entdeckung des italienischen Chemikers Ascanio Sobrero (1812 bis 1888) aus dem Jahr 1847 hat zwar eine große Sprengkraft, ist aber unberechenbar empfindlich gegen Erschütterung und Stoß, so daß der Erfinder selbst seine Versuche, es als Sprengstoff zu verwenden, bald aufgab. Besonders störend war auch, daß Nitroglycerin sich nicht wie das in Europa seit dem 13. Jahrhundert eingesetzte Schwarzpulver – nach heutigem Verständnis ist das ein Gemisch aus Kaliumnitrat, Holzkohlepulver und Schwefel in einem Massenverhältnis von etwa 75:15:10 – leicht durch eine offene Flamme zur Detonation bringen ließ.

 

Etliche Jahre später begann die Familie Nobel mit Nitroglycerin zu experimentieren. Die Entwicklung eines Schwarzpulverzünders durch Alfred Nobel (1833 bis 1896) war der Verbreitung des neuen Sprengstoffs zwar förderlich, doch forderte die gefährliche Substanz immer wieder Todesopfer bei Herstellung, Transport oder Anwendung. Im Jahre 1866 fand Alfred Nobel im Werk Krümmel bei Hamburg die Lösung des Problems: Diatomeen-Erde (Kieselgur), die mit der öligen Flüssigkeit Nitroglycerin nicht reagiert, erwies sich als ideales Adsorptionsmittel. Bei 75 Teilen Sprengstoff und 25 Teilen Kieselgur ergab sich ein fester Stoff, der nun, zu zylinderförmigen Körpern verarbeitet und in Papierhüllen eingeschlagen, dosiert in die Bohrlöcher einzubringen war, während man Nitroglycerin einfach hineingeschüttet hatte. Trotz des hohen Inertstoffgehalts erwies sich das neue Material in seiner Sprengkraft als fünfmal stärker als Schwarzpulver und deutlich handhabungssicherer als Nitroglycerin alleine. Das Gurdynamit (nach griechisch dynamis für Kraft) wurde ein enormer wirtschaftlicher Erfolg.

 

Allerdings löste sich das Material in Wasser, und seine Sprengkraft war um ein Viertel geringer als die des reinen Nitroglycerins. Im Jahr 1875 löste Alfred Nobel das Sprengöl deshalb in Schießbaumwolle (Nitrocellulose), einer leicht entzündlichen, watteartigen Substanz, die der Baseler Chemieprofessor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) 1846 durch Behandeln von Baumwolle mit Salpeter- und Schwefelsäure erstmals hergestellt hatte. Er erhielt einen gallertartigen Stoff, der wasserfest, gegenüber mechanischer Belastung noch unempfindlicher und durch den höheren Nitroglyceringehalt deutlich energiereicher war als Gurdynamit: die Sprenggelatine.

 

Allerdings wurde eine solch hohe Energiedichte in der Praxis gar nicht benötigt. Sie ließ sich etwas verringern, indem man die Gelatine mit Chilesalpeter und verbrennbaren organischen Stoffen wie Sägemehl oder Kohlenstaub streckte. Dies stabilisierte gleichzeitig die gesamte Mischung gegen Stöße und Erschütterungen. Bereits kurze Zeit später ersetzte man den Chilesalpeter durch Ammoniumnitrat, das vollständig in gasförmige Produkte zerfällt und aufgrund des zusätzlichen Gasdrucks die Sprengwirkung steigert. Nach wie vor werden die zivilen gelatinösen Ammonsalpeter-Sprengstoffe nach diesem Prinzip gefertigt und lediglich durch Additive an die Anforderungen moderner Sprengtechnik angepaßt.

Nitroglycerinfreie Gesteinsprengstoffe

 

Da die sichere Herstellung von Nitroglycerin sehr aufwendig ist, suchte man bald nach Alternativen. Insbesondere war bereits seit den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt, daß das Oxidationsmittel Ammoniumnitrat bei hohen Anregungsenergien auch alleine detonationsfähig ist. Die Mischung mit verbrennbaren Substanzen wie Dieselöl (ammonium nitrate plus fuel oil, ANFO) läßt sich leichter zur Reaktion bringen. Während man die Komponenten zunächst im Gewichtsverhältnis 1:1 mischte – das entsprach einem Sack Ammoniumnitrat und einer Kanne Dieseltreibstoff – und den Sprengstoff nur in großen Bohrlöchern von 200 und mehr Millimetern Durchmesser mit Verstärkungsladungen aus sensibleren Sprengstoffen zu zünden vermochte, wurde im Laufe der Jahre die Zündfähigkeit bei unverändert geringer mechanischer Empfindlichkeit deutlich verbessert.

 

So adsorbiert ein Ammoniumnitrat-Granulat mit einer durch den Herstellprozeß steuerbaren Porosität – in Form sogenannter Prills – Mineralöl besser und weist eine größere Grenzfläche zwischen den Reaktanden auf. Auch verbessert der durch Abrieb bei der Herstellung erzeugte Feinanteil bis zu einer gewissen Menge die Zündfähigkeit. Allerdings behindert er schließlich das Fließvermögen des Sprengstoffs, den man mit Schnecken oder pneumatisch in die Bohrlöcher fördert. Zwar erreicht ANFO nicht die Explosionskraft der nitroglycerinhaltigen Produkte, doch ist es der billigste Massensprengstoff überhaupt und macht darum weltweit etwa 80 Prozent des Sprengstoffmarkts aus.

