Explosion

Atompilz über Nagasaki nach der Atombombenexplosion

Eine Explosion ist der physikalische Vorgang des plötzlichen Freisetzens von großen Energiemengen, die zuvor auf kleinem Raum konzentriert waren, in Form einer plötzlichen Volumenausdehnung von Gasen. Die plötzliche Volumenausdehnung verursacht eine Stoßwelle, die bei einer idealen (von einer Punktquelle ausgehenden) Explosion durch das Modell der Detonationswelle beschrieben werden kann. Ursache der stark konzentrierten hohen Energiemenge kann eine chemische Reaktionsein (zum Beispiel durch Sprengstoffe, explosionsfähige Atmosphäre), die zu einer in sehr kurzer Zeit stark ansteigen Temperatur und Druck führt. Auch andere Ursachen können stark komprimierte Gasblasen erzeugen, zum Beispiel aufgestaute Gase in Vulkanen.

Unterscheidungen

Explosionstypen

Chemische Explosionen

Warnung vor explosionsgefährlichen Stoffen (gemäß GHS)

Man unterscheidet zwei Typen von chemischen Explosionen: Wärmeexplosionen und Kettenverzweigungsexplosionen.

Wärmeexplosionen (thermische Explosionen) entstehen, wenn die Reaktionswärme einer chemischen Reaktion nicht schnell genug abgeführt wird und damit die Temperatur des Systems steigt. Der Temperaturanstieg führt zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit und damit zu noch schnelleren Freisetzung von Wärme, was schließlich zur Explosion führen kann (Theorien von Semenov, Frank-Kamenitzkii und Thomas). Ein Beispiel für eine thermische Explosion ist die Chlorknallgasreaktion.

Kettenverzweigungsexplosionen entstehen bei radikalischen Reaktionen, bei denen mehr Kettenverzweigungen als Kettenabbruchreaktionen (durch Rekombination der Radikale) stattfinden, so dass die Anzahl der Radikale und damit die Reaktionsgeschwindigkeit lawinenartig ansteigt und zur Explosion führt. Solche Kettenverzweigungen treten bei der Knallgasreaktion auf.

Diese Typen unterscheiden sich in der Art der chemischen Reaktion. In beiden Fällen ist jedoch der thermodynamische Vorgang derselbe: Die freigesetzte Energie führt zu einer rapiden Temperatur- und Drucksteigerung und damit zur Volumenausdehnung, die das umgebende Material auseinander sprengt. Viele Stoffgemische können abhängig von Druck und Temperatur und Zusammensetzung auf beide Arten explodieren. Welche Bedingungen zu einer Explosion führen wird durch die Explosionsgrenzen angegeben.

Explosion einer Wasserbombe

Kernexplosion

Soweit durch Kräfte in Atomkernen atomare Zerfallsprozesse von sehr schweren Chemischen Elementen, z.B. Uran oder Plutonium, durch eine Kettenreaktion ausgelöst werden, kann es zu einer Kernexplosion kommen. Eine Explosion kann auch durch das Verschmelzen sehr leichter Kerne stattfinden. Sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion kommt es zu einem Massenverlust, die Materie wird in Energie umgewandelt.

Explosionen aus physikalischen Ursachen

Schließlich gibt es noch Explosionen, bei denen keine chemische oder nukleare Reaktion stattfindet, sondern lediglich ein zunehmender Druck in einer festen Hülle (z.B. gasreiches Magma in einem Vulkan oder Dampf in einen Kessel) diese zum Bersten bringt. Auch das plötzliche sehr starke Erhitzen von Flüssigkeiten, die dann unter großer Volumenzunahme in einen gasförmigen Zustand übergehen, kann zu einer physikalischen Explosion führen.

Explosionsfähige Staubatmosphäre

Gemische mit Luft unter atmosphärischen Bedingungen von brennbaren Stoffen in Form von Staub, Fasern oder Flusen, in dem nach einer Zündung selbsterhaltende Flammenausbreitung ermöglicht ist. Man nennt es auch Staubexplosion.

Kubisches Gesetz

Die Explosionskonstante ist die Kenngröße der Explosionsfähigkeit eines Staubes. Das „kubische Gesetz“ (nicht zu verwechseln mit einer kubischen Funktion) beschreibt dabei die Abhängigkeit des maximalen zeitlichen Druckanstiegs vom Volumen des Behälters. Die maximale Explosionskonstante $K_\text{max}$ charakterisiert den maximalen Anstieg des Explosionsdrucks über die Zeit $\left(dP/dt\right)_\text{max}$ bei optimaler Brennstoffkonzentration in einem Behälter mit dem Volumen :

$K_\mathrm{max} = V^\frac13\cdot\left( \frac{dP}{dt}\right) _\mathrm{max}$

Sie entspricht dem maximalen Druckanstieg in einem 1 m³-Behälter unter den in der VDI-Richtlinie 3673 (Druckentlastung von Staubexplosionen) definierten Prüfbedingungen und ist u.a. abhängig von der Oberflächenstruktur und der Korngrößenverteilung des Staubes.

