Sprengstoff

Ein Sprengstoff ist ein chemischer Stoff oder eine Mischung chemischer Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen sehr schnell reagieren und dabei eine relativ große Energiemenge in Form einer Druckwelle (oft auch mit Hitzeentwicklung) freisetzen (Detonation). Die Geschwindigkeit, mit der sich die Reaktion im Sprengstoff ausbreitet liegt dabei über der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Sprengstoffes (bezogen auf den Stoff selbst). Ein Gegenstand, der detonieren kann, wird sprengkräftig genannt. Das bezieht sich insbesondere auf Zündmittel.

Die Sprengstoffe gehören zusammen mit den Initialsprengstoffen, Treib- und Schießstoffen (Schwarzpulver und Schießpulver oder Treibladungspulver), Zündmitteln und pyrotechnischen Erzeugnissen zu den explosionsgefährlichen Stoffen (Explosivstoffen).

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Einführung

Moderne Sprengstoffe basieren meist auf energetischen Verbindungen, die die chemischen Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) enthalten. Bei der Explosion verbindet sich meistens der ursprünglich am Stickstoff schwach gebundene Sauerstoff mit dem Kohlenstoff zu CO und CO₂ sowie mit dem Wasserstoff zu Wasserdampf, während der Stickstoff das sehr stabile Stickstoffmolekül N₂ bildet. Bei dieser Umsetzung wird normalerweise innerhalb weniger Mikrosekunden oder Millisekunden eine große Wärmemenge freigesetzt, außerdem sind die bei der Umsetzung des Sprengstoffs entstehenden Reaktionsprodukte auch wegen der entstehenden Hitze von mehreren tausend Grad Celsius gasförmig. Die plötzliche Entstehung sehr heißer Gase, mit großem Raumbedarf, aus einem Feststoff oder Flüssigkeit hat dann die für Sprengstoffe typische Druckwelle zur Folge. Die Sprengwirkung wird durch die hohe Temperatur der Gase drastisch verstärkt, denn je mehr Hitze der Sprengstoff bei der Detonation freisetzt, umso stärker der Gasdruck. Eine möglichst hohe Temperatur trägt somit zur größeren Sprengwirkung bei. Der Druck ist aber auch von anderen Faktoren abhängig. Einigen Sprengstoffen werden auch Sauerstoffträger zugesetzt, einerseits um die Sauerstoffbilanz zu verbessern, andererseits um Hochleistungssprengstoffe zu strecken und auf diese Weise einen hohen Bedarf zu decken. So wurden in Deutschland gegen Ende des Zweiten Weltkriegs in militärisch verwendeten Sprengmitteln die Anteile an Hochleistungssprengstoffen immer weiter gesenkt und durch alle verfügbaren Salpeter sowie sauerstoffarmen Ersatzsprengstoffe ersetzt. Kurz vor Kriegsende wurden dann sogar alkalichloridhaltige Wettersprengstoffe zur Füllung von Munition verwendet.

Sowohl die zivilen als auch militärischen Sprengstoffe enthalten mitunter noch Metalle wie Aluminium oder Zink. Während feingepulvertes Aluminium durch höhere Temperatur die Gasschlagwirkung steigert, dienen Aluminium- oder Zinkgrieß in Flak-Munition zur Erhöhung der Brandwirkung im Ziel.

Zur Initiierung von Sprengstoffen werden Sprengzünder verwendet. Es gibt elektrische, nicht-elektrische und elektronische Zündsysteme. Weltweit führender Hersteller von Zündsystemen für den zivilen Bereich ist der Orica-Konzern mit Sitz in Melbourne, Australien. Daneben werden gelegentlich noch Sprengkapseln eingesetzt, die mittels Sicherheitsanzündschnur gezündet werden. Wenn die Hauptladung aus einem sehr unempfindlichen Sprengstoff besteht, so ist zwischen Sprengzünder und Hauptladung noch eine zusätzliche Verstärkungsladung (Booster, Schlagverstärker) erforderlich.

