Wissenschaftliche Sicht: Merkmale der Explosion in Beirut

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die tragische Nachricht von einer riesigen Explosion in Beirut, die die ersten Zeilen der Nachrichtenquellen einnahm, wirft natürliche Fragen auf: Wie konnte dies passieren, was ist dort explodiert, aufgrund welcher Faktoren sind solche Vorfälle möglich? Um das herauszufinden, schauen wir uns die Eigenschaften von Ammoniumnitrat und die damit verbundenen Gefahren genauer an.

Was ist in Beirut passiert?

Zusammengefasst sieht die Situation so aus: Vor sechs Jahren lief das Schiff Rhosus zu einer außerplanmäßigen Reparatur in die Hafenstadt Beirut ein. Es gehörte der Firma von Igor Grechushkin, einem gebürtigen Chabarowsk. Die Hafenbehörden gaben das Schiff aufgrund von Mängeln in Sicherheitssystemen und Frachtpapieren nicht frei. Nach und nach verließ das Team Rhosus und seine Fracht, die aus 2.750 Tonnen Ammoniumnitrat bestand, wurde in ein Lagerhaus im Hafen umgeladen, wo es für die nächsten sechs Jahre gelagert wurde. Die Lagerbedingungen erwiesen sich als nicht ausreichend zuverlässig. Um den Zugang zu dieser Ladung einzuschränken, wurden im Lager Schweißarbeiten durchgeführt, aufgrund deren unsachgemäßer Sicherheitsorganisation sich die im selben Lager gelagerte Pyrotechnik anschließend entzündete.

Ein Feuer entstand, unterstützt durch Verbrennung und Feuerwerk. Nach einiger Zeit detonierte das gespeicherte Ammoniumnitrat. Die Schockwelle dieser Explosion hat das Umland Beiruts stark verwüstet: Heute gibt es mehr als 130 Tote, und ihre Zahl wächst weiter, da bei der Demontage der Trümmer von Gebäuden und Bauwerken immer mehr Leichen entdeckt werden. Mehr als fünftausend Menschen wurden verletzt.

Fotos aus dem All, aufgenommen vom Satelliten Kanopus-V. Das Foto oben ist vom 4. November 2019 datiert und das Foto unten ist der Tag nach der Explosion. / © Roskosmos.ru

Eine Vielzahl von Häusern wurde in unterschiedlichem Maße beschädigt, die Hälfte der Gebäude in Beirut war von der Zerstörung betroffen, etwa 300.000 Einwohner wurden obdachlos. Nach Angaben des Gouverneurs der libanesischen Hauptstadt Marwan Abboud wird der Schaden der Explosion auf drei bis fünf Milliarden Dollar geschätzt. Bilder aus dem All des Hafens von Beirut, die vor und nach der Tragödie aufgenommen wurden, zeigen ein Gebiet kontinuierlicher Zerstörung rund um das gesamte Hafengebiet. Im Libanon wurde eine dreitägige Trauer ausgerufen.

Was ist Ammoniumnitrat?

Ammoniumnitrat oder Ammoniumnitrat ist ein Ammoniumsalz der Salpetersäure, hat die chemische Formel NH₄NO₃ und besteht aus drei chemischen Elementen - Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Der hohe Stickstoffgehalt (etwa ein Drittel des Gewichts) in einer für Pflanzen gut assimilierbaren Form ermöglicht eine breite Anwendung von Ammoniumnitrat als wirksamer Stickstoffdünger in der Landwirtschaft.

Als solches wird Ammoniumnitrat sowohl in reiner Form als auch als Bestandteil anderer Mehrnährstoffdünger verwendet. Der Großteil des weltweit produzierten Salpeters wird genau in dieser Funktion verwendet. Physikalisch gesehen ist Ammoniumnitrat eine weiße kristalline Substanz, die in industrieller Form in Form von Granulaten unterschiedlicher Größe vorliegt.

Es ist hygroskopisch, dh es nimmt Feuchtigkeit gut aus der Atmosphäre auf; während der Lagerung neigt zum Anbacken, die Bildung von großen dichten Massen. Daher wird es nicht in Form einer festen Schüttmasse gelagert und transportiert, sondern in dichten und haltbaren Säcken, die keine Bildung von großen, schwer zu lösenden Verbackungen zulassen.

Sprengarbeiten im Tagebau mit Ammoniumnitrat als Bestandteil von Industriesprengstoffen / ©Flickr.com.

