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Explosion

[221] Explosion (lat.), eine von mehr oder minder heftigen mechanischen Wirkungen und starkem Knall begleitete plötzliche Entwickelung von Gasen und Dämpfen. Erreicht die E. den höchsten Grad der Geschwindigkeit, so wird sie Detonation genannt. Der einfachste Fall ist die E. eines Dampfkessels, in dem, durch irgend welche Verhältnisse veranlaßt, plötzlich so große Mengen Dampf gebildet werden, daß die Gefäßwände der entstehenden Spannung nicht mehr zu widerstehen vermögen. Damit vergleichbar ist eine Windbüchse, die mit sehr stark komprimiertem Gas geladen ist. Durch einen Mechanismus bringt man das Gas in die Lage, sich plötzlich sehr stark auszudehnen, und dabei treibt es das Geschoß fort. In der Praxis ruft man Explosionen zur Erzeugung starker mechanischer Wirkungen nur mit Hilfe chemischer Zersetzungen hervor. Die Explosivstoffe werden auf irgend eine Weise zur E. gebracht, d. h. zur Zersetzung, bei der sie plötzlich eine große Menge Gase entwickeln, deren Volumen durch die hohe Temperatur bei der Zersetzung noch erheblich vergrößert wird.

Die Anwendung der E. gründet sich auf den Druck und die Arbeit, die sie entwickeln. Der Druck hängt hauptsächlich ab von der Natur der gebildeten Gase, von ihrem Volumen und ihrer Temperatur, die Arbeit hauptsächlich von der entbundenen Wärme, die ein Maß für die entwickelte Energie ist. Mit andern Worten, das Arbeitsmaximum, das eine explosive Substanz leisten kann, ist proportional der durch ihre Zersetzung entwickelten Wärmemenge. Bezeichnet A diese Wärmemenge, ausgedrückt in Kalorien, so ist die entsprechende Arbeit, in Kilogrammetern ausgedrückt, = 425 A, nach dem mechanischen Wärmeäquivalent. Diese Zahl drückt die potenzielle Energie der explosiven Substanz aus; sie wird in der Praxis natürlich niemals erreicht, aber man muß sie kennen als die einzige absolute Vergleichungsgrenze. Die tatsächliche Umwandlung dieser Energie in Arbeit ist abhängig von dem Volumen der Gase und dem Gesetz der Expansion. Diese Umwandlung ist immer unvollständig, ja nur ein Teil derselben wird ausgenutzt. Bei den Feuerwaffen z. B. ist die Arbeit, die dem Geschoß seine lebendige Kraft verleiht, allein von Nutzen, während die auf Kosten der Waffe sowie zur Fortschleuderung der Gase und der Luft aufgewandte Arbeit verloren ist. Außerdem bleibt ein beträchtlicher Bruchteil der Energie ungenutzt unter der Form von in den Gasen aufgespeicherter oder dem Geschoß, der Waffe etc. mitgeteilter Wärme.

Bei allen Explosivstoffen spielt die Zeitdauer der Reaktionen eine wesentliche Rolle. Einmal hervorgerufen, vollzieht sich die Reaktion von selbst, indem sie sich entweder durch einfache, allmähliche Entzündung oder durch fast augenblickliche Detonation fortpflanzt Diesen Beginn der Reaktion hat man Zündung genannt, was eine erste lokale Erhitzung bedeutet. Um sich zu entwickeln, bedarf die Reaktion einer sie einleitenden Arbeit; die explosive Substanz muß auf eine gewisse Anfangstemperatur gebracht werden, das Schießpulver z. B. auf 315°, das Knallquecksilber auf 190°. Stoß, Druck, Reibung u. a. m. sind nur unter der Voraussetzung wirksam, daß auch sie eine lokale Erhitzung der explosiven Substanz bewirken. Je nach den Bedingungen, unter denen diese Erhitzung erfolgt, kann die Zersetzung derselben explosiven Substanz bei sehr verschiedenen Temperaturen und ebenso mit sehr verschiedenen Geschwindigkeiten erfolgen. Im Zusammenhang hiermit steht die Sensibilität der explosiven Substanzen. Ein Substanz ist sensibel für die geringste Temperaturerhöhung, eine andre für einen Stoß, eine andre detoniert bei der leisesten Reibung.

