Die Wissenschaft des Feuerwerks | NOVA

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Feuerwerke sind Teil unzähliger Feierlichkeiten auf der ganzen Welt, einschließlich der Feierlichkeiten zum amerikanischen Unabhängigkeitstag, die auf den allerersten Feiertag im Jahr 1777 zurückgehen. Aber wie funktionieren diese glitzernden Darbietungen eigentlich? Es stellt sich heraus, dass hinter den Feuerwerken, die jedes Jahr Menschenmassen im ganzen Land verzaubern, jahrtausendealte Ingenieurskunst und eine sich ständig weiterentwickelnde Wissenschaft stehen.

Der Boom

Die Grundlagen des Feuerwerks sind seit tausend Jahren gleich geblieben, beginnend mit einem Rezept, von dem angenommen wird, dass es von erfunden wurde Chinesische Alchemisten um 800 n. Chr. Das „Schwarzpulver“, das sie sich vorgestellt haben, besteht zu drei Vierteln aus Kaliumnitrat und der Rest aus Holzkohle und Schwefel. Legen Sie das in einen Papierbehälter, und Sie haben den Beginn des Feuerwerks.

Wenn Sie dieses Baby anzünden, schmilzt zuerst der Schwefel, fließt über das Kaliumnitrat und die Holzkohle und entzündet sie. Diese Flamme setzt Gas und Energie frei: eine Explosion. Wenn der Behälter ein gut platziertes Loch hat, entweicht das Gas und schleudert das Feuerwerk in den Himmel, bevor es zusammenbricht.

Bei modernen Luftfeuerwerken wird Schwarzpulver in einem Behälter verpackt, der mit einer Zündschnur verbunden ist. Wenn der Docht gezündet wird, brennt er für eine bestimmte Zeit, damit das Feuerwerk die gewünschte Höhe erreichen kann, zu welcher Zeit es die „Stoßladung“ erreicht. Im Inneren war all dieses schwarze Pulver nach einem bestimmten Muster mit „Sternen“, kleinen Kugeln oder Würfeln aus Metallsalzen, gefüllt. Das explodierende Pulver schießt diese Sterne nach außen und erzeugt komplizierte Kugeln oder Blumen aus schimmerndem Licht mit Namen wie „Palme“, ​​“Weidenbaum“ und „Chrysantheme“. Kompliziertere „Multibreak“-Granaten können sogar in zwei oder drei Phasen platzen, manchmal mit Granaten in Granaten, Zündern, die sich gegenseitig entzünden, oder Sprengstoffen, die jeden Abschnitt in Stücke brechen.

Das ooh und ahh

Seit dem einfachen chinesischen Feuerwerk vor tausend Jahren haben wir einen langen Weg zurückgelegt. Heute können Designer moderner Feuerwerkskörper ihre Shows mit Computerprogrammen in Sekundenbruchteilen choreografieren, manchmal begleitet von Musik. Sie verwenden eine Mischung aus virtueller Modellierung, präzisionsgefertigten Startrampen und mit Computerchips ausgestatteten Schaltkreisen, um das Timing, den Startwinkel und die Höhe jedes Feuerwerks abzubilden und auszuführen, bevor es explodiert.

Außerdem haben Feuerwerkskörper des 21. Jahrhunderts etwas, wovon die ursprünglichen chinesischen Erfinder nur träumen konnten: Farbe. In den Originalversionen, die Kaliumnitrat als Basis des Schwarzpulvers verwendeten, wurden die Elektronen des Schwefels angeregt und sprangen von jedem Atom in eine weiter entfernte Umlaufbahn. Als sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrten, wurde diese zusätzliche Energie als gelbes Licht freigesetzt.

Aber in den 1830er Jahren entdeckten italienische Feuerwerkshersteller, dass die Verwendung von Kaliumchlorat anstelle von Nitrat ein riesiges Reich an funkelnden Möglichkeiten eröffnete. Das neue Material lieferte Sauerstoff schneller an das Pulver und erhöhte die Verbrennungstemperatur um 1.700 bis 2.000 °C. Und diese Temperaturerhöhung bot die Möglichkeit, einen neuen Satz Chemikalien mit höheren Verbrennungstemperaturen hinzuzufügen, die helleres Licht und neue Farben erzeugen könnten.

Insbesondere italienische Erfinder von Feuerwerkskörpern haben damit begonnen, ihren explosiven Kunstwerken Metallsalze hinzuzufügen. Jede dieser ionischen Verbindungen emittiert Licht aus einem anderen Teil des Spektrums, wenn ihre angeregten Elektronen von ihrer äußeren Orbitalumgebung zurück zu ihrer Heimatbasis springen. Strontium und Lithium erzeugen beide tiefe Rottöne; Kalzium blüht orange; Natrium leuchtet gelb; Barium strahlt grün.

Grünere Grüns, sicherere Rottöne und das schwer fassbare Blau

Das ist alles gut, um ein visuelles Meisterwerk zu schaffen, aber die neuen Chemikalien, die zu unseren Oohs und Ahhs beitragen, haben ein paar Nachteile. Strontiumchlorid, das schöne rote Blumen am Nachthimmel erzeugt, kann auch krebserregenden Niederschlag erzeugen. Im Jahr 2015 fanden Forscher auf der Suche nach umweltfreundlicheren chlorfreien Optionen Möglichkeiten in Materialien wie Hexamin, einem Konservierungsmittel, und 5-Amino-1H-tetrazol, einem Airbag-Treibmittel. Chemical & Engineering News berichtet. Dies könnte im militärischen Kontext nützlich sein, da rote Leuchtraketen, die im Training verwendet werden, eine regelmäßige Quelle für schädlichen Niederschlag sein können.

Und 2011 entdeckte ein Team von Pyrotechnik-Experten der US-Armee, dass Borcarbid, „eine Verbindung, die lange als inert galt“, dazu beitragen könnte, die giftigen Chemikalien auf Bariumbasis zu ersetzen, die derzeit bei Bränden verwendet werden. Die Natur berichtet.

Umwelt- und Sicherheitsbedenken sind nicht die einzige Herausforderung für pyrotechnische Künstler. Es bleibt der heilige Gral der Feuerwerke: das perfekte Blau. Blaue Feuerwerke gehörten schon immer zu den am schwierigsten zu entwickelnden. Sie müssen sich vom Nachthimmel abheben, aber ihre charakteristische Farbe wird durch ein Kupfergas erzeugt, das bei sehr hohen Temperaturen brennt. Die Aufgabe des Feuerwerksherstellers besteht darin, der Farbe beim Herauskommen zu helfen, ohne sie zu überhitzen und ein Auswaschen von Blau nach Weiß zu verursachen. Dies macht ein sehr hellblaues Feuerwerk zu einer luftigen Meisterleistung der Chemie, die einen wahren Meister kennzeichnet.

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