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Sprengstoffe für zivile Anwendungen


Sprengstoff ist in stofflicher Form konzentrierte Energie. Sie läßt sich bei sachgerechtem Vorgehen gezielt freisetzen, um Arbeit zu verrichten, die anders nur äußerst mühsam und völlig unwirtschaftlich zu leisten wäre. Während dem römischen Kaiser Nero (37 bis 68 nach Christus) auch mit Tausenden von Sklaven der Bau des Kanals von Korinth nicht gelang, ermöglichten Dynamit und Sprenggelatine, das Projekt innerhalb von zwei Jahren – von 1891 bis 1893 – durchzuführen. Die Anlage des Panamakanals in den Jahren 1879 bis 1890 und 1903 bis 1914 erforderte 30000 Tonnen Dynamit. Und ohne diesen Sprengstoff hätten St. Gotthard- und Tauerntunnel beim damaligen Stand der Technik kaum innerhalb weniger Jahre fertiggestellt werden können (von 1872 bis 1882 beziehungsweise von 1901 bis1907).

Außer für derartige Bauprojekte nutzt man Sprengstoffe zum Gewinnen von Rohstoffen, denn Erze, Mineralien oder auch Kohle rein mechanisch zu fördern wäre wesentlich teurer (Bild 1). Eine wichtige Anwendung ist der Abriß von Gebäuden und technischen Anlagen; selbst Wurzelstöcke lassen sich durch Explosionen roden und Böden lockern.


Grundlagen

Jede Mischung aus verbrennbaren und sauerstoffliefernden Substanzen kann nach geeigneter Anregung Energie freisetzen; der Chemiker spricht von einer Reduktions-Oxidations- oder kurz Redoxreaktion. Wenn die Umsetzung schneller als die Schallgeschwindigkeit im betreffenden Stoff verläuft, nennt man sie Detonation. Dafür ist unter anderem die Größe der reaktionsfähigen Grenzfläche zwischen den Komponenten entscheidend: Ein Scheit Holz im Kamin verbrennt langsam und erhöht das Wohlbehagen, während die gleiche Menge Holz, zu feinem Staub gemahlen und in die Flamme gebracht, den Kamin explodieren ließe.

Bei der Detonation zerfällt der Sprengstoff in gasförmige Substanzen – idealerweise in Kohlendioxid, Wasser und elementaren Stickstoff als Verbrennungsprodukte organischer Substanzen, aber auch in Stickoxide, Kohlenmonoxid und andere unvollständig oxidierte Produkte. Des weiteren entstehen hochreaktive Teilchen wie Radikale, Ionen und Elektronen, die in unreagiertes Material hinein beschleunigt werden und dort die weitere Umsetzung anregen. So baut sich nach einer gewissen Anlaufstrecke eine Stoßwelle mit extrem hohen Druck- und Temperaturwerten auf; je nach Sprengstoff und Einschlußbedingungen ist diese Distanz Bruchteile von Millimetern bis zu viele Zentimeter lang.

Der Prozeß bleibt so lange stabil, wie genügend Energie in der Detonationszone vorhanden ist. Wird die Energie aber zu weit verteilt, kommt die Reaktion wieder zum Erliegen. Wichtig ist das Verhältnis des die Energie produzierenden Volumens zu der energieabstrahlenden Oberfläche; weil es zu kleinen Durchmessern hin ungünstig wird, gibt es für jeden Sprengstoff einen kritischen Durchmesser, ab dem er überhaupt erst explodiert.

Militärische Anwendungen erfordern Detonationsgeschwindigkeiten bis zu 9000 Metern pro Sekunde, für zivile Zwecke sind so hohe Werte nicht nötig oder gar unerwünscht. Damit sich die Stoßwelle möglichst unverändert im zu sprengenden Material ausbreitet, müssen die Wellenwiderstände von Sprengstoff und Material – also die Produkte aus Dichte und Stoßwellen- beziehungsweise Schallgeschwindigkeit – gut aufeinander abgestimmt sein. Für die meisten der Anwendungen sind deshalb Detonationsgeschwindigkeiten um 2000 bis 4000 Meter pro Sekunde am geeignetsten. Wichtig ist vor allem, daß sich ein großes Gasvolumen entwickelt, damit die gelösten Massen auseinandergeschoben werden.


