Pyrotechnik

Pyrotechnik   Von Bernd Gutmann (Bernd_Gutmann@gmx.net) Waldkirch, den 21.1.1999   Einführung   Im farbenprächtigen Zusammenspiel von Feuerwerkskörpern kommen verschiedene chemische Reaktionen zum Tragen, die im einzelnen näher erläutert werden sollen. Früher, z.B in China wurden, die Gemische durch die Versuch-und-Irrtum-Methode entwickelt.

So war dann auch gelungenes Feuerwerk eher Kunst als Wissenschaft. Erst in den letzten Jahrzehnten haben Forscher darangemacht die Physik und Chemie der Knalleffekte näher zu ergründen. Daraus ist eine neue Wissenschaftsdispziplin entstanden: die Pyrotechnik. Die Pyrotechnik befaßt sich aber nicht ausschließlich mit Feuerwerkskörpern. Sowohl Feststoffantriebsraketen, Leucht- und Signalfeuer oder auch Zündhölzer falle in ihr Aufgabenbereich.   Schwarzpulver   Es ist eines der ältesten Pyrotechnischen Stoffe und dient zugleich als Treibsatz wie auch Sprengladung.

Es wurde von den Chinesen vor etwa 1000 Jahren entwickelt. Zuerst verwendete man es nur für einfache Raketen und Knallkörper. Erst im Mittelalter wurde die Rezeptur dafür auch in Europa bekannt, der englische Mönch Roger Bacon verriet 1242 eine Formel für das Gemisch, um sich gegen die Anklage in einem Hexerei-Prozeß zu verteidigen. Das Schwarz- bzw. Schießpulver revolutionierte die Arbeit in Steinbrüchen, ebnete aber auch den Weg für grausame Kriege.   An der Grundformel hat sich seit Jahrhunderten nichts geändert:   75% Kaliumnitrat (Salpeter) 15% Holzkohle 10% Schwefel   Man könnte sagen Schwarzpulver ist eine ideale pyrotechnische Substanz, denn es besitzt viele positive Eigenschaften:   man kann es trocken über Jahre lagern die Grundstoffe sind billig und reichlich vorhanden die Ausgangsstoffe sind relativ ungiftig durch geringe Energiezufuhr kann man es zünden   Über Jahrhunderte hinweg war die Produktion auf einige wenige Familien beschränkt, die ihre Rezepturen strengstens geheimhielten.

Dies führte aber dazu, daß keine pyrotechnische Grundlagenforschung betrieben wurde, das mag ein Grund für die spähte Entwicklung der Pyrotechnik sein.   Was passiert beim Zünden   Im Prinzip sind pyrotechnische Reaktionen nichts anderes als Verbrennungen.   Es gibt eine Sauerstoffquelle (Oxidationsmittel) und einem Brennstoff (Reduktionsmittel). Beides sind normalerweise feste miteinander vermengte Stoffe. Erhitzt man das Gemisch findet ein Elektronentransfer vom Reduktions- zum Oxidationsmittel statt (= Redoxreaktion). Dabei wandern die Sauerstoffatome vom Oxidations- zum Reduktionsmittel.

Bei dieser Reaktion wird dem System Energie entzogen.   Ein Unterschied zu einer normalen Verbrennung ist die Quelle des Sauerstoffs, hier bringt der Stoff "seinen Sauerstoff" mit wohingegen dieser bei Verbrennungen aus der Luft stammt, des weiteren ist eine pyrotechnische Reaktion auf einen viel kleineren Raum beschränkt.   Diese Reaktionen können nur an den Oberflächen der Stoffe stattfinden. Das bedeutet, da die Stoffe als Granulat vorliegen, ist die Reaktions-Fläche sehr begrenzt. Wird der Stoff nun erhitzt so verflüssigen sich die Körner und die Stoffe mischen sich auf molekularer Ebene, die Reaktionsfläche wächst. Die Reaktion kommt in Gang.

Bei Druckeinwirkung verhält es sich genau so.   Im Ruhezustand ist das Gemisch stabil , da nur wenige Reaktionen zwischen den Stoffanteilen ablaufen, erst bei äußerer Einwirkung kommt es zur Zündung.   Brennstoffe der Pyrotechnik   Holzkohle in Schießpulver und Feuerwerkskörpern Zucker in Rauch- und Nebelsätzen Verbindungen mit Schwefel, Silicium oder Bor erzeugen besonders viel Energie bei der Oxidation und erzeugen keine gasförmigen Verbrennungsprodukte; kommen vor allem in Verzögerungszündern zum Einsatz Aluminium, Magnesium oder Titan verbrennen bei hohen Temperaturen mit gleißend hellem Licht   Farbeffekte   Die Farbe eines Lichtstrahls hängt von seiner Wellenlänge ab. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen 380 (violett) und 780 (rot) Nannometern (=Millionstel Millimeter). Ein Gegenstand erscheint weiß, wenn er Licht im gesamten Spektrum aussendet. Wenn er er sein Licht dagegen in einem engen Spektrum abgibt, dann zeigt er die Farbe des jeweiligen Bereichs.

  Die Farben bei pyrotechnischen Reaktionen entstehen im wesentlichen aufgrund von 3 verschiedenen Prozessen:   Glühen (= Schwarzkörperstrahlung) Atomemission Molekülemission   Das Glühleuchten tritt auf, wenn feste oder flüssige Teilchen in der Flamme auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Die heißen Partikel strahlen ihre Energie über ein breites Spektrum verteilt ab. Je höher die Temperatur um so kürzer ist die Wellenlänge bei der das meiste Licht emittiert wird. Die Intensität wächst proportional zur vierten Potenz der Flammentemperatur, d.h. eine ein wenig heißere Flamme strahlt deutlich heller.