Geschichte

Die ersten synthetischen Sprengstoffe waren 1847 Glycerintrinitrat und 1846 Zellulosenitrat, bekannter unter den nicht korrekten Bezeichnungen Nitroglycerin und Nitrozellulose bzw. Schießbaumwolle. Da Glycerintrinitrat sehr erschütterungsempfindlich ist und ungenügend neutralisiertes Zellulosenitrat zur Selbstentzündung neigt, wofür die Ursache zunächst nicht erkannt wurde, war die Handhabung zunächst sehr gefährlich. 1862 erfand Alfred Nobel die Initialzündung und 1867 gelang es ihm, durch Aufsaugen von Glycerintrinitrat in Kieselgur erschütterungsunempfindliches Dynamit herzustellen. 1875 fand Nobel durch Gelatinieren des flüssigen Glycerintrinitrat mit 6 bis 8% festem Zellulosenitrat die Sprenggelatine, den damals stärksten gewerblichen Sprengstoff. Da auch die Sprenggelatine noch ziemlich schlagempfindlich und teuer war, wurden durch Zumischen von Holzmehl und Nitraten die sogenannten "gelatinösen Sprengstoffe" entwickelt. Sie sind handhabungssicher und sprengkapselempfindlich. Mittlerweile werden sie, gerade im Bereich der Gewinnungssprengungen, von Ammoniumnitrat-Sprengstoffen vom Typ ANC/ANFO verdrängt, die zu Sprengschlämmen und Emulsionssprengstoffen weiterentwickelt wurden.

Zu den ältesten militärischen Brisanzsprengstoffen zählten die Pikrinsäure und das m-Trinitrokresol, deren Ausgangsstoffe aus Steinkohleteer gewonnen wurden. Diese hatten jedoch den großen Nachteil, dass sie an der Innenwandung der Granaten stoßempfindliche Schwermetallpikrate bildeten, die zu Rohrkrepierern führten. Aus diesem Grund wurden die Granaten vor dem Befüllen innen lackiert. Als die Erdöldestillation genügend Toluol bereitstellen konnte, verdrängte TNT seine Vorgänger als häufig genutzter, sehr handhabungssicherer, brisanter Militärsprengstoff.

Moderne Sprengstoffe mit höherer Brisanz basieren oft auf Hexogen, Nitropenta oder Ethylendinitramin. Octogen gilt als einer der brisantesten Sprengstoffe, ist aber in der Herstellung aufwendig und sehr teuer. Es wird fast ausschließlich für Spezialladungen verwendet, zum Beispiel Hohlladungen, wenn sehr hohe Brisanz gefragt ist.

Parameter zur Charakterisierung von Sprengstoffen

Sauerstoffbilanz

Die Sauerstoffbilanz gibt an, ob zuviel oder zuwenig Sauerstoff zur vollständigen Oxidation des Sprengstoffes zu Verfügung steht. Je ausgeglichener die Sauerstoffbilanz (je näher bei Null), umso höher die Temperatur und umso stärker die Sprengwirkung. Bei militärischen Anwendungen von Sprengstoffen ist die Sauerstoffbilanz nebensächlich, bei Sprengstoffen für gewerbliche Zwecke sollte sie grundsätzlich positiv sein, um die Bildung brennbarer oder giftiger Reaktionsprodukte zu vermeiden. Die Sauerstoffbilanz von Sprengstoffen, die in reiner Form eine negative Sauerstoffbilanz aufweisen, kann durch Zuschlag von Sauerstoffträgern (z.B. Ammoniumnitrat) beeinflusst werden.

Spezifisches Schwadenvolumen (Normalgasvolumen)

Das Spezifische Schwadenvolumen ist das Gasvolumen unter Normalbedingungen, welches bei der vollständigen Umsetzung von 1 kg Explosivstoff entsteht.