Die mehr oder weniger lange Dauer einer Reaktion ändert kaum die Menge der durch die vollständige Zersetzung einer gegebenen Explosivstoffmenge entbundenen Wärme. Können sich die entwickelten Gase aber ausdehnen, dann wird der Anfangsdruck um so geringer sein, je längere Zeit die Zersetzung der betreffenden Explosivstoffmenge dauert. Bei sehr rapider Zersetzung der ganzen, in einem geschlossenen Raume befindlichen Explosivstoffmasse nähert sich der Anfangsdruck der kolossalen Größe seiner theoretischen Grenze, zumal auch die Wärmeverluste, welche die Explosionsprodukte durch Berührung, Leitung und Strahlung erleiden, und die den Druck und die Geschwindigkeit der Reaktion herabsetzen, um so geringer sein werden,[221] je schneller die explosive Substanz sich zersetzt und je enger der Raum ist, in dem dieselbe sich eingeschlossen befindet. Aber selbst bei in schwacher Umhüllung oder unter einer Wasserschicht, ja sogar bei an freier Luft befindlichen explosiven Substanzen zeigt sich das gleiche Verhalten. Denn wenn die Dauer der Reaktion ins Ungemessene abnimmt, so entwickeln die entbundenen Gase einen Druck, der mit solcher Geschwindigkeit anwächst, daß sogar die in der Umgebung befindlichen festen, flüssigen und selbst luftförmigen Körper nicht Zeit finden, sich in Bewegung zu setzen und ihnen allmählich nachzugeben; diese Körper setzen dann der Ausdehnung der Gase Widerstände entgegen, die denen, die ein fester Einschluß bietet, zu vergleichen sind. Ein Tropfen Chlorstickstoff kann auf einem Uhrglas detonieren, ohne dasselbe zu zertrümmern, während, wenn man ihn mit ein wenig Wasser bedeckt, das Glas zerschmettert wird. – Je nachdem sich mehr oder weniger große Massen einer explosiven Substanz zersetzen, kann die Art ihrer Zersetzung sich verschieden gestalten, ein Verhalten, das bei den spontanen Zersetzungen großer Explosivstoffmengen beobachtet wird. Zuerst langsam bei gewöhnlicher Temperatur, wird die Zersetzung schneller unter dem Einfluß der von ihr bewirkten Temperaturerhöhung, indem die Wärme auf die Anfangsreaktion eine neue Reaktion folgen läßt, die mehr Wärme entwickelt; hierdurch erhöht sich die Temperatur noch weiter, so daß die Reaktion eine stürmische wird und schließlich eine allgemeine E. eintritt.

Die Explosionswirkungen explosiver Substanzen sind auch abhängig von der Art ihrer Zündung. Je nach der Art, wie das Dynamit gezündet wird, kann es sich ruhig und ohne Flamme zersetzen oder mit Lebhaftigkeit verbrennen oder explodieren, bald mäßig stark, bald mit außerordentlicher Heftigkeit. Die Substanzen, die diese letztere Wirkung hervorbringen, sind die Detonatoren. Ihre Wirkungsweise hat zuerst Nobel (1864) erkannt, und er hat das Verfahren gefunden, Nitroglyzerin mittels einer Knallquecksilberkapsel mit Sicherheit zur Detonation zu bringen. Schießbaumwolle verhält sich den verschiedenen Zündmitteln gegenüber ebenso verschieden wie Nitroglyzerin. Diese Verschiedenheit der explosiven Phänomene hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Reaktion fortpflanzt, und von dem mehr oder weniger starken Druck, der die Folge davon ist. Ein aus einer Höhe von 0,25–0,5 m herabfallendes Gewicht kann freilich die Temperatur einer explosiven Substanz nur um Bruchteile eines Grades erhöhen, wenn die entstandene Wärme sich in der ganzen Masse verbreitet; diese letztere erreicht also nicht eine genügend hohe Temperatur (z. B. 190–200° für das Nitroglyzerin), auf die plötzlich die ganze Masse gebracht werden muß, damit ihre E. eintritt. Indes erfolgt der Druck, der infolge des auf die Oberfläche des Nitroglyzerins ausgeübten Stoßes auftritt, zu plötzlich, um sich gleichmäßig in der ganzen Masse zu verteilen, und die Umsetzung der lebendigen Kraft in Wärme findet nur in den ersten von dem Stoß erreichten Schichten statt. Diese Schichten können durch hinreichend heftigen Stoß ebenso plötzlich auf 200° gebracht werden, und ihre Zersetzung wird sogleich erfolgen unter Entwickelung großer Mengen von Gasen. Diese Gasentwickelung erfolgt so plötzlich, daß der Körper, der den Stoß verursacht hat, seinen Platz noch nicht hat verlassen können; die rapid entwickelten Explosionsgase erzeugen einen neuen Stoß auf die unter der ersten Schicht liegenden Schichten, und dieser Stoß ist ohne Zweifel heftiger als der erste. Die lebendige Kraft dieses neuen Stoßes setzt sich in Wärme um in den Schichten, die er zuerst erreicht, und bringt diese, zur E., und diese Wechselwirkung zwischen einem Stoß, der eine lebendige Kraft entwickelt, die sich in Wärme umsetzt, und einer Erzeugung von Wärme, welche die Temperatur der erhitzten Schichten erhöht bis zu dem Grade, daß eine neue E. entsteht, die fähig ist, wiederum einen Stoß auszuüben: diese Wechselwirkung pflanzt die Reaktion von Schicht zu Schicht durch die ganze Masse fort.

