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Physik des Feuerwerks

Was wäre ein Feuerwerk ohne die prachtvollen Farben, die den Nachthimmel in ein wahrliches Farbenmeer verwandeln oder den schrill pfeifenden Aufstieg einer Rakete, das Blinken eines Sternes oder lediglich der Knall bei der Zündung eines Knallers? Ohne die Physik ist die Pyrotechnik nicht vorstellbar. Die wichtigsten physikalischen Reaktionen sind auf dieser Seite erklärt.

Leuchten

Wie entstehen nun die Farbeffekte? Eigentlich ist dies recht einfach zu beantworten, und hängt mit Gesetzen zusammen, die vieleicht dem einen oder anderem noch aus seiner Schulzeit bekannt sind. Und wenn nicht, dann kann man ja einmal versuchen etwas normales Kochsalz in eine nichtleuchtende Gasflamme (Gasherd, Gaslötgerät) fallen zu lassen. Dabei wird man schnell feststellen, dass sich diese intensiv gelb verfärbt. Die Reaktion die dabei stattfindet ist ganz typisch für Natriumsalz und letztendlich genauso auf die Pyrotechnik übertragbar. Die Farbe eines Leuchtsatzes in der er abbrennt, hängt von der Wellenlänge des emittierten Lichtes ab. Für uns Menschen ist dabei nur ein sehr geringes Spektrum von 380nm (violett) bis 780nm (rot) von Interesse. So hat zum Beispiel das gelbe Licht, welches man beim Natrium wahrnehmen kann, eine Wellenlänge von ca. 590nm, ein rotes Licht 605 bis 682nm (in der Pyrotechnik meist Strontiumsalze), ein grünes Licht, welches zumeist durch Bariumsalze erzeugt wird, 490 bis 560nm und das blaue Licht, meist von Kupfersalzen erzeugt, eine Wellenlänge von 435 bis 440nm. Für das Leuchten von diesen Salzen reicht die Energie, die beim Abbrennen freigesetzt wird aus, um die Elektronen eines Orbitals in ein höher liegendes zu befördern. Im nächsten Moment, in dem das Elektron dann wieder zurückfällt, wird die Energie die ihm zuvor zugeführt wurde unter anderem in Form von Lichtenergie wieder abgegeben. Und diese Reaktion ist es auch schon, die für die meisten so phantastischen Farben verantwortlich ist. Es gibt natürlich auch noch andere Reaktionen die in der Pyrotechnik eine Rolle spielen. So sind die meisten hell und stark leuchtenden Farben Reaktionen, bei denen Metalle wie Magnesium, Aluminium, Titan, Legierungen und andere bei mehreren tausend Grad Celsius verbrannt werden. Goldene Funken, die man zum Beispiel in Palmen findet, werden meist von Holzkohle oder Eisen erzeugt. Beim Abbrand verglühen diese lediglich bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von etwa 1.500 Grad Celsius. Eine letzte, sehr wichtige Eigenschaft findet man beim PVC (Polyvinylchlorid). Ist dieses als Reaktionspartner beteiligt, so können sich die Metallsalze zu sehr viel intensiver leuchtenden Metallchloriden verbinden und damit die Brillanz der Farben steigern.

Pfeifen

Die Physik des Feuerwerks. anhand eines Schematas zur Wirkweise eines Pfeifsatzes (Heuler).

Das Pfeifen beim Aufstieg von (manchen) Raketen, zünden von Luftheulern oder ähnlichem ist ebenfalls eine Reaktion die recht interessant ist. Wer den Abbrand eines Pfeifsatzes einmal beobachtet wird zunächst meinen, es handle sich hier um einen kontinuierlichen Abbrand. In Wirklichkeit ist es aber so, dass es circa 3.000 bis 4.000 kleiner Explosionen sind, die in einer einzigen Sekunde stattfinden. Dabei wird die darüber befindliche Luftsäule in Schwingungen versetzt. Ein Pfeifton etwa lässt sich bei einer Frequenz von 3.500Hz wahrnehmen, das heißt, es finden ca. 3.500 aufeinanderfolgende Explosionen statt. Wie dies nun im einzelnen abläuft, sei anhand der Grafik erklärt: Im ersten Schritt findet eine Explosion statt, welche die darüber befindliche Luft in eine Resonanz versetzt. Gleichzeitig bildet sich an der Oberfläche des Pfeifsatzes ein sehr reaktiver Zustand aus. Durch die Explosion entsteht in der Hülse ein Unterdruck - es kommt zum Einströmen von Luft (Grafik 2), die beim Auftreffen auf die Satzoberfläche des Pfeifsatzes eine erneute Explosion in Gang setzt - das Ganze, abhängig von verschiedenen Parametern wie Hülsenlänge, Satzdichte und Hülsendurchmesser, mehrere tausend Male pro Sekunde.

Blinken

Das Blinken, ein weiterer sehr schöner Effekt den man im Feuerwerk sehr häufig beobachten kann. Auch dieser Effekt lässt sich sehr gut an einer Grafik veranschaulichen: Im 1. Schritt findet die Zündung des Satzes statt. Anschließend folgt im 2. Schritt die sogenannte Dunkelphase, in der sich ein sehr reaktives Gemisch bildet und im 3. Schritt folgt letztendlich die heftige Reaktion des Satzes unter starkem Aufleuchten. Dabei wiederholen sich die Schritte 2 und 3 bis der Satz verbraucht ist.

Knallen

Das Knallen, ein traditioneller wie auch simpler Effekt. Beim Silvesterknaller, der in Deutschland lediglich mit maximal 6g Schwarzpulver gefüllt ist wird der Knall ebenso wie bei anderen Knallern, die zum Beispiel beim Großfeuerwerk, Knallsätze (Salut) enthalten, durch den plötzlichen Druckanstieg und einer sich daraus resultierenden Schallwelle erzeugt.

Rauch

Rauchsätze werden hauptsächlich im technischem Feuerwerk für Notsignale, Sichtbarmachen von Luftströmungen, zur Tarnung und anderen Zwecken verwendet. Im Feuerwerk werden Rauchsätze meist in Tagesfeuerwerken verwendet, nicht nur als farbige Rauchfront am Boden sondern auch in Bomben als Höheneffekt. Diese Bomben bezeichnet man dann als sogenannte Tagesbomben, bei denen keine Leuchtsterne, sondern kleine farbige Rauchkörper zum Einsatz kommen.

Rauch kann auf zwei verschiedenen Wegen erzeugt werden. Zum einen können stark hygroskopische Stoffe in der Luft verdampft werden. Einmal in der Luft verteilt, ziehen diese Stoffe dann den Wasserdampf aus der Luft an und bilden aus feinsten Tröpfchen einen Nebel. Die zweite, wesentlich populärere Variante, ist die Sublimation eines Farbstoffes. Auf diese Art ist es auch möglich farbigen Rauch zu erhalten. Dazu werden die Farbstoffe mit bis zu 50% in einen relativ kalt (die Farbstoffe dürfen sich nicht an der Reaktion beteiligen, also verbrennen, sondern nur sublimieren) abbrennenden Satz "eingebettet".

Es gibt natürlich auch noch weitere Varianten um Rauch zu erzeugen, doch sind das keine pyrotechnischen Reaktionen.