Ammoniumnitrat ist ein starkes Oxidationsmittel. Die drei Sauerstoffatome, aus denen sein Molekül besteht, machen 60 Prozent der Masse aus. Mit anderen Worten, Ammoniumnitrat besteht zu mehr als der Hälfte aus Sauerstoff, der beim Erhitzen leicht aus seinem Molekül freigesetzt wird. Die thermische Zersetzung von Nitrat tritt in zwei Hauptformen auf: Bei Temperaturen unter 200 Grad zerfällt es in Stickoxide und Wasser, und ab Temperaturen von etwa 350 Grad werden gleichzeitig mit Wasser freier Stickstoff und freier Sauerstoff gebildet. Dadurch wird Ammoniumnitrat in die Kategorie der starken Oxidationsmittel eingeteilt und seine Verwendung bei der Herstellung verschiedener Sprengstoffe vorgegeben, die ein Oxidationsmittel erfordern.

Ammoniumnitrat - ein Bestandteil von Industriesprengstoffen

Ammoniumnitrat ist in vielen Arten von Industriesprengstoffen enthalten und wird dabei häufig verwendet, hauptsächlich in der Bergbauindustrie. Der Mensch hat noch nichts Effektiveres als eine Explosion zur Zerstörung von Gesteinen erfunden. Daher basiert fast jede Arbeit mit ihnen auf einer Explosion: vom Bergbau in Minen über den Tagebau bis zum Steinbruch.

Der Bergbau verbraucht riesige Mengen an Sprengstoff, und jedes Bergbauunternehmen oder Kohlebergwerk hat immer eine eigene Anlage zur Herstellung von Sprengstoff, der in großen Mengen verbraucht wird. Die relative Billigkeit von Ammoniumnitrat ermöglicht es, es für die Massenproduktion verschiedener Industriesprengstoffe zu verwenden.

Und hier können wir die erstaunliche Breite der Bildung explosiver Systeme durch Ammoniumnitrat feststellen. Indem Sie Nitrat mit buchstäblich jeder brennbaren Substanz mischen, können Sie ein explosives System erhalten. Mischungen von Nitrat mit gewöhnlichem Aluminiumpulver bilden Ammonale, die daher AMMONIUM-Nitrat - ALUMINIUM genannt werden. 80% der Ammoniakmasse besteht aus Ammoniumnitrat. Ammonale sind sehr effektiv, sie können gut Gesteine sprengen, bestimmte Sorten werden Gesteinsammonale genannt.

Massive Explosion im Bergbaubetrieb / © Flickr.com.

Wenn Sie Nitrat mit Dieselkraftstoff imprägnieren, erhalten Sie eine andere Klasse von Industriesprengstoffen - Igdanite, benannt nach dem Institut für Bergbau, dem Institut für Bergbau der Akademie der Wissenschaften der UdSSR. Salpeter ist in der Lage, explosionsfähige Gemische zu bilden, wenn es mit praktisch jeder brennbaren Flüssigkeit imprägniert wird, von Pflanzenöl bis Heizöl. Andere Klassen von nitratbasierten Sprengstoffen verwenden Zusatzstoffe verschiedener Sprengstoffe: Ammoniten (dies sind nicht nur fossile Kopffüßer) beispielsweise enthalten TNT oder RDX. In seiner reinen Form ist Ammoniumnitrat zudem explosiv und kann detonieren. Aber seine Detonation unterscheidet sich von der Detonation von Industrie- oder Militärsprengstoffen. Was genau? Erinnern wir uns kurz daran, was Detonation ist und wie sie sich von der gewöhnlichen Verbrennung unterscheidet.

Was ist Detonation?

Damit Verbrennungsreaktionen in brennbaren Stoffen beginnen können, müssen die Atome des Brennstoffs und des Oxidationsmittels frei gemacht und einander angenähert werden, bis sich zwischen ihnen chemische Bindungen bilden. Sie von den Molekülen zu lösen, in denen sie enthalten sind, bedeutet, diese Moleküle zu zerstören: dies bewirkt die Erwärmung der Moleküle auf die Temperatur ihrer Zersetzung. Und das gleiche Erhitzen bringt die Atome des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zusammen, um eine chemische Bindung zwischen ihnen zu bilden - zu einer chemischen Reaktion.

