Hallo, hier spricht Scott Manley. Am 28. Mai stand die New Glenn-Rakete von Blue Origin vollgetankt mit Methan und flüssigem Sauerstoff auf der Startrampe und führte einen statischen Triebwerkstest durch. Fast unmittelbar nach Beginn ging etwas katastrophal schief. Das gesamte Fahrzeug verschwand in einem riesigen, hellorangefarbenen, mehrlappigen Feuerball, der den Himmel über Florida erleuchtete. Eine gewaltige Druckwelle rollte heran, ließ Häuser erzittern, Fensterscheiben zersplittern und einer der Blitztürme stürzte ein. Die Matte wurde stark beschädigt , aber zum Glück wurde niemand verletzt, da alle die Sicherheitsregeln des Schießstandes befolgten. Bereits