Makroskopisch

Eine weitere Unterscheidung wird makroskopisch getroffen:

Verpuffung, eine an der Explosionsgrenze ablaufende, schnelle Verbrennung mit in der Regel dumpfem Knall. Der Druckanstieg ist ausreichend, um Fensterscheiben zu zerstören und Türen aus dem Rahmen zu drücken. Personenschäden beschränken sich meist auf Prellungen, Brand- und Schnittverletzungen
Deflagration, bei der die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamm- oder Reaktionsfront langsamer als die Schallgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums (des Explosivstoffs) ist und sich die Abgasschwaden entgegen der Ausbreitungsrichtung bewegen. Der entstehende Druck ist ausreichend, um Gebäude ganz oder teilweise zu zerstören. Personen erleiden meist schwere Verletzungen, die auch zum Tod führen können.
Detonation, die sich mit Überschallgeschwindigkeit im Medium ausbreitet und bei der sich die Abgasschwaden in der Ausbreitungsrichtung bewegen. Sie ist die heftigste Reaktion; sie kommt vor allem bei Sprengstoffen vor. Sie führt in weitem Umkreis zu schwersten Zerstörungen. Personen haben im direkten Einflussbereich kaum eine Überlebenschance.

Wirkrichtung

Bei einer Explosion (oben) wirken die Kräfte vom Zentrum fort, bei einer Implosion (unten) jedoch sind die Kräfte auf das Zentrum selbst gerichtet. Das Objekt oben bricht explosionsartig auseinander.

Das Gegenstück zur Explosion ist die Implosion; hier expandiert das reaktive Medium nicht, sondern kontrahiert. Da die zur Implosion führende mechanische Arbeit über den Druck von der umgebenden Atmosphäre geleistet und nicht von einem Sprengkörper freigesetzt wird, ist der Energiebetrag im Gegensatz zu dem einer Explosion durch das implodierende Volumen und durch die Umgebungsbedingungen begrenzt.

Kathodenstrahlröhren von Fernsehgeräten oder technische Anzeigegeräte können bei Beschädigung implodieren, da sie bei der Herstellung evakuiert wurden. Herumfliegende Glasscherben können Verletzungen bei Personen in der Nähe verursachen.

Vorkommen

Explosionen in der Natur

In der Natur kommt es meistens im Zusammenhang mit Vulkanismus zu Explosionen. Hierunter fallen explosionsartig verlaufende Vulkanausbrüche (z. B. Krakatau 1883) oder Wasserdampfexplosionen. Wasserdampfexplosionen, ein Fall von Physikalischer Explosion, entstehen bei Kontakt von Wasser mit Magma.

Auch Einschläge von Meteoriten können zu Explosionen führen, wenn diese mit ausreichender Geschwindigkeit auf den Boden oder auf Wasser treffen oder infolge des Luftwiderstands in der Atmosphäre sehr stark abgebremst werden. In beiden Fällen wird Bewegungsenergie in sehr kurzer Zeit in Wärme umgewandelt, was zur explosionsartigen Verdampfung des Meteoriten und ggf. des Auftreffmediums (Erdreich, Wasser) führt. Bei Landeinschlägen entstehen auf diese Weise Einschlagskrater.

In der Astronomie wird das Ende des Lebenszyklus von massereichen Sternen mit dem Begriff der Supernova bezeichnet. Diese stellen die größte (bezogen auf die freigesetzte Energie) bisher bekannte Form einer Explosion dar.

Explosionen als gewolltes oder ungewolltes Menschenwerk

Technisch lassen sich zwei „Typen“ von Explosionen unterscheiden, gewollte und ungewollte Explosionen. Gewollte Explosionen werden meist mit dem Begriff der Sprengung beschrieben; sie dienen unterschiedlichen technischen (Bergbau, Feuerwerkskörper) oder militärischen Zwecken. Als Mittel zur Durchführung dieser Explosionen werden Sprengstoffe verwendet, deren Explosion als Detonation bezeichnet werden kann. Die bislang größte gewollte Explosion war die der Zar-Bombe, der größten jemals gezündeten Wasserstoffbombe, die 1961 von der Sowjetunion gezündet wurde und eine Sprengkraft von 50 bis 60 Megatonnen TNT besaß.

Ungewollte Explosionen treten praktisch immer als Folge gestörter technischer Prozesse auf. Dies kann die fehlerhafte Bedienung eines Gasanschlusses in Wohnhäusern oder auch die unbeabsichtigte Freisetzung von Gasen mit nachfolgender Zündung in beispielsweise Chemieanlagen sein. Explosionen dieses Typs unterteilt man nach Art des Brennstoffes in Gasexplosionen oder Staubexplosionen. Oftmals sind auch verkettete Explosionen wie beim sogenannten BLEVE möglich. Dabei explodiert zunächst eine brennbare Flüssigkeit physikalisch und dann folgt eine Gasexplosion. Deshalb muss beim Umgang mit solchen Prozessen und Stoffen ein umfassender Explosionsschutz stattfinden.

Beispiele für Explosionsunglücke sind die Explosion des Oppauer Stickstoffwerkes, Piper Alpha oder die Explosion in Toulouse. Die bislang größte ungewollte Explosion dürfte die Halifax-Explosion sein, eine durch ein Feuer auf dem Munitionsfrachter Mont Blanc verursachte Explosion, die etwa drei Kilotonnen Sprengkraft besaß. Dies entspricht ca. 23 % der Sprengkraft der Hiroshima-Bombe Little Boy. Bei der Explosion kamen etwa 2.000 Menschen ums Leben.

Gesundheitliche Folgen

Je nach Art, Schwere und Entfernung der Explosion und weiteren Umständen kommt es zu typischen gesundheitlichen Schäden, wie Lungenrissen, Knalltraumata, Verbrennungen, schweren Verletzungen und Schockzuständen.

Strafbestimmungen

In Deutschland ist das Herbeiführen einer Sprengstoffexplosion gemäß § 308Strafgesetzbuch eine gemeingefährliche Straftat (Verbrechen bei Vorsatz, Vergehen bei Fahrlässigkeit).