Die Intensität des ersten Stoßes kann natürlich sehr verschieden sein, je nach der Art, wie er hervorgebracht wird. Ein und dieselbe explosive Substanz kann also sehr verschiedene Wirkungen hervorbringen, je nach der Art, wie ihre Zersetzung bewirkt wird. Ebenso variieren die Wirkungen, je nachdem die Substanz für sich oder im Gemisch mit einer andern Substanz sich befindet, und welcher Art die Struktur dieser letztern ist. Das Dynamit, von Kieselgur aufgesaugtes Nitroglyzerin, ist gegen einen gewöhnlichen Stoß wenig sensibel, explodiert aber durch den Aufschlag eines Geschosses und besonders durch den Stoß von explodierendem Knallquecksilber. Ein geringer Zusatz von Kampfer setzt seine Sensibilität für den Stoß noch weiter herab. Die Schießbaumwolle, wenn mit Wasser oder Paraffin imprägniert, kann nur durch eine mit trockner Schießbaumwolle geladene Zündpatrone, die selbst durch Knallquecksilber gezündet wird, zur Detonation gebracht werden. Bei der durch Essigäther oder ein andres Lösungsmittel gelatinierten nitrierten Zellulose, dem wesentlichen Bestandteil aller rauchlosen neuen Pulver, ist deren Sensibilität für den Stoß außerordentlich herabgesetzt.

Von der Heftigkeit des Stoßes und von der Größe der Arbeit, die er leisten kann, ist die Menge der in Wärme umgesetzten lebendigen Kraft abhängig. Diese beiden Faktoren sind verschieden bei den verschiedenen Explosionsstoffen. Die geeignetsten Detonatoren sind nicht immer diejenigen, deren E. augenblicklich erfolgt. Chlorstickstoff ist nicht sehr wirksam, um Schießbaumwolle zu detonieren; der gegen Reibung so empfindliche Jodstickstoff bleibt fast ohne Wirkung auf Schießbaumwolle, nur weil beide Körper weniger Wärme entwickeln als Knallquecksilber. Komprimierte Schießbaumwolle ist infolge ihrer Struktur weniger dicht als Nitroglyzerin, es muß daher der durch Stoß hervorgerufene Druck durch die vorhandenen Zwischenräume merklich abgeschwächt werden; daher ist auch die Schießbaumwolle viel schwieriger zur Detonation zu bringen als Nitroglyzerin. Durch zur E. gebrachte Schießbaumwolle kann Nitroglyzerin detoniert werden, nicht aber Schießbaumwolle durch explodierendes Nitroglyzerin. Schießbaumwolle verlangt zu ihrer Detonation den viel heftigern Stoß des reinen Knallquecksilbers, und auch das letztere ist weniger wirksam, wenn es frei liegend, als wenn es in einer Metallkapsel eingeschlossen zur Verwendung gelangt. Es ist weniger wirksam, wenn es in einer Kapsel von Papier oder Stanniol als in einer Kapsel aus Kupferblech benutzt wird; es ist noch weniger wirksam, wenn die Knallquecksilberkapsel nicht in unmittelbarer Berührung mit der Schießbaumwolle ist; es ist wirkungslos, wenn es sich in einer elastischen Federpose befindet. Ebenso ist unmittelbarer Kontakt nötig zwischen der Zündkapsel und der durch dieselbe zu detonierenden explosiven Substanz, andernfalls wird der von der Zündkapsel gelieferte Stoß durch die vorhandene Luftschicht abgeschwächt.[222]

