Die Wissenschaft des Feuerwerks | NOVA

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Feuerwerke sind Teil unzähliger Feierlichkeiten auf der ganzen Welt – einschließlich der Feierlichkeiten zum Unabhängigkeitstag der Vereinigten Staaten, die auf die allererste Bash im Jahr 1777 zurückgehen. Aber wie funktionieren diese glitzernden Darbietungen eigentlich? Es stellt sich heraus, dass die Feuerwerksshows, die jedes Jahr Menschenmassen im ganzen Land begeistern, von Jahrtausenden der Technik unterstützt werden – und Wissenschaft, die sich ständig weiterentwickelt.

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 ausgedacht haben, besteht zu drei Vierteln aus Kaliumnitrat und der Rest aus Holzkohle und Schwefel. Packen Sie das in einen Papierbehälter und Sie haben den Anfang eines Feuerwerks.

Wenn Sie dieses Baby anzünden, schmilzt zuerst der Schwefel, fließt über das Kaliumnitrat und die Holzkohle und setzt sie in Brand. Diese Flamme setzt Gas und Energie frei: eine Explosion. Befindet sich ein passend platziertes Loch im Behälter, entweicht das Gas und schleudert das Feuerwerk in den Himmel, bevor es auseinander explodiert.

Bei modernen Luftfeuerwerken wird Schwarzpulver in einen Behälter gefüllt, der mit einer Zündschnur verbunden ist. Wenn die Lunte angezündet wird, brennt sie für eine bestimmte Zeit, damit das Feuerwerk eine gewünschte Höhe erreichen kann, an welcher Stelle es die „Berstladung“ erreicht. Im Inneren wurde all das Schwarzpulver mit „Sternen“, kleinen Kugeln oder Würfeln aus Metallsalzen, in einem bestimmten Muster verpackt. Das explodierende Pulver schleudert diese Sterne nach außen und erzeugt komplizierte Kugeln oder Blumen aus funkelndem Licht mit Namen wie „Palme“, „Weide“ und „Chrysantheme“. Kompliziertere „Multibreak“-Granaten können sogar in zwei oder drei Phasen platzen, manchmal auch Granaten-in-Granaten, Lunten, die sich gegenseitig entzünden, oder Sprengstoffe, die jeden Abschnitt in Stücke brechen.

Das ooh und ahh

Wir haben einen langen Weg zurückgelegt von den einfachen chinesischen Feuerwerkskörpern vor tausend Jahren. Heutzutage können moderne Feuerwerksdesigner Computerprogramme verwenden, um ihre Shows – manchmal zusammen mit Musik – auf den Bruchteil einer Sekunde genau zu choreografieren. Sie verwenden eine Mischung aus virtueller Modellierung, präzise konstruierten Starthalterungen und mit Computerchips ausgestatteten Schaltkreisen, um das Timing jedes Feuerwerks, seinen Startwinkel und die Höhe, die es in die Luft segeln sollte, bevor es explodiert, abzubilden und auszuführen.

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 in ein weiter entferntes Orbital von jedem Atom. Wenn sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückfallen, wird 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 von 1.700 auf 2.000 °C. Und diese erhöhte Temperatur bot die Möglichkeit, eine neue Reihe von Chemikalien mit höheren Brenntemperaturen hinzuzufügen, die helleres Licht erzeugen könnten – und neue Farben.

Genauer gesagt begannen italienische Erfinder von Feuerwerkskörpern, 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 zur Heimatbasis abprallen. Strontium und Lithium ergeben beide tiefe Rottöne; Kalzium blüht orange; Natrium glitzert gelb; Barium strahlt grün.

Grünere Grüns, sicherere Rottöne und das schwer fassbare Blau

All das ist gut, um ein visuelles Meisterwerk zu schaffen – aber die neuen Chemikalien, die zu unseren Oohs und Ahhs beitragen, haben einige Nachteile. Das Strontiumchlorid, das schöne rote Blüten 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 hilfreich sein, da rote Leuchtraketen, die im Training verwendet werden, eine regelmäßige Quelle für schädlichen Niederschlag sein können.

Und im Jahr 2011 fand ein Pyrotechnik-Expertenteam der US-Armee heraus, dass Borcarbid, „eine Verbindung, die lange als inert abgetan wurde“, dazu beitragen könnte, die giftigen Chemikalien auf Bariumbasis zu ersetzen, die derzeit in grünen Feuerwerkskörpern verwendet werden. Die Natur berichtet.

Umwelt- und Sicherheitsbedenken sind nicht die einzige Herausforderung für pyrotechnische Künstler. Es gibt immer noch den heiligen Gral des Feuerwerks: das perfekte Blau. Blaue Feuerwerke gehörten schon immer zu den am schwierigsten zu entwickelnden. Sie müssen sich vom dunklen Nachthimmel abheben, aber ihre charakteristische Farbe wird durch ein Kupfergas erzeugt, das bei sehr hoher Temperatur brennt. Die Aufgabe des Feuerwerksherstellers besteht darin, der Farbe beim Herauskommen zu helfen, ohne sie zu überhitzen und die Farbe auszuwaschen und von Blau zu Weiß zu wechseln. Das macht ein wirklich lebendiges blaues Feuerwerk zu einer luftigen Meisterleistung der Chemie, die einen wahren Meister kennzeichnet.

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