Bei der normalen Verbrennung - Deflagration genannt - werden die Reaktionspartner durch normalen Wärmeübergang von der Flammenfront erhitzt. Die Flamme erhitzt die Schichten des brennbaren Stoffes, und unter dem Einfluss dieser Erwärmung zersetzen sich die Stoffe, bevor chemische Verbrennungsreaktionen beginnen. Der Detonationsmechanismus ist anders. Darin wird der Stoff vor Beginn chemischer Reaktionen durch mechanische Kompression in hohem Maße erhitzt - bei starker Kompression erwärmt sich bekanntlich ein Stoff.

Eine solche Kompression erzeugt eine Stoßwelle, die durch das detonierende Sprengstoffstück (oder einfach das Volumen, wenn eine Flüssigkeit, ein Gasgemisch oder ein Mehrphasensystem detoniert: zum Beispiel eine Suspension von Kohle in Luft) hindurchgeht. Die Stoßwelle komprimiert und erhitzt den Stoff, bewirkt in ihm chemische Reaktionen unter Freisetzung einer großen Wärmemenge und wird selbst durch diese Reaktionsenergie direkt in ihn gespeist.

Und hier ist die Detonationsgeschwindigkeit sehr wichtig, dh die Geschwindigkeit der Stoßwelle, die die Substanz durchdringt. Je größer es ist, desto stärker ist der Sprengstoff, die explosive Wirkung. Bei Industrie- und Militärsprengstoffen beträgt die Detonationsgeschwindigkeit mehrere Kilometer pro Sekunde – von etwa 5 km/s für Ammonalien und Ammoniten und 6-7 km/s für TNT bis 8 km/s für RDX und 9 km/s für HMX. Je schneller die Detonation, desto höher die Energiedichte der Stoßwelle, desto stärker ist ihre zerstörende Wirkung, wenn sie die Grenzen des Sprengstoffstücks verlässt.

Überschreitet die Stoßwelle die Schallgeschwindigkeit im Material, zerkleinert sie es in Stücke – dies nennt man Sprengwirkung. Es ist es, das den Körper einer Granate, eines Projektils und einer Bombe in Bruchstücke zerlegt, Steine um ein Bohrloch oder ein mit Sprengstoff gefülltes Bohrloch zertrümmert.

Mit zunehmender Entfernung von einem Sprengstoff nehmen Kraft und Geschwindigkeit der Stoßwelle ab, und ab einer gewissen geringen Entfernung kann sie die umgebende Substanz nicht mehr zerquetschen, sondern mit ihrem Druck auf sie einwirken, stoßen, zerknüllen, zerstreuen, werfen, Wurf. Eine solche Press-, Quetsch- und Wurfwirkung wird als hochexplosiv bezeichnet.

Merkmale der Detonation von Nitrat

Auch industrielles Ammoniumnitrat ohne sprengstoffbildende Zusätze, wie oben erwähnt, kann detonieren. Seine Detonationsgeschwindigkeit ist im Gegensatz zu Industriesprengstoffen relativ gering: etwa 1,5-2,5 km / s. Die Ausbreitung der Detonationsgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab: in welcher Granulatform der Salpeter vorliegt, wie fest diese komprimiert sind, wie hoch der aktuelle Feuchtigkeitsgehalt des Salpeters ist und vieles mehr.

Daher erzeugt Salpeter keine Sprengwirkung - er zerkleinert keine umliegenden Materialien. Aber die hochexplosive Wirkung der Detonation von Nitrat erzeugt ganz greifbar. Und die Kraft einer bestimmten Detonation hängt von ihrer Quantität ab. Bei großen explosiven Massen kann die hochexplosive Wirkung der Explosion jede beliebige Zerstörungskraft erreichen.

Folgen der Explosion in Beirut / © "Lenta.ru"

Wenn wir über die Detonation sprechen, bemerken wir einen weiteren wichtigen Punkt - wie sie beginnt. Damit eine Druckstoßwelle den Sprengstoff durchdringt, muss sie in der Tat irgendwie abgefeuert, mit etwas erzeugt werden. Das einfache Anzünden eines Sprengstoffstücks liefert nicht die mechanische Kompression, die erforderlich ist, um eine Detonation auszulösen.

Auf kleinen TNT-Stücken, die mit einem Streichholz angezündet werden, ist es durchaus möglich, Tee in einer Tasse zu kochen - sie brennen mit einem charakteristischen Zischen, manchmal rauchen sie, brennen jedoch leise und ohne Explosion. (Die Beschreibung ist keine Empfehlung für die Zubereitung von Tee! Es ist trotzdem gefährlich, wenn die Stücke groß oder kontaminiert sind.) Um die Detonation auszulösen, benötigen Sie einen Detonator - ein kleines Gerät mit einer speziellen Sprengladung, die in den Hauptkörper von Sprengstoff eingesetzt wird. Die Explosion eines Zünders, der fest in die Hauptladung eingefügt ist, löst eine Stoßwelle und eine Detonation darin aus.