Aus der Molzahl N der gasförmigen Detonationsprodukte (Schwaden) pro Gramm Sprengstoff ergibt sich das spezifische Schwadenvolumen zu:

Spezifische Energie

Die Spezifische Energie gibt den Druck (in Megapascal) an, den ein Kilogramm eines Explosivstoffes in einem abgeschlossenen Volumen von einem Liter bei der Explosion erzeugen würde. Diese Kenngröße ist abhängig vom spezifischen Schwadenvolumen und der Explosionstemperatur.

Ladedichte

Verhältnis des Gewichts des Explosivstoffes zum Volumen des Explosionsraumes. Von der Ladedichte ist die Detonationsgeschwindigkeit abhängig.

Schlagempfindlichkeit

Die Empfindlichkeit von Sprengstoffen gegen mechanische Einwirkung (Schlag, Stoß) kann durch Zusatz von phlegmatisierenden Stoffen wie Paraffin herabgesetzt werden. Die Phlegmatisierung explosionsfähiger Gemische wird als Inertisierung bezeichnet. Desgleichen kann durch Zugabe sogenannter Sensibilisierer die Empfindlichkeit erhöht werden.

Daten einiger Sprengstoffe

Kenndaten einiger ausgewählter Sprengstoffe, wie sie meist empirisch aus standardisierten Experimenten wie der Bleiblockausbauchung ermittelt werden:

nach Ammedick^[1]

Nutzung

Zivile Sprengstoffe werden zum größten Teil zur Gewinnung von Gestein in Tagebauen (Steinbruch: Basalt, Granit, Diabas, Kalk etc.), zur Werksteingewinnung und im Bergbau (Steinkohle, Kali & Salz, Gips, Erzabbau etc.) eingesetzt. Daneben finden sie im Verkehrswegebau, im Tunnelbau, bei Abbruchsprengungen, in der Sprengseismik und in der Pyrotechnik (Feuerwerk) Verwendung. Die Produktion von gewerblichen Sprengstoffen in Deutschland betrug im Jahre 2004 rund 65.000 Tonnen. ANC-Sprengstoffe machten davon ca. 36.000 Tonnen aus, gelatinöse Sprengstoffe auf NG-Basis ca. 10.000 Tonnen, gepumpte und patronierte Emulsionssprengstoffe ca. 16.000 Tonnen. Die restliche Menge verteilt sich auf Wettersprengstoffe für den Steinkohlenbergbau und auf Schwarzpulver für die Werksteingewinnung. Führende Hersteller von industriellen Sprengstoffen in Deutschland sind Orica, Troisdorf, Westspreng, Finnentrop, ACF, Gnaschwitz und WASAG AG, Sythen.

Militärische Sprengstoffe werden als Füllmittel für Granaten, Bomben, Minen, Gefechtsköpfe von Raketen und Torpedos, sowie als Bestandteile von Treibsätzen verwendet. Weiterhin werden sie in verschiedenen pyrotechnischen Ladungen mitverwendet. Ein spezieller Punkt ist die Verwendung in Atomwaffen zur Einleitung einer Kettenreaktion.

Für terroristische Zwecke werden sowohl militärische wie zivile Sprengstoffe als auch aus leicht zugänglichen Chemikalien herstellbare Stoffe und Gemische (sog. Selbstlaborate) verwendet. Beispiele sind das Gemisch aus Puderzucker und einem chlorathaltigen Unkrautvernichter oder Gemische auf Ammonsalpeterbasis. Das Mischen solcher Sprengstoffe ist sehr gefährlich, da sie dabei unvorhersehbar detonieren können.

Rechtliches

Der Umgang, dazu gehören das Herstellen, Bearbeiten, Verarbeiten, Verwenden, Verbringen, der Transport und das Überlassen innerhalb der Betriebsstätte, das Wiedergewinnen und Vernichten, der Verkehr (Handel) und die Einfuhr werden aufgrund der möglichen Gefährdung im Sprengstoffrecht geregelt.

