Explosion

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Dieser Artikel befasst sich mit dem Begriff der Explosion. Für weitere Bedeutungen siehe Explosion (Begriffsklärung)
Explosion der Pulverkammer eines Linienschiffes in einem Seegefecht
Atompilz über Nagasaki nach der Atombombenexplosion

Eine Explosion ist der physikalische Vorgang des plötzlichen Freisetzens von großen Energiemengen, im Allgemeinen in Form von Temperatur-, Druck- und Bewegungsenergie. Ursache der stark konzentrierten hohen Energiemenge kann eine chemische Reaktion sein (zum Beispiel durch Sprengstoffe, explosionsfähige Atmosphäre), die zu einer in sehr kurzer Zeit stark ansteigenden Temperatur und Druck führt. Bei chemischen Explosionen findet eine sehr schnell ablaufende Reaktion (exotherme Reaktionen wie eine Verbrennung) eines explosiblen Gemisches oder eine Zerfallsreaktion, bei der große Gas- und Wärmemengen freigesetzt werden und eine starke Druckwelle durch die plötzliche Volumenausdehnung der Gasen entsteht.[1] Die plötzliche Volumenausdehnung verursacht eine Stoßwelle, die bei einer idealen (von einer Punktquelle ausgehenden) Explosion durch das Modell der Detonationswelle beschrieben werden kann. Begleiterscheinungen einer Explosion sind greller Lichtblitz und lauter Knall.[1] Auch andere Ursachen können stark komprimierte Gasblasen erzeugen, zum Beispiel aufgestaute Gase in Vulkanen.[2]

Unterscheidungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Allgemeinen wird ein Vorgang als Explosion bezeichnet, wenn in sehr kurzer Zeit eine sehr große Energiemenge freigesetzt wird, in Form eines starken Temperatur- und Druckanstiegs, der zu einer starken Volumenvergrößerung führt, also Materie beschleunigt. Im Gegensatz dazu gibt es auch Vorgänge, die zwar in kurzer Zeit große Energiemengen freisetzen, aber nicht als Explosion bezeichnet werden; zum Beispiel weil sie keine unmittelbare Auswirkung auf Materie haben (Beispiele: Blitze in einem Gewitter, Laserblitz, Gammablitz), oder die Freisetzung nicht schnell genug verläuft (Beispiel: Raketenstart).

Explosionstypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Chemische Explosionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Warnung vor explosionsgefährlichen Stoffen (gemäß GHS)

Man unterscheidet zwei Typen von chemischen Explosionen: Wärmeexplosionen und Kettenverzweigungsexplosionen.[3]

  • 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. Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion selbständig fortschreitet, hängt vom Konzentrationsverhältnis der der Stoffe (z.B. Gase und Aerosole) ab. Es gibt eine untere und eine obere Grenze, Explosionsgrenze oder auch Zündgrenze genannt. Jenseits dieser Grenzen ist eine selbständige Explosionsfortpflanzung im Gemisch nicht mehr möglich. Die Grenzen sind nicht nur abhängig von Konzentrationen, sondern auch von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck oder Luftfeuchtigkeit.[4] Innerhalb dieser Grenzen kann zum Beispiel ein Gemisch von Luft unter atmosphärischen Bedingungen mit brennbaren Stoffen in Form von Staub, Fasern oder Flusen in einer Staubexplosion reagieren.[5]

Pyrotechnische Explosion bei einer Flugshow

Eine weitere Unterscheidung wird makroskopisch getroffen:

  • Verpuffung, eine an der Explosionsgrenze ablaufende, schnelle Verbrennung mit geringer Flammengeschwindigkeit (< 1 m/s) und Druckwirkung (< 1 bar) sowie in der Regel dumpfem Knall.[1] 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. In Luft tritt Deflagration bei Flammengeschwindigkeiten unter 330 m/s und Druckwirkungen unter 14 bar auf.[1] 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 (Flammengeschwindigkeit über 330 m/s und Druckwirkung von 10 bar bis 1000 bar).[1] 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.

Kernwaffenexplosion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Kernwaffenexplosion

Soweit durch Kräfte in Atomkernen atomare Zerfallsprozesse von sehr schweren Chemischen Elementen, nämlich Uran oder Plutonium, durch eine Kettenreaktion ausgelöst werden, kann es zu einer Kernwaffenexplosion kommen.[6] Eine Explosion kann auch durch das Verschmelzen sehr leichter Kerne in sogenannten Wasserstoffbomben erzielt werden. Sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion kommt es zu einem Massenverlust, die Materie wird in Energie (Strahlung und Wärmeenergie) umgewandelt. Hierbei werden die größten Energiemengen von allen von Menschen ausgelösten Explosionen freigesetzt.

