TNT-Äquivalent
| Physikalische Einheit | |
|---|---|
| Einheitenname | TNT-Äquivalent |
| Physikalische Größen | Energie, innere Energie, chemische Energie |
| Formelzeichen | |
| Dimension | |
| In SI-Einheiten | 1 kgTNT = 4,184 MJ 1 kT = 4,184 TJ |
| Abgeleitet von | Energiefreisetzung eines Kilogramms TNT |
TNT-Äquivalent ist eine nicht SI-konforme, aber weiterhin gebräuchliche Maßeinheit für die bei einer Explosion freiwerdende Energie. Die Angabe bezieht sich auf die gesamte freiwerdende Energie, nicht nur auf die kinetische Energie, die zum Beispiel bei Kernwaffen deutlich geringer als die Gesamtenergie sein kann. Deswegen ist die Sprengkraft nur bedingt mit der einer entsprechenden Menge des Sprengstoffs TNT vergleichbar.
TNT-Äquivalent wird zur Angabe der Sprengkraft von militärischen Waffen, industriellen Sprengstoffen sowie anderen Sprengkörpern verwendet, oder auch allgemein für die plötzliche (explosive) Freisetzung von Energie, z. B. durch Meteoriteneinschläge. Vereinfachend wird manchmal nur die äquivalente Masse („Sprengkraft zwei Kilotonnen“) genannt.
Zur Zeit der Definition wurde noch nicht mit Joule (J), sondern mit thermochemischen Kalorien (cal) gerechnet. TNT hat eine molare Masse von 227,1 g/mol und setzt eine Energie von ca. 1047 kJ/mol (ca. 250 kcal/mol) frei. Daraus ergibt sich eine Energiedichte von etwa 4,6 MJ/kg (ca. 1100 kcal/kg). Um eine „glatte“ Einheit zu haben, wurde 1000 kcal/kg als Basis genommen. Für das Energie-Äquivalent einer Kilotonne TNT ergibt sich dann:
- 1 kT (Kilotonne TNT) = 1 · 1012 cal = 4,184 · 1012 J ≈ 1,162 GWh
Neben Kilotonnen (kT) werden auch Megatonnen (MT) und Gigatonnen (GT) als Einheiten verwendet. Um Verwechslungen mit Massen zu vermeiden, werden die TNT-Äquivalents-Einheiten häufig mit großem T geschrieben, also „MT“ statt „Mt“. Es existiert jedoch kein verbindlicher Standard.
TNT-Äquivalent von Explosivwaffen
- Feuerwerk: Das TNT-Äquivalent von frei erhältlichen Feuerwerkskörpern liegt unter einem Gramm.
- Improvisierte Bomben (USBV): Sprengsätze, die in terroristischen Anschlägen verwendet wurden, hatten zumeist eine Sprengkraft von wenigen Kilogramm TNT (etwa die Anschläge der RAF). Der Bombenanschlag von Oklahoma City kam auf ein TNT-Äquivalent von 2300 Kilogramm und ist bis heute die mit Abstand stärkste USBV.
- Konventionelle Waffen: Die stärkste konventionelle Explosivwaffe der US-Armee, GBU-43/B Massive Ordnance Air Blast, erreicht 11 Tonnen TNT-Äquivalent Sprengkraft bei einem Eigengewicht von etwa 9,5 Tonnen.[1] Russland gibt an, mit einer etwa gleich großen Aerosolbombe sogar 44 Tonnen Sprengkraft erreicht zu haben und damit die stärkste konventionelle Bombe der Welt zu besitzen. Die Summe aller (konventionellen) Bomben, die im Zweiten Weltkrieg auf Städte abgeworfen wurden, erreicht geschätzte 2 Megatonnen.