Siehe auch: Munitionslager

Sprengstoffarten

Technisch verwendete Sprengstoffe sind in der Regel Stoffgemische aus energetischen chemischen Verbindungen, Bindemitteln, Plastikatoren und anderen Zusatzstoffen. Sie werden in folgende Gruppen eingeteilt:

• Initialsprengstoffe
• Sekundärsprengstoffe
• Booster
• Mischsprengstoffe

Nach DIN 20163 werden Sprengstoffe gemäß ihrer Verwendung unterteilt in:

• militärische Sprengstoffe (z. B. TNT)
• gewerbliche Sprengstoffe
  • Wettersprengstoffe (Verwendung unter Tage)
  • Sprengstoffe für sonstige Zwecke
  • Gesteinssprengstoffe
    • Pulversprengstoffe (enthalten Schwarzpulver)
    • brisante Gesteinssprengstoffe
      • Gelatinöse Sprengstoffe
      • Pulverförmige Sprengstoffe (pulverförmige Sprengstoffe, die kein Schwarzpulver enthalten)
      • Emulsionssprengstoffe und Sprengschlämme

Beispiele:

• Schwarzpulver (der älteste bekannte Explosivstoff) wird als Sprengpulver, je nach Verwendung, den Sprengstoffen oder den Schießstoffen bzw. den pyrotechnischen Chemikalien zugeordnet.
• Chloratsprengstoffe bestehen aus Alkali- und Erdalkalichloraten in Verbindung mit organischen Substanzen wie Wachsen, Ölen, Holzmehl oder Ersatzspprengstoffen (Dinitroaromate). Nach ihrer Entwicklung am Ende des 19. Jahrhunderts wurden sie häufig verwendet, kamen jedoch wegen der hohen Reibeempfindlichkeit außer Gebrauch.
• Zu Dynamiten gehört sowohl das von Alfred Nobel entwickelte Kieselgurdynamit als auch die aus Sprenggelatine entwickelten „Gelatine-Dynamite“.
• Gelatinöse Sprengstoffe bestehen aus Sprengölen wie Glycerintrinitrat, Ethylenglykoldinitrat oder Diethylenglykoldinitrat bzw. deren Gemischen die zur Verringerung der Schlagempfindlichkeit mit 6 bis 8% Cellulosenitrat oder Kollodiumwolle gelatiniert sind.
• Pulverförmige Sprengstoffe (Ammonium Nitrate/Carbone) sind besonders sicher, da sie eine Verstärkerladung (Booster) zum Zünden benötigen. Sie bestehen aus Ammonsalpeter und Kohlenstoffträgern wie Kohlepulver, Naphthalin oder Holzmehl. Die Ammonale enthalten zusätzlich Aluminiumpulver.
• ANFO (Ammonium Nitrate/Fuel Oil) bestehen im einfachsten Fall aus 94,5% Ammonsalpeter und 5,5% Heizöl. Sie sind eine Untergruppe der ANC-Sprengstoffe.
• HAPAN
• Zu Sprengschlämmen zählen heute vor allem Mischungen aus konzentrierten wässrigen Ammoniumnitratlösungen mit niedrigem Anteil an brisanten Explosivstoffen, welche sich durch besonders hohe Verarbeitungs- und Transportsicherheit auszeichnen. Sie werden erst kurz vor der Verwendung, also beim Einfüllen in ein Bohrloch, mit Mischladefahrzeugen gefertigt. Während des Transports zur Sprengstelle sind die einzelnen Komponenten in Tanks getrennt voneinander untergebracht. Dies führt dazu, dass der Transport nicht in die Klasse 1 des ADR fällt.
• Emulsionssprengstoffe bestehen aus konzentrierten wässrigen Ammoniumnitratlösungen mit darin emulgiertem Mineralöl.
• Spezielle Wettersprengstoffewerden untertage im Kohlebergbau eingesetzt. Ihre Explosionstemperatur aufgrund von Zusätzen von Alkalichloriden reicht nicht aus, um Staub- oder Methangasexplosionen (schlagende Wetter) auszulösen.
• Oxyliquite bestehen aus saugfähigen Materialien wie Holz- oder Korkmehl, die kurz vor der Verwendung in flüssige Luft oder flüssigen Sauerstoff getaucht werden. Da diese wieder verdunsten, muss kurz darauf gezündet werden. Aus diesem Grund sind Oxyliquite für groß angelegte Sprengungen nicht geeignet. Ihr Vorteil besteht darin, dass nicht gezündete Ladungen nach Verdunsten des Oxidators absolut ungefährlich sind.
• Die Pikrinsäure ist einer der am längsten bekannten brisanten Sprengstoffe, wurde später aber weitgehend durch das TNT ersetzt. Moderne Sprengstoffe enthalten oft noch das brisantere Hexogen, Ethylendinitramin oder Nitropenta.
• Die militärisch verwendeten formbaren Sprengstoffe (Plastiksprengstoff) wie zum Beispiel C4 oder Semtex enthalten Nitropenta, Hexogen und Plastifizierungsmittel. Sie werden vornehmlich für Pionierzwecke verwendet, sind jedoch auch bei Terroristen beliebt, da sie leicht in unauffällige Form zu bringen sind.
• Hochbrisanzsprengstoffe
• Polymergebundene Sprengstoffe (PBX): Panclastit besteht aus 70% Distickstofftetroxid und 30% Nitrobenzol, die erst kurz vor der Verwendung gemischt werden. Eine ähnliche Mischung aus 86,5% Tetranitromethan und 13,5% Toluol erreicht eine Detonationsgeschwindigkeit von 9300 m/Sek
• zweibasige Flüssigsprengstoffe

