Was ist eine Explosion?

Explosionen sind zerstörend, vernichtend und tödlich. Explosionen treiben aber auch Motoren an, graben Stollen in Berge, spalten Felsblöcke. Sie sind, wenn sie kontrolliert und beherrscht ausgelöst werden, für unsere Zivilisation unentbehrlich.

Aber was sind Explosionen, wie entstehen sie und woher kommt ihre schreckliche Zerstörungskraft?

Unter einer Explosion versteht man die schlagartig und plötzlich verlaufende chemische Reaktion eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff, unter Freisetzung hoher Energien. Die hohen Energien bewirken eine Temperatur- und/oder eine Druckerhöhung. Am bekanntesten sind die Reaktionen brennbarer Gase, Dämpfe oder Stäube mit Sauerstoff. Diese Prozesse sind abhängig vom Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit Luft und dem Verteilungsgrad des Brennstoffes in der Luft.

Der Verbrennungsvorgang setzt sich nach Entzündung selbstständig mit einer spezifischen Verbrennungsgeschwindigkeit im gesamten, unverbrannten Gemisch fort.

Aus physikalischer Sicht sind Verbrennung und Explosionen exotherme Reaktionen mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten.

In Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase, der entstehenden Druckwelle und dem sich aufbauenden Explosionsdruck unterscheidet man zwischen einer:

• Verpuffung (Ausbreitungsgeschwindigkeit bis wenige m/s, Drucksteigerung bis 1 bar)
• Deflagration (Ausbreitungsgeschwindigkeit bis 330 m/s, Drucksteigerung bis 10 bar Gas; 14 bar Staub) oder
• Detonation (Ausbreitungsgeschwindigkeit bis 3000 m/s, Druckstoßwellen bis über 20 bar).

Grundsätzlich breiten sich Druckwellen von Explosionen mit Geschwindigkeiten unterhalb (Deflagration) der Schallgeschwindigkeit oder mit Geschwindigkeiten oberhalb (Detonation) der Schallgeschwindigkeit von 330 m/s aus.

Hinsichtlich der ihrer Ursachen lassen sich Explosionen in chemische und physikalische Explosionen einteilen. Chemische Explosionen sind unter anderem von den stoffspezifischen Eigenschaften des Brennstoffes, dem Mischungsverhältnis mit Luftsauerstoff, der Temperatur und dem Druck abhängig. Physikalische Explosionen beruhen bspw. auf Temperatur- und Aggregatzustandsunterschieden verschiedener Komponenten und nicht auf chemischen Reaktionen von Brennstoffen mit Sauerstoff.

Für das Entstehen einer Explosion unter atmosphärischen Bedingungen müssen drei Faktoren gleichzeitig vorhanden sein:

• Ein brennbarer Stoff in entsprechender Verteilung und Konzentration wie:
  • entflammbare Gase (bspw. Propan, Acetylen, Erdgas).
  • Nebel oder Dämpfe aus brennbaren Flüssigkeiten (bspw. Aerosole, Diethylether, Benzin).
  • brennbare Stäube, Fasern oder Schwebeteilchen (bspw. Kohlenstaub, Mehl).
• Sauerstoff (Luft) unter atmosphärischen Bedingungen
  • Als atmosphärische Bedingungen gelten Absolutdrücke von 0,8 bis 1,1 bar und Gemischtemperaturen von -20 bis +60°C und eine Sauerstoffkonzentration in der Luft von ca. 21 Vol.%.
• Eine wirksame Zündquelle
  • Ein elektrischer oder thermischer Energieeintrag, der den Verbrennungsvorgang auslöst. Hierzu wird eine Mindestzündenergie benötigt, deren Höhe von den Reaktionspartnern und bestimmten physikalischen Umständen abhängig ist (heiße Oberflächen, Funken, Flammen etc.).

In einem Verbrennungsmotor wirken diese drei Faktoren sinnvoll zusammen: Benzin, Luft/Sauerstoff und Zündfunke, führen im geschlossenen Zylinder zu einer Explosion und treiben so den Motor an. Dazu muss das Mengenverhältnis zwischen Luft und Benzin stimmen. Benzin und Luft bilden eine explosionsfähige Atmosphäre und durch das gleichzeitige Vorhandensein einer Zündquelle kommt es zu einer Explosion.

Fällt einer der drei Faktoren weg, weil bspw. der Benzintank leer, die Zündkerze defekt oder Luftfilterverstopft ist, kommt es nicht zu der gesteuerten nutzbringenden Explosion und der Motor steht still.

Bildlich lässt sich das Zusammenwirken dieser drei Faktoren mit dem sogenannten Zünddreieck darstellen.

Die gezielte Vermeidung des gleichzeitigen Zusammentreffens der drei Faktoren ist das grundlegende Prinzip der Explosionsvermeidung und des Explosionsschutzes. Alle Methoden des Explosionsschutzes basieren auf der Eliminierung mindestens eines dieser Faktoren.