 

Allerdings lösen sich die Prills in wasserhaltigen Bohrlöchern rasch auf. Ist der Wasserstand aber nicht zu hoch, entsteht nur am Boden eine Lösung beziehungsweise ein Salzbrei, während der Sprengstoff im oberen Bereich noch brauchbar ist. In diesem Falle läßt sich die Ladesäule durch eine genügend starke Verstärkerladung zünden.

 

Systematisch wurde das Prinzip verfeinert. So gibt man dem Brei molekulare Explosivstoffe wie Trinitrotoluol (TNT) oder Hexogen zu (also sensible, ohne weitere Komponenten explosionsfähige Stoffe). Als oxidierbare Bestandteile werden Zucker, Mineralöl, Kohlenstaub und – besonders wichtig – Aluminiumpulver zugesetzt. Dessen hohe Verbrennungswärme heizt die bei der Detonation entstehenden Gase stark auf und sorgt so für einen hohen Gasdruck. Damit sich die Komponenten nicht entmischen, benutzt man Quellmittel wie Agar-Agar, Stärke, Guarmehl oder Polyacrylamid, deren Makromoleküle die flüssigen Bestandteile einbetten und sich mit Antimon(V)- oder Chrom(VI)-Salzen vernetzen lassen.

 

Je nach Zusammensetzung entstehen dann schlammartige, fließfähige Sprengstoffe – sogenannte Slurries – oder feste, in Patronen abfüllbare, die Water Gels. Auch die Zündfähigkeit des Materials läßt sich dabei in weiten Grenzen variieren. Wasser verhält sich gegenüber Brennstoff und Oxidationsmittel inert und stabilisiert Slurries deshalb gegen Schlag und Reibung. Allerdings mußte man am Anfang der Entwicklung lernen, daß nicht gegen Korrosion vorbehandeltes Aluminium durch die Salzlösung angegriffen wird und seine Zersetzung sich sogar bis zu einer Detonation aufschaukeln kann. (…)

Explosivstoffe für den Untertage-Bergbau

 

Die „schlagenden Wetter”, Explosionen von Methan-Luft-Gemischen, die den im Kohlebergbau allgegenwärtigen Kohlenstaub aufwirbeln und dann ebenfalls zur Detonation bringen, haben schon vielen Bergleuten das Leben gekostet. Sie sind vor allem deshalb so gefährlich, weil sich ihre Stoßwelle nicht nach allen Richtungen ausbreitet und totläuft, sondern durch das Stollensystem über Kilometer hinweg fortpflanzen kann. Zudem verbrennt der Kohlenstoff nicht vollständig, und es entsteht hochgiftiges Kohlenmonoxid – ihm sind bei Grubenunglücken oft mehr Bergleute zum Opfer gefallen als der Druckwelle.

 

Methan-Luft-Gemische lassen sich in weiten Konzentrationsgrenzen – schon ab Anteilen von etwa 5 bis 15 Prozent Methan – mit geringen Energiemengen zünden. Selbstverständlich reicht eine Detonation dafür allemal aus. Um so erstaunlicher ist es, daß man spezielle Sprengstoffe zu entwickeln vermochte, die trotz Schlagwettergefahr eingesetzt werden dürfen.

 

Dabei nutzt man den Umstand, daß die Zeit zwischen der Zündung und der Explosion von Methan-Luft-Gemischen, in der die reaktiven Radikale und Ionen die Reaktion weitertragen, mit sinkender Temperatur anwächst. Man setzt deshalb der Mischung aus Nitroglycerin, Ammoniumnitrat und Brennstoff eine größere Menge Salz, beispielsweise Kochsalz, in feiner Form zu. Dessen relativ hohe spezifische Wärme entzieht der heißen Schwadenwolke Energie, so daß die Endtemperatur der Explosionsgase sinkt und möglicherweise zur Zündung des Methan-Luft-Gemisches nicht mehr ausreicht. Noch wichtiger ist die Wirkung dieser feinen, festen Salzpartikel als Antikatalysatoren, die auf ihrer Oberfläche die reaktiven Teilchen abfangen, so daß die Verbrennung nicht weitergetragen wird und sich die Explosion nicht aufbauen kann. Durch den Salzgehalt wird auch die Gesamtenergie des Sprengstoffs gesenkt und somit der Maximaldruck in der Stoßwelle reduziert.

 

Besonders sicher sind Wettersprengstoffe mit inversen Salzpaaren: Statt explosionsfähigem Ammoniumnitrat und beispielsweise Natriumchlorid enthalten diese die harmlosen Salze Ammoniumchlorid und Natriumnitrat. Bringt man das in nur geringen Anteilen vorhandene Nitroglycerin zur Detonation, bleibt seine Energie im Bohrloch konzentriert und kann dort den Zerfall beider Stoffe einleiten, wobei kurzzeitig wieder Ammoniumnitrat und Natriumchlorid entstehen, die dann in bekannter Weise weiterreagieren. Sofern eine Ladesäule nicht im Bohrloch, sondern offen im Kontakt mit dem Methan-Luft-Gemisch detoniert, weil beispielsweise eine Nachbarladung bereits Gestein weggerissen hat, wird das inerte Gemisch des inversen Salzpaars hingegen lediglich weggeschleudert, die Energie des Nitroglycerins dadurch zum großen Teil verbraucht und eine Schlagwetterexplosion somit vermieden. Aufbauend auf diesem Prinzip werden in Deutschland die weltweit sichersten Wettersprengstoffe hergestellt.

Wicki/English

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Es gibt 2 sachen die unendlich sind die menschliche dummheit, und das Universum, aber bei den Universum
bin ich mir nicht sicher!!
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