Explosionen aus physikalischen Ursachen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Zum Beispiel durch plötzliches Bersten eines unter Überdruck stehenden mit Flüssigkeit oder insbesondere Gas gefüllten Behälters (Glasflasche, Dampfkochtopf, Boiler).[7][8]

Wirkrichtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Personen in der Nähe verletzen.

Vorkommen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Explosionen in der Natur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[8]

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.[9]

In der Astronomie wird das Ende des Lebenszyklus von massereichen Sternen mit dem Begriff der Supernova bezeichnet.[10] Diese stellen die größte (bezogen auf die freigesetzte Energie) bisher bekannte Form einer Explosion dar.

Einige wenige Lebewesen können Explosionen hervorrufen/verwenden, so zum Beispiel der Bombardierkäfer.

Explosionen als gewolltes oder ungewolltes Menschenwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 (Steinbrüche, Minen, Feuerwerkskörper, Tunnelbau, Explosionsmotor) 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.[11]

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.[12]

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.[13]

Gesundheitliche Folgen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Je nach Art, Schwere und Entfernung der Explosion und weiteren Umständen kommt es zu typischen gesundheitlichen Schäden, wie Lungenrissen, ARDS, Knalltraumata, Verbrennungen, schweren Verletzungen und Schockzuständen.[14] Dabei wird zwischen primären (direkt durch die Explosionsreaktion), sekundären (durch mitgeschleuderte Splitter) und tertiären Verletzungen (zum Beispiel durch Sturz oder Trümmerteile) unterschieden.[15]

Strafbestimmungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e Henry Portz: Brand- und Explosionsschutz von A-Z - Begriffserläuterungen und brandschutztechnische Kennwerte. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-322-80197-5, S. 1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Peter O. K. Krehl: History of Shock Waves, Explosions and Impact A Chronological and Biographical Reference. Springer Science & Business Media, 2008, ISBN 978-3-540-30421-0, S. 1272 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Gabriele Cruciani: Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, Verlag John Wiley & Sons, 2006, ISBN 978-3-527-31807-0, S. 512 [1]
  4. W. Bartknecht: Explosionen - Ablauf und Schutzmaßnahmen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-07157-1, S. 1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Kai-Uwe Schmitt, Peter F. Niederer, Duane S. Cronin, Markus H. Muser, Felix Walz: Trauma-Biomechanik: Einführung in die Biomechanik von Verletzungen, Verlag Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-54281-7, S. 242 [2]
  6. Walter J. Moore: Grundlagen der Physikalischen Chemie. Walter de Gruyter, 1990, ISBN 978-3-11-009941-6, S. 343 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. Ammann: Stahlbeton- und Spannbetontragwerke unter stossartiger Belastung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-0348-5365-1, S. 24 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8. a b Karsten Schwanke, Nadja Podbregar, Dieter Lohmann: Naturkatastrophen Wirbelstürme, Beben, Vulkanausbrüche - Entfesselte Gewalten und ihre Folgen. Springer Science & Business Media, 2009, ISBN 978-3-540-88684-6, S. 35 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. John S. Lewis: Physics and Chemistry of the Solar System. Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047012-2, S. 360 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. Benjamin Bahr, Jörg Resag, Kristin Riebe: Faszinierende Physik Ein bebilderter Streifzug vom Universum bis in die Welt der Elementarteilchen. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-662-45348-3, S. 32 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. Constanze Eisenbart: Die Singuläre Waffe Was bleibt vom Atomzeitalter? Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-531-18730-3, S. 93 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. Ulrich Hauptmanns: Prozess- und Anlagensicherheit. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-37253-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  13. Nelles Verlag GmbH, Eva Ambros, Eleanor Morris, Mary Kelly, Valentin P. Nadezhnikov, Carla Straessle-Compton, Jonathan D. Siskin, J.-Martina Schneider, David Ravvin, Deborah Williams: Nelles Guide Reiseführer Kanada - Der Osten Ontario, Québec, Atlantikprovinzen. Nelles Verlag, 2015, ISBN 978-3-86574-715-0, S. 188 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  14. Jens Scholz, Bernd W. Böttiger, Volker Dörges, Volker Wenzel, Peter Sefrin: Notfallmedizin. Georg Thieme Verlag, 2012, ISBN 978-3-13-158983-5, S. 453 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  15. Christian Neitzel, Karsten Ladehof: Taktische Medizin Notfallmedizin und Einsatzmedizin. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-642-39689-2, S. 272 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Explosion – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Explosion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wikinews: Explosion – in den Nachrichten