- Kernwaffen: Die Atombombe, die von den Vereinigten Staaten 1945 über Hiroshima abgeworfen wurde, hatte eine Sprengkraft von etwa 13 Kilotonnen TNT. Die den Hauptteil des taktischen nuklearen Arsenals der USA nach dem Kalten Krieg ausmachenden Sprengköpfe (B61, W76, W88) erreichen je nach Modell und Einstellung ein TNT-Äquivalent von unter 20 bis zu über 300 Kilotonnen. Strategische Gefechtsköpfe für Interkontinentalraketen und Bomber im weiterhin aktiven US-Arsenal verfügen über ein TNT-Äquivalent von mehreren hundert Kilotonnen bis 1,2 Megatonnen (B83).[2] Die Explosion der 1954 von den USA gezündeten Wasserstoffbombe Castle Bravo, der stärksten jemals in einem US-Kernwaffentest gezündeten Bombe, entsprach etwa 15 Megatonnen TNT. Im Jahr 1961 wurde von der UdSSR die größte jemals getestete Wasserstoffbombe mit etwa 50 Megatonnen TNT-Äquivalent gezündet (Zar-Bombe).[3]
- Antimaterie: 1 kg Antimaterie hätte bei der Annihilation mit 1 kg Materie zusammen eine Sprengkraft von 43 MT.
TNT-Äquivalent von Vulkanexplosionen
Die Aufstellung einer Energiebilanz für einen Vulkanausbruch ist aus zwei Gründen mit Unsicherheiten behaftet: Erstens stehen etablierte Modelle hauptsächlich zur Berechnung der thermischen Energie des eruptierten Magmas zur Verfügung, während der Anteil der kinetischen Energie nur sehr grob abgeschätzt werden kann. Zweitens kann der Anteil der kinetischen Energie je nach Explosivität des Ausbruchs stark schwanken und ist für effusive Ausbrüche vernachlässigbar, während er für extrem explosive Ausbrüche den Betrag der thermischen Energie noch übersteigen soll.[4]
Der Ausbruch von Krakatau im Jahr 1883 setzte je nach Quelle 130 MT[5] oder 200–2000 MT[6] TNT-Äquivalent frei.
Die Tambora-Eruption von 1815 ist mit 30 GT[7] TNT-Äquivalent die größte in geschichtlicher Zeit beobachtete explosive Eruption. Allerdings wird sie bezüglich der Energiefreisetzung von der größten effusiven Eruption in geschichtlicher Zeit, nämlich dem Ausbruch der Laki-Spalte auf Island in den Jahren 1783–1784 mit umgerechnet rund 120 GT[8], noch übertroffen.
TNT-Äquivalent von Meteoriteneinschlägen
Die kinetische Energie eines kosmischen Körpers, die beim Einschlag freigesetzt wird, hängt von seiner Masse und Geschwindigkeit ab, während der Ort der Freisetzung auch von der Größe und dem Eintrittswinkel in die Erdatmosphäre abhängt: Kleinere Körper können dabei sehr effektiv abgebremst werden, so dass der Hauptanteil der Energie in Form eines Airburst in der Atmosphäre freigesetzt wird, dessen Druckwelle dann für die Schadenswirkung des Falles verantwortlich ist. Eine Kraterbildung muss dabei nicht eintreten.[9] Eine solche Druckwelle wurde beim Meteor von Tscheljabinsk beobachtet, und dieser Effekt wird auch für die Schäden an der Erdoberfläche beim Tunguska-Ereignis diskutiert, wobei die freigesetzte Energie hier etwa 15 MT betragen haben soll.[10]
Größere oder massereichere Objekte werden weniger effektiv abgebremst, und die kinetische Energie wird weitgehend an der Erdoberfläche freigesetzt. Geht man näherungsweise davon aus, dass der beim Einschlag erzeugte Krater etwa den zwanzigfachen Durchmesser des einschlagenden Körpers aufweist, so ergeben sich für kleinere Krater mit ca. 1 km Durchmesser (z. B. Barringer-Krater, Wolfe Creek) Größenordnungen von 10–15 MT. Für das Nördlinger Ries (20 km Durchmesser) bewegt man sich im Bereich von ca. 87 GT. Die größten Impaktkrater der Erde (Vredefort-Krater, Sudbury-Becken, Chicxulub-Krater) erreichen 150–200 km Durchmesser; die berechneten Energien liegen im mehrstelligen Teratonnen-Bereich.[10]
Andere Sprengstoffe im Vergleich zu TNT
Holz hat die vierfache Energiedichte von TNT. Dennoch ist seine „Sprengkraft“ gering, da die Leistung, also die Energiefreisetzung pro Zeit, im Vergleich zu typischen Explosivstoffen sehr klein ist. Korrekturfaktoren berücksichtigen die Brisanz unterschiedlicher Sprengstoffe. Die Werte erhält man durch den Vergleich der Druckwellen oder Impulswellen, die die Sprengstoffe im Vergleich zu TNT erzeugen. Für Holz ergäbe sich ein Vergleichswert nahe 0.