Was könnte die Detonation verursacht haben?

Kann eine Detonation spontan auftreten? Vielleicht: Die gewöhnliche Verbrennung kann bei Beschleunigung in eine Detonation übergehen, wobei die Intensität dieser Verbrennung zunimmt. Wenn Sie ein Gemisch aus Sauerstoff mit Wasserstoff - einem explosiven Gas - entzünden, beginnt es leise zu brennen, aber wenn sich die Flammenfront beschleunigt, geht die Verbrennung in eine Detonation über.

Die Verbrennung mehrphasiger Gassysteme, wie allerlei Suspensionen und Aerosole, die in Munition für eine volumetrische Explosion verwendet werden, wird schnell zur Detonation. Die Verbrennung des Treibstoffs kann auch in eine Detonation übergehen, wenn der Druck im Triebwerk außerhalb der Auslegung schnell ansteigt. Druckerhöhung, Beschleunigung der Verbrennung - das sind die Voraussetzungen für den Übergang von der normalen Verbrennung zur Detonation.

Verbrennungskatalysatoren können auch verschiedene Zusätze, Verunreinigungen, Verunreinigungen sein - genauer gesagt sie oder ihre Komponenten, die zum lokalen Übergang zur Detonation beitragen. Oxidierte, rostige Munition explodiert eher, wenn sich der Sprengstoff neben dem oxidierten Abschnitt des Rumpfes befindet. Es gibt viele Nuancen und Punkte bei der Einleitung der Detonation, die wir auslassen werden, also kehren wir zur Frage zurück: Wie könnte der Salpeter im Lagerhaus detonieren?

Und hier liegt es auf der Hand, dass Pyrotechnik perfekt die Rolle eines Zünders spielen könnte. Nein, nur ein zischender Pulverschläger verursachte kaum die Detonation des Salpeters mit seiner Rauchkraft mit Funken. Aber das Video fängt zahlreiche massive Ausbrüche ein, die vor der Salpeterexplosion im Rauch des Feuers funkelten. Dabei handelt es sich um kleine Explosionen aus verstreuten pyrotechnischen Komponenten von Feuerwerkskörpern. Sie dienten als offensichtlicher Detonationsstart. Nein, es waren keine Industriezünder.

Aber unter den Bedingungen des Feuers, der Erhitzung großer Salpeterflächen mit einer Flamme und der Massivität von Tausenden von pyrotechnischen Vorgängen wurden diese pyrotechnischen Raketen wahrscheinlich mit weiteren Explosionen in heißem Salpeter in die erhitzte Salpeteroberfläche eingebracht. Irgendwann kam es bei einem solchen Aufprall zu seiner Detonation – und breitete sich auf die gesamte Anordnung der gelagerten Salpeter aus.

Ohne detaillierte Informationen und Untersuchung des Explosionsortes ist es schwierig, weitere Ereignisse im Detail zu analysieren. Es ist nicht bekannt, wie vollständig alle 2750 Tonnen gezündet wurden. Detonation ist kein absoluter Anfang, der immer so geschieht, wie es auf Papier steht. Es kommt vor, dass die zusammengestapelten TNT-Briketts nicht alle detonieren: Einige von ihnen zerstreuen sich einfach zur Seite, wenn keine zuverlässigen Maßnahmen getroffen werden, um die Detonation zwischen ihnen zu übertragen.

Nach massiven Gesteinsexplosionen, wenn Hunderte und Tausende von mit Sprengstoff gefüllten Brunnen gesprengt werden (sie können einen ganzen Monat lang mit Sprengstoff bestückt werden), nachdem sich eine Staubwolke abgesetzt hat, betreten zuerst immer nur Spezialisten die Explosionszone und untersuchen, was explodiert ist und was ist nicht explodiert. Sie sammeln auch nicht explodierten Sprengstoff. So ist es beim Salpeter in einem Lagerhaus im Hafen von Beirut: Die Vollständigkeit der Detonation der Explosion der gesamten Nitratmasse ist schwer zu bestimmen, aber es ist klar, dass sie ziemlich groß war.