Eine andre Art der Fortpflanzung der Reaktionen im Innern einer explosiven Substanz besteht in einer Wirkung in die Ferne und zwar durch Vermittelung der Luft oder fester Körper, die selbst keine chemische Veränderung erfahren (Explosionen durch Influenz). Eine Dynamitpatrone, durch eine Knallquecksilberkapsel zur Detonation gebracht, läßt die benachbarten Dynamitpatronen detonieren, selbst wenn die Patronen sich nicht berühren. Befinden sich die Patronen in feste Metallhülsen eingeschlossen und auf widerstandsfähiger Unterlage, so teilt sich die Detonation von 100 g Dynamit auf 0,3 m Entfernung mit. Auf weichem Boden sind die Entfernungen geringer. Eine an einem Faden in freier Luft aufgehängte Dynamitpatrone gelangt nicht zur Detonation durch Influenz, denn da sie schwingen kann, erfährt sie nicht die ganze Kraft des von der detonierten Dynamitpatrone gelieferten Stoßes. Aber selbst die Luft genügt, um die Detonation durch Influenz fortzupflanzen, wenn mit sehr großen Massen operiert wird. Ist das Umhüllungsmaterial der Patronen wenig widerstandsfähig, so ist die Entferung, auf die sich die E. fortpflanzt, ebenfalls geringer. Einfach auf den Erdboden gestreutes Dynamit ist nicht imstande, wenn es detoniert wurde, in der Nähe befindliches Dynamit zu detonieren.

Die Explosionen durch Influenz erfolgen nicht durch eigentliche Zündung, sondern durch einen fortgepflanzten Stoß, der von dem kolossalen und plötzlichen Druck, den das Nitroglyzerin oder die Schießbaumwolle liefert, hervorgebracht wird, einen Stoß, dessen lebendige Kraft sich in der explosiven Substanz in Wärme umsetzt. Nach Abel beruht die die Detonation einer explosiven Substanz bestimmende Ursache auf dem Synchronismus zwischen den Schwingungen, die von einem zweiten Körper, der die Detonation hervorruft, erzeugt werden, und denjenigen Schwingungen, die der erste Körper, wenn er detonierte, erzeugen würde; genau so wie eine Violinsaite tönt, wenn in einiger Entfernung eine gleichgestimmte andre Saite in Schwingungen versetzt wird. Für diese Theorie spricht, daß es für jede explosive Substanz spezielle Detonatoren zu geben scheint (s. oben). Auch haben Champion und Pellet Jodstickstoff auf einer Violincellsaite durch Mittönen und Nitroglyzerin in dem Brennpunkt eines Hohlspiegels durch explodierendes Nitroglyzerin in dem Brennpunkt eines zweiten, dem ersten zugewendeten konaxialen Hohlspiegels zur Detonation gebracht. Keiner dieser Versuche ist indessen beweisend. Die beobachteten Wirkungen bleiben aus bei Entfernungen, die unvergleichlich viel geringer sind als die, bei denen gleichgestimmte Saiten mittönen. Die Detonationen sind viel eher Funktionen der Intensität der mechanischen Wirkung, als daß sie in dem Wesen und der Art der bestimmenden Schwingungen ihren Grund haben. Die Detonation bleibt auch aus, wenn die Masse des Detonalors eine zu geringe und folglich die lebendige Kraft des Stoßes abgeschwächt ist. Der spezifische vibratorische Ton, der die Detonationen hervorrufen würde, müßte immer derselbe bleiben. Dynamitpatronen detonieren nicht durch Kapseln, die weniger als 0,2 g Knallquecksilber enthalten; nur wenn dieselben 1 g des Fulminats enthalten, ist die Detonation der Dynamitpatronen gesichert. Es existiert also eine direkte Beziehung zwischen dem Charakter der Detonation und der Intensität des durch ein und denselben Detonator hervorgebrachten Stoßes. Ließe in der Tat die Schießbaumwolle das Nitroglyzerin infolge des Synchronismus der mitgeteilten Schwingungen detonieren, so wäre unverständlich, warum die umgekehrte Wirkung nicht statthat. Das Nichtvorhandensein von Wechselwirkung erklärt sich leicht durch den Strukturunterschied der beiden Substanzen, der eine Hauptrolle spielt bei der Umsetzung von lebendiger Kraft in Arbeit. Indessen ist zweifellos, daß die Fortpflanzung der Explosionen durch Influenz sich infolge von Wellenbewegung vollzieht, und zwar ist unter dieser zu verstehen eine komplexe Bewegung, die in denjenigen Teilen der zur E. gebrachten Substanz, die ihre Natur dabei verändern, teils chemischer, teils physikalischer Art ist, in denjenigen dagegen, die keine Veränderung ihrer Natur erfahren, rein physikalisch ist. Was diese Art von Wellenbewegung von den Schallwellen im engern Sinn unterscheidet, ist ihre große Intensität. Über Staubexplosionen s.d.