| Schwarzpulver | 0,25…0,4 | Torpex | 1,3 | |
| Ammoniumnitrat | 0,5 | C4 | 1,35 | |
| Dynamit, Ballistit, Kordit | 0,8 | RDX/Cyclonit/Hexogen | 1,5 | |
| Amatol | 0,85 | Semtex | 1,6 | |
| TNT | 1,0 | PETN/Nitropenta | 1,7 | |
| HMX | 1,1 | HNIW/CL-20 | 1,9 | |
| NGL | 1,2 | ONC | 2,1 | |
| HMTD | 1,25 | Chloratsprengstoffe | 0,8…1,0 Anm. |
Die brisantesten Mischungen sind mit rotem Phosphor und gelten bei feinster Vermischung als dynamitähnlich.
Die Detonationsgeschwindigkeit bei der Explosion beträgt für Chloratit 3 lediglich 3,35 km/s, seine Sprengkraft jedoch ≈1 TNT-Äquivalente.
Siehe auch
Literatur
- Zoltán Török, Alexandru Ozunu: Hazardous properties of ammonium nitrate and modeling of explosions using TNT equivalency, Environmental Engineering and Management Journal, Vol. 14, September 2015 (Researchgate.net Online-Abruf).
Weblinks
- Nuclear Weapons FAQ, Abschnitt 1.3 – Definition der Einheit Kilotonne TNT-Äquivalent (englisch)
- Guide for the Use of the International System of Units (SI). – Umrechnung verschiedener Einheiten (englisch)
- Ernest E. Ludwig: Applied process design for chemical and petrochemical plants, Band 2
Einzelnachweise
- ↑ GBU-43/B / "Mother Of All Bombs" / Massive Ordnance Air Blast Bomb. Abgerufen am 23. Januar 2020.
- ↑ Der strategische Gefechtskopf B53 mit bis zu 9 Megatonnen Sprengkraft ist zwar nicht mehr in aktivem Dienst der USA, war aber, bis er im Oktober 2011 in der Fabrik Pantex in Amarillo im Bundesstaat Texas zerlegt wurde, als Teil der Reserve oder Hedge vorhanden.
- ↑ Damit wurde in einer einzigen Explosion etwa ein Zehntel der Gesamtsprengkraft aller jemals durchgeführten Kernwaffenversuche freigesetzt.
- ↑ Alfred Rittmann: Vulkane und ihre Tätigkeit. 3. Auflage. Enke, Stuttgart 1981, S. 274–276.
- ↑ Stefan Schmitt: Vor Publikum. ZEIT Online, abgerufen am 12. Oktober 2018.
- ↑ Reiselexikon Sundainseln. Abgerufen am 12. Oktober 2018.
- ↑ G. Fowden: The petrology of Tambora volcano, Indonesia: A model for the 1815 eruption. In: sciencedirect.com (Hrsg.): Journal of Volcanology and Geothermal Research. Ausgabe 1–2, Jg. 27, Januar 1986, S. 1–41 (englisch, sciencedirect.com).
- ↑ David M. Pyle: Sizes of vulcanic eruptions. In: Haraldur Sigurdsson (Hrsg.): Encyclopedia of Volcanoes. Academic Press, London 2000, ISBN 978-0-12-643140-7, S. 263–269.
- ↑ G. O. Osinski, E. Pierazzo (Hrsg.): Impact Cratering: processes and products. Wiley-Blackwell, Chichester 2013, ISBN 978-1-4051-9829-5, S. 148–149.
- ↑ a b Bevan M. French: Traces of Catastrophe: A Handbook of Shock-Metamorphic Effects in Terrestrial Meteorite Impact Structures. In: LPI Contribution No. 954. Lunar and Planetaty Institute, Houston 1998, S. 12–15.