Grundsubstanzen für Sprengstoffe von praktischer Bedeutung

• Ammoniumpikrat
• Trinitrotoluol (TNT, Fp.02)
• Trinitrophenol (Pikrinsäure, Granatfüllung 88)
• Tetryl (N-Methyl-N,2,4,6-tetranitroanilin)
• Ethylenglykoldinitrat (Nitroglykol)
• Diethylenglykoldinitrat (Diglykoldinitrat)
• Triethylenglykoldinitrat (Triglykoldinitrat)
• Glycerintrinitrat (Nitroglycerin)
• Nitropenta (PETN, Pentrit, Pentaerythrittetranitrat)
• Cellulosenitrat
• Nitroguanidin
• Ethylendinitramin (EDNA, PH-Salz)
• Hexogen (RDX)
• Oktogen (HMX)
• Hexanitrostilben (HNS)
• Pikrylaminodinitropyridin (PYX)
• Nitrotriazolon (NTO)
• Hexanitrohexaazaisowurtzitan (HNIW oder CL20)
• Triaminotrinitrobenzol (TATB)

Grundsubstanzen für Sprengstoffe von geringerer Bedeutung

• Trinitrobenzol (TNB)
• Trinitro-m-xylol
• Trinitro-m-kresol
• Trinitroanisol
• Trinitroanilin (Pikramid)
• Hexanitrodiphenylamin
• Methylnitrat
• Nitromethan
• Tetranitromethan

Grundsubstanzen für Ersatzsprengstoffe

• Ammoniumnitrat
• Dinitrobenzol (DNB)
• Dinitrotoluol (DNT)
• Dinitroanisol
• Dinitronaphthalin
• Trinitronaphthalin
• Methylammoniumnitrat (MAN-Salz)
• Tetramethylammoniumnitrat (TETRA-Salz)
• Guanidinnitrat
• Acetonperoxid (APEX)
• Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD)