Gesteinsprengstoff Dynamit

Nitroglycerin, eine Entdeckung des italienischen Chemikers Ascanio Sobrero (1812 bis 1888) aus dem Jahr 1847 hat zwar eine große Sprengkraft, ist aber unberechenbar empfindlich gegen Erschütterung und Stoß, so daß der Erfinder selbst seine Versuche, es als Sprengstoff zu verwenden, bald aufgab. Besonders störend war auch, daß Nitroglycerin sich nicht wie das in Europa seit dem 13. Jahrhundert eingesetzte Schwarzpulver – nach heutigem Verständnis ist das ein Gemisch aus Kaliumnitrat, Holzkohlepulver und Schwefel in einem Massenverhältnis von etwa 75 : 15 : 10 – leicht durch eine offene Flamme zur Detonation bringen ließ.

Etliche Jahre später begann die Familie Nobel mit Nitroglycerin zu experimentieren. Die Entwicklung eines Schwarzpulverzünders durch Alfred Nobel (1833 bis 1896) war der Verbreitung des neuen Sprengstoffs zwar förderlich, doch forderte die gefährliche Substanz immer wieder Todesopfer bei Herstellung, Transport oder Anwendung. Im Jahre 1866 fand Alfred Nobel im Werk Krümmel bei Hamburg die Lösung des Problems: Diatomeen-Erde (Kieselgur), die mit der öligen Flüssigkeit Nitroglycerin nicht reagiert, erwies sich als ideales Adsorptionsmittel. Bei 75 Teilen Sprengstoff und 25 Teilen Kieselgur ergab sich ein fester Stoff, der nun, zu zylinderförmigen Körpern verarbeitet und in Papierhüllen eingeschlagen, dosiert in die Bohrlöcher einzubringen war, während man Nitroglycerin einfach hineingeschüttet hatte. Trotz des hohen Inertstoffgehalts erwies sich das neue Material in seiner Sprengkraft als fünfmal stärker als Schwarzpulver und deutlich handhabungssicherer als Nitroglycerin alleine. Das Gurdynamit (nach griechisch dynamis für Kraft) wurde ein enormer wirtschaftlicher Erfolg.

Allerdings löste sich das Material in Wasser, und seine Sprengkraft war um ein Viertel geringer als die des reinen Nitroglycerins. Im Jahr 1875 löste Alfred Nobel das Sprengöl deshalb in Schießbaumwolle (Nitrocellulose), einer leicht entzündlichen, watteartigen Substanz, die der Baseler Chemieprofessor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) 1846 durch Behandeln von Baumwolle mit Salpeter- und Schwefelsäure erstmals hergestellt hatte. Er erhielt einen gallertartigen Stoff, der wasserfest, gegenüber mechanischer Belastung noch unempfindlicher und durch den höheren Nitroglyceringehalt deutlich energiereicher war als Gurdynamit: die Sprenggelatine.

Allerdings wurde eine solch hohe Energiedichte in der Praxis gar nicht benötigt. Sie ließ sich etwas verringern, indem man die Gelatine mit Chilesalpeter und verbrennbaren organischen Stoffen wie Sägemehl oder Kohlenstaub streckte. Dies stabilisierte gleichzeitig die gesamte Mischung gegen Stöße und Erschütterungen. Bereits kurze Zeit später ersetzte man den Chilesalpeter durch Ammoniumnitrat, das vollständig in gasförmige Produkte zerfällt und aufgrund des zusätzlichen Gasdrucks die Sprengwirkung steigert. Nach wie vor werden die zivilen gelatinösen Ammonsalpeter-Sprengstoffe nach diesem Prinzip gefertigt und lediglich durch Additive an die Anforderungen moderner Sprengtechnik angepaßt.