Merkmale der Explosion in Beirut

Das Bild der Explosion entspricht gut der Detonation von Nitrat. Eine große rotbraune Rauchsäule nach der Explosion ist eine typische Farbe der Wolke mit roten Stickoxiden, die bei der Zersetzung von Nitrat bei der Explosion in großen Mengen freigesetzt werden. Aufgrund der geringen Detonationsgeschwindigkeit von Nitrat trat keine massive Zerkleinerungswirkung auf.

Daher bildete sich am Ort der Explosion kein großer Krater: Die Materialien der Pfeiler und der Betonboden der Lagerhallen wurden nicht detailliert beschrieben und wurden daher nicht weggeworfen. Aus diesem Grund gab es keine Bombardierung der Stadt mit aus dem Explosionsbereich fliegenden Stücken, und der hohe Sultan aus fliegenden Stücken und Fragmenten, die durch die Explosion gebildet wurden, erhob sich nicht über den Ort der Explosion.

Eine Rauchsäule, gefärbt durch Emissionen von Stickoxiden bei der Zersetzung von Ammoniumnitrat / © dnpr.com.ua.

Gleichzeitig verlieh die reichliche Freisetzung gasförmiger Verbrennungsprodukte - Wasserdampf, Stickoxide - dem Explosionsbild die Züge einer volumetrischen Explosion. Neben einer schnell vorbeiziehenden Stoßwelle, stark genug und sichtbar als schnelle Nebelwand, zeigt das Schießen eine sich nähernde Wand aus expandierenden Explosionsgasen, die mit Staub vermischt sind und sich bei schneller Annäherung von der Erdoberfläche aufblähen. Dies ist typisch für Explosionen großer Volumina mit geringer Detonationsgeschwindigkeit.

Die Art der Schäden an Gebäuden wird mit hoher Wahrscheinlichkeit zeigen, dass diese nicht nur durch die Stoßwelle selbst – stark, aber kurzfristig – beeinflusst wurden, sondern auch durch eine längere Exposition gegenüber dem sich ausdehnenden Gas-Luft-Strom, der aus dem Explosionsbereich gestreut wird.

Nitratexplosionen in Beirut

Explosionen von Düngemitteln auf Basis von Salpetersäuresalzen gab es schon früher, sie sind bekannt, solche Fälle gibt es viele in der Geschichte. So explodierte am 1. September 2001 in Toulouse in der Düngemittelfabrik der Firma Grande Paroisse ein Hangar, in dem 300 Tonnen Ammoniumnitrat detoniert wurden. Etwa 30 Menschen starben, Tausende wurden verletzt. Viele Gebäude in Toulouse wurden beschädigt.

Zuvor, am 16. April 1947, kam es an Bord des Schiffes "Grancan" im Hafen von Texas City, USA, zu einer Explosion von 2.100 Tonnen Ammoniumnitrat. Vorausgegangen war ein Feuer auf dem Schiff - eine ähnliche Situation und Abfolge von Ereignissen. Die Explosion verursachte Brände und Explosionen auf Schiffen und Öllagern in der Nähe. Etwa 600 Menschen kamen ums Leben, Hunderte wurden vermisst, mehr als fünftausend wurden verletzt.

Am 21. September 1921 explodierten im Chemiewerk der BASF bei Oppau in Bayern 12.000 Tonnen einer Mischung aus Ammoniumsulfat und Ammoniumnitrat. Eine Explosion solcher Kraft bildete einen riesigen Krater, zwei nächstgelegene Dörfer wurden vom Erdboden gewischt und die Stadt Oppau wurde zerstört.

Katastrophale Explosionen von Ammoniumnitrat mit großen Zerstörungen und zahlreichen Opfern ereigneten sich 2004 in der nordkoreanischen Stadt Ryongcheon; 2013 in der Stadt West in Texas, USA; 2015 in der Hafenstadt Tianjin in China. Und die Liste geht weiter.

Leider bleibt Ammoniumnitrat mit all den enormen Vorteilen, die es für den Menschen mit sich bringt, ein gefährlicher Gegenstand, der bei der Handhabung eine Reihe von Sicherheitsanforderungen erfüllen muss. Und aus Unachtsamkeit oder Fahrlässigkeit können neue Tragödien entstehen, deren Vermeidung sowohl eine Verschärfung der Regeln für den Umgang mit Nitrat als auch eine stärkere Verantwortung für deren Einhaltung und Umsetzung erfordert.