  Magnesium   Bei der Verbrennung von Magnesium bilden sich feste Metalloxid Teilchen, die sich auf mehr als 3000 °C erhitzen, und dabei weiß glühen. Im Gemisch mit Kaliumperchlorat produziert feines Magnesium oder Aluminiumpulver eine kräftige Explosion in Verbindung mit einem weißen Lichtblitz Verwendung: Knallkörper, Show-Effekte, Lichtquelle für Nachtaufnahmen   größere Metallteilchen   Sie kühlen nicht so schnell ab wie Pulver und brennen daher weiter Den Sauerstoff sie beziehen aus der Luft, es entstehen weiße Funken anstatt Blitze. Je größer die Teilchen sind, um so länger leuchten die Funken   Holzkohle / Eisenteilchen   werden nicht so heiß wie aktive Metallpartikel (um die 1500 °C) produzieren schwächere Goldfarbene Lichtpunkte   Natrium   strahlt oberhalb von 1800 °C gelb-oranges Licht, Wellenlänge 589 Nanometern das Leuchten ist so intensiv, das leicht jede andere Atomare oder Molekulare Lichtquelle überdeckt wird selbst kleine Verunreinigungen mit Natrium können eine gewollte Farbe überdecken seine hohe Lichtkraft ist aber auch für bestimmte Zwecke gewollt: Die amerikanische Armee verwendet Granaten mit Natriumnitrat als Oxidationsmittel und metallischem Magnesium als Brennstoff zur Beleuchtung bei Nachteinsätzen   Molekülemission   ein Elektron im Molekül emittiert Licht die Flamme darf aber nicht zu heiß sein, weil sich das Molekül sonst zersetzt und kein Licht abstrahlt die Moleküle müssen in einer genügend hohen Konzentration vorliegen, es sollten aber wenige feste oder flüssige Teilchen gebildet werden, weil sie mit ihrer intensiven Weißglut die gewollte Farbe überdecken könnten   die farbgebenden Komponenten   frühe fand man gewünschte Farben durch ausprobieren heute ist es mit den Regeln von Kirchhoff möglich gezielt eine Farbe zu finden Strontiumverbindungen rote Farbtöne (605 - 682 Nanometer) Bariumverbindungen grüne Farbtöne (z.B.: Bariumchlorid: 507 - 532 Nanometer) Monochloridverbindungen: instabil, nur bei Flammentemperatur kurzzeitig beständig höchste Strahlungsausbeute im sichtbaren Licht Dichloridverbindungen: stabiler jedoch wasseranziehend deswegen werden die Monochloride erst beim Verbrennen durch eine Reaktion aus einem Metallsalz und einer Chlorquelle (Bsp: chloriertes Gummi oder PVC werden Brennstoffe, oder Perchlorate oder Chlorate als Oxidationsmittel) diese Verbindungen zersetzen sich bei hohen Temperaturen unter Abgabe von Chloratomen, welche sich mit Barium oder Strontium verbinden ==>> stark strahlende Monochloride werden erzeugt Blau schwierig zu erzeugen bisher bester Stoff ist Kupfermonochlorid es ist bei den hohen Temperaturen, die für das Glühen notwendig sind gerade noch beständig wenn sich die Flamme zu stark erhitzt zersetzt es sich deswegen müssen die relativen Mengen genau eingestellt werden, und die Teilchengröße muß angepaßt sein Violett dito Kombination von Strontium und Kupferchlorid Kombination färbende Substanzen mit geeigneten Brennstoffen und Oxidationsmittel z.B.

rotes Funkensprühen, Strontiumcarbonat in Verbindung mit Aluminiumgranulat + Brennstoff + Bindemittel + Oxidationsmittel zu Brei vermengt, man bringt Masse auf Drähte auf   Aufbau eines Feuerwerkskörpers   zylindrische   "amerikanisch-europäischer Typ" Durchmesser 7 bis 30cm werden aus Mörserröhren abgeschossen eine Ladung Schwarzpulver bringt das Geschoß in die Luft, zugleich brennt ein Verzögerungszünder, der einige Sekunden später eine 2. Ladung Schwarzpulver zur Explosion bringt, das Gehäuse wird gesprengt, kleine Kügelchen werden gezündet und auseinandergesprengt alternativ kann der Böller auch einen Knallsatz enthalten == >> Knall + Lichtblitz   runde   japanische "Chrysanthemenbomben" die Farbkügelchen sind um die Schwarzpulverladung herum angebracht bei der Explosion ergibt sich eine symmetrische Verteilung... wenn mehrere Schichten verschiedener Stoffe angeordnet sind, kann man Farbwechseleffekte erzeugen   Wärme   Kopf eines Zündholzes: Gemisch aus Kaliumchlorat und Schwefel + Bindemittel(=Leim), bis zu 2000 °C Calciumsilicid als Brennstoff + Eisenoxid erzeugt Wärme ohne Gasentwicklung ==>> Konservendosen im 1. Weltkrieg hatten dieses Gemisch unten drunter, so konnte das Essen ohne Herd erwärmt werden Verzögerungszünder (gepreßte Stangen, mit Gemischen aus Bor/Wolfram/Silicium als Brennstoff, entwickeln über eine Zeitspanne hinweg, eine genau definierte Wärmemenge Einsatz: Bolzen im Schleudersitz, Absprengen von Raketentriebwerken   Rauch   Farbnebelgranaten für Tagfeuerwerke oder Signalgeber enthalten Kaliumchlorat als Oxidationsmittel und Zucker als Brennstoff der entzündete Zucker läßt organische Stoffe zu einem Aerosol verdampfen Zucker gut geeignet da es schon bei niederen Temperaturen brennt, höhere Temperaturen würden die Farbstoffe zerstören

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