Nitroglycerinfreie Gesteinsprengstoffe

Da die sichere Herstellung von Nitroglycerin sehr aufwendig ist, suchte man bald nach Alternativen. Insbesondere war bereits seit den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt, daß das Oxidationsmittel Ammoniumnitrat bei hohen Anregungsenergien auch alleine detonationsfähig ist. Die Mischung mit verbrennbaren Substanzen wie Dieselöl (ammonium nitrate plus fuel oil, ANFO) läßt sich leichter zur Reaktion bringen. Während man die Komponenten zunächst im Gewichtsverhältnis 1:1 mischte – das entsprach einem Sack Ammoniumnitrat und einer Kanne Dieseltreibstoff – und den Sprengstoff nur in großen Bohrlöchern von 200 und mehr Millimetern Durchmesser mit Verstärkungsladungen aus sensibleren Sprengstoffen zu zünden vermochte, wurde im Laufe der Jahre die Zündfähigkeit bei unverändert geringer mechanischer Empfindlichkeit deutlich verbessert.

So adsorbiert ein Ammoniumnitrat-Granulat mit einer durch den Herstellprozeß steuerbaren Porosität – in Form sogenannter Prills – Mineralöl besser und weist eine größere Grenzfläche zwischen den Reaktanden auf. Auch verbessert der durch Abrieb bei der Herstellung erzeugte Feinanteil bis zu einer gewissen Menge die Zündfähigkeit. Allerdings behindert er schließlich das Fließvermögen des Sprengstoffs, den man mit Schnecken oder pneumatisch in die Bohrlöcher fördert. Zwar erreicht ANFO nicht die Explosionskraft der nitroglycerinhaltigen Produkte, doch ist es der billigste Massensprengstoff überhaupt und macht darum weltweit etwa 80 Prozent des Sprengstoffmarkts aus.

Allerdings lösen sich die Prills in wasserhaltigen Bohrlöchern rasch auf. Ist der Wasserstand aber nicht zu hoch, entsteht nur am Boden eine Lösung beziehungsweise ein Salzbrei, während der Sprengstoff im oberen Bereich noch brauchbar ist. In diesem Falle läßt sich die Ladesäule durch eine genügend starke Verstärkerladung zünden.

Systematisch wurde das Prinzip verfeinert. So gibt man dem Brei molekulare Explosivstoffe wie Trinitrotoluol (TNT) oder Hexogen zu (also sensible, ohne weitere Komponenten explosionsfähige Stoffe). Als oxidierbare Bestandteile werden Zucker, Mineralöl, Kohlenstaub und – besonders wichtig – Aluminiumpulver zugesetzt. Dessen hohe Verbrennungswärme heizt die bei der Detonation entstehenden Gase stark auf und sorgt so für einen hohen Gasdruck. Damit sich die Komponenten nicht entmischen, benutzt man Quellmittel wie Agar-Agar, Stärke, Guarmehl oder Polyacrylamid, deren Makromoleküle die flüssigen Bestandteile einbetten und sich mit Antimon(V)- oder Chrom(VI)-Salzen vernetzen lassen.

Je nach Zusammensetzung entstehen dann schlammartige, fließfähige Sprengstoffe – sogenannte Slurries – oder feste, in Patronen abfüllbare, die Water Gels. Auch die Zündfähigkeit des Materials läßt sich dabei in weiten Grenzen variieren. Wasser verhält sich gegenüber Brennstoff und Oxidationsmittel inert und stabilisiert Slurries deshalb gegen Schlag und Reibung. Allerdings mußte man am Anfang der Entwicklung lernen, daß nicht gegen Korrosion vorbehandeltes Aluminium durch die Salzlösung angegriffen wird und seine Zersetzung sich sogar bis zu einer Detonation aufschaukeln kann.