Sauerstoffträger für Mischsprengstoffe

• Ammoniumnitrat (Ammonsalpeter)
• Kaliumnitrat (Kalisalpeter)
• Natriumnitrat (Natronsalpeter)
• Bariumnitrat (Barytsalpeter)
• Calciumnitrat (Kalksalpeter)
• Kalkammonsalpeter (Mischung aus Kalk und Ammonsalpeter)
• Kaliumchlorat
• Natriumchlorat
• Kaliumperchlorat
• Ammoniumperchlorat
• Distickstofftetroxid (in Panclastit)
• flüssige Luft oder Sauerstoff (in Oxyliquit)
• Wasserstoffperoxid

Grundsubstanzen im experimentellen Stadium

• Diaminodinitroethylen (DADE oder FOX-7)
• Trinitroazetidin (TNAZ)
• Octanitrocuban
• poröses Silicium: ein erst 2001 durch Zufall an der TU München entdeckter Sprengstoff mit extrem schneller (100 Milliardstel Sekunden) und heftiger Reaktion. Anwendung für Airbags geplant.^[2][3]

Literatur

• Manuel Baetz: Schwarzpulver für Survival. Improvisation von Schwarzpulver und ähnlichen Mischungen. Survival Press, Radolfzell 2005, ISBN 3937933077.
• Rudolf Biedermann: Die Sprengstoffe – ihre Chemie und Technologie. Reprint 2000 Auflage. Survival Press, Radolfzell 1918, ISBN 3898118398.
• Richard Escales: Die Explosivstoffe. In: Initialexplosivstoffe. Reprint 2002 Auflage. 7. Band, Survival Press, Radolfzell 1917, ISBN 3831139393.
• Jochen Gartz: Vom griechischen Feuer zum Dynamit. Eine Kulturgeschichte der Explosivstoffe. E.S. Mittler & Sohn, Hamburg 2007, ISBN 978-3-8132-0867-2
• Oscar Guttmann: Handbuch der Sprengarbeit. Survival Press, Radolfzell 1899, Reprint 2001, ISBN 3831130957
• Fritz Hahn: Waffen und Geheimwaffen des deutschen Heeres 1933-1945. Bernard & Graefe, 1998, ISBN 3763759158
• R. Knoll: Das Knallquecksilber und ähnliche Sprengstoffe. Survival Press, Radolfzell 1917, Reprint 2001, ISBN 3831128766
• A. Langhans: Sprengstoffe im chemischen Labor – Explosionen die man nicht erwartet. Survival Press, Radolfzell 1930, Reprint 2006, ISBN 978-3-937933-18-4
• S.J. von Romocki: Geschichte der Explosivstoffe. Band 1. Sprengstoffchemie, Sprengtechnik und Torpedowesen. Survival Press, Radolfzell 1895, Reprint 2003, ISBN 3833007028
• S.J. von Romocki: Geschichte der Explosivstoffe. Band 2. Die rauchschwachen Pulver in ihrer Entwicklung bis zur Gegenwart. Survival Press, Radolfzell 1896, Reprint 2004, ISBN 393793300X

Rechtsvorschriften und Normen:

• Deutschland: Sprengstoffgesetz – Bayerisches Landesamt für Arbeitsschutz, Arbeitsmedizin und Sicherheitstechnik
• Österreich: Schieß- und Sprengmittelgesetz – im RIS.BKA als Suchbegriff
• Schweiz: Bundesgesetz über explosionsgefährliche Stoffe (Sprengstoffgesetz) – admin.ch
• Schweiz: Verordnung über explosionsgefährliche Stoffe (Sprengstoffverordnung, SprstV) – admin.ch

Einzelnachweise

1. ↑ Erich Ammedick: Militärchemie. eine Einführung. In: Bausteine der Chemie. 4. Auflage Auflage. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1980, ISBN 978-3342000372.
2. ↑ Der Sprengstoff aus Sand, Jeanne Rubner – Scan des Artikels, Physikabteilung, TU München
3. ↑ Koch, Ernst-Christian ; Clément, Dominik: Special Materials in Pyrotechnics : VI. Silicon - An Old Fuel with New Perspectives. In: Propellants Explosives Pyrotechnics 32 (2007), Nr. 3, S. 205–212 [1]