Emulsionssprengstoffe

Die reaktive Oberfläche des Ammoniumnitrats läßt sich durch Auflösen des Salzes in Wasser nochmals drastisch vergrößern. Das Wasser fungiert dabei wieder als Inertmittel. Um seinen Anteil möglichst gering zu halten, nutzt man die Tatsache, daß sein Lösevermögen mit der Temperatur stark steigt: Bei etwa 80 Grad Celsius vermag es ein Vielfaches an Salz im Vergleich zu Raumtemperatur aufzunehmen. Die konzentrierte Lösung wird dann – immer noch in der Wärme – in Mineralöl emulgiert; so ergibt sich die große Grenzfläche. Dieser thermodynamisch instabile Zustand läßt sich mit geeigneten Emulgatoren stabilisieren. Die Tröpfchengröße dieser Wasser-in-Öl-Emulsion kann kleiner als zehn Mikrometer (tausendstel Millimeter) sein. Benötigt man feste Sprengstoffe, setzt man geeignete Wachse zu, um die Viskosität beliebig hoch einzustellen. Der typische Wassergehalt im fertigen Sprengstoff beträgt etwa 10 bis 20 Prozent.

Die Emulsion ist an sich nicht detonationsfähig, sondern wird es erst durch Zusatz von Sensibilisatoren. Allerdings müssen dies keine Explosivstoffe oder dergleichen sein; auch nicht reagierende Ingredienzien erfüllen den Zweck. Eine stark mit Gasbläschen versetzte Emulsion ist beispielsweise sehr gut detonationsfähig. Die Stoßwelle komprimiert die Bläschen so schnell, daß kein Wärmeaustausch stattfinden kann, und heizt sie damit extrem auf (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, April 1995, Seite 50). An diesen Hot Spots kann sich die Reaktion von Ammoniumnitrat mit Brennstoffen immer neu entzünden. Dieser Mechanismus verbessert auch bei nitroglycerinhaltigen Sprengstoffen die Detonation. Die Gasblasen lassen sich chemisch erzeugen – insbesondere durch Umsetzen von Natriumnitrit mit Harnstoff oder Thioharnstoff zu Stickstoff. Damit sie nicht zu rasch durch den Sprengstoff hindurch diffundieren, gibt man ihm durch Wachse eine sehr feste Konsistenz.

Man kann auch Mikrohohlkugeln aus Glas oder Kunststoff verwenden, wie sie oft zur Gewichtsreduktion von Formteilen eingesetzt werden. Kügelchen aus Kunststoff verbrennen zudem, und man erreicht deutlich höhere Detonationsgeschwindigkeiten als mit solchen aus Glas. Emulsionssprengstoffe mit Mikrohohlkugeln speichern gegenüber den gelatinösen Ammonsalpeter-Sprengstoffen allerdings weniger Energie, was unter schwierigen Verhältnissen, wie etwa in festem Gestein und bei hoher Verspannung, problematisch sein kann.

Die Zusammensetzung von Emulsionssprengstoffen läßt sich in weiten Grenzen variieren. Das Spektrum reicht von fließfähigen Substanzen für große Bohrlochdurchmesser (Bild 3), die mit einer Verstärkungsladung gezündet werden müssen, bis zu festen Stoffen für kleine Patronen. Es ist auch gelungen, die an sich klebrigen Materialien durch Zusatz von Silikon-Ölen so trocken zu machen, daß sie mit den für gelatinöse Sprengstoffe entwickelten Patroniermaschinen in Papierhüllen abzufüllen sind.


Explosivstoffe für den Untertage-Bergbau

Die "schlagenden Wetter", Explosionen von Methan-Luft-Gemischen, die den im Kohlebergbau allgegenwärtigen Kohlenstaub aufwirbeln und dann ebenfalls zur Detonation bringen, haben schon vielen Bergleuten das Leben gekostet. Sie sind vor allem deshalb so gefährlich, weil sich ihre Stoßwelle nicht nach allen Richtungen ausbreitet und totläuft, sondern durch das Stollensystem über Kilometer hinweg fortpflanzen kann. Zudem verbrennt der Kohlenstoff nicht vollständig, und es entsteht hochgiftiges Kohlenmonoxid – ihm sind bei Grubenunglücken oft mehr Bergleute zum Opfer gefallen als der Druckwelle.

Methan-Luft-Gemische lassen sich in weiten Konzentrationsgrenzen – schon ab Anteilen von etwa 5 bis 15 Prozent Methan – mit geringen Energiemengen zünden. Selbstverständlich reicht eine Detonation dafür allemal aus. Um so erstaunlicher ist es, daß man spezielle Sprengstoffe zu entwickeln vermochte, die trotz Schlagwettergefahr eingesetzt werden dürfen.

Dabei nutzt man den Umstand, daß die Zeit zwischen der Zündung und der Explosion von Methan-Luft-Gemischen, in der die reaktiven Radikale und Ionen die Reaktion weitertragen, mit sinkender Temperatur anwächst. Man setzt deshalb der Mischung aus Nitroglycerin, Ammoniumnitrat und Brennstoff eine größere Menge Salz, beispielsweise Kochsalz, in feiner Form zu. Dessen relativ hohe spezifische Wärme entzieht der heißen Schwadenwolke Energie, so daß die Endtemperatur der Explosionsgase sinkt und möglicherweise zur Zündung des Methan-Luft-Gemisches nicht mehr ausreicht. Noch wichtiger ist die Wirkung dieser feinen, festen Salzpartikel als Antikatalysatoren, die auf ihrer Oberfläche die reaktiven Teilchen abfangen, so daß die Verbrennung nicht weitergetragen wird und sich die Explosion nicht aufbauen kann. Durch den Salzgehalt wird auch die Gesamtenergie des Sprengstoffs gesenkt und somit der Maximaldruck in der Stoßwelle reduziert.

Besonders sicher sind Wettersprengstoffe mit inversen Salzpaaren: Statt explosionsfähigem Ammoniumnitrat und beispielsweise Natriumchlorid enthalten diese die harmlosen Salze Ammoniumchlorid und Natriumnitrat. Bringt man das in nur geringen Anteilen vorhandene Nitroglycerin zur Detonation, bleibt seine Energie im Bohrloch konzentriert und kann dort den Zerfall beider Stoffe einleiten, wobei kurzzeitig wieder Ammoniumnitrat und Natriumchlorid entstehen, die dann in bekannter Weise weiterreagieren. Sofern eine Ladesäule nicht im Bohrloch, sondern offen im Kontakt mit dem Methan-Luft-Gemisch detoniert, weil beispielsweise eine Nachbarladung bereits Gestein weggerissen hat, wird das inerte Gemisch des inversen Salzpaars hingegen lediglich weggeschleudert, die Energie des Nitroglycerins dadurch zum großen Teil verbraucht und eine Schlagwetterexplosion somit vermieden. Aufbauend auf diesem Prinzip werden in Deutschland die weltweit sichersten Wettersprengstoffe hergestellt.


Zündmittel

Die moderne Sprengtechnik wäre ohne sichere und zuverlässige Zündmittel nicht denkbar (Bild 2). Bei allen Sprengverfahren werden die Ladungen nicht gleichzeitig, sondern mit geringer Verzögerung gezündet, so daß beispielsweise eine Bruchwand wie mittels Reißverschlusses geöffnet wird (Bild 1). Durch die pro Zeitstufe geringere freigesetzte Energie lassen sich auch Sprengerschütterungen minimieren. Zeitzünder mit pyrotechnischen Verzögerungssätzen hat unser Unternehmen vor kurzem durch solche mit elektronischem Verzögerungsteil ergänzt. Auch nichtelektrische Systeme stehen zur Verfügung. Die hohe Genauigkeit der elektronischen Zünder und die Möglichkeit, die Verzögerung zwischen den einzelnen Zeitstufen in weitem Bereich zu wählen, erlaubt eine Anpassung der Sprenganlage an das zu sprengende Material.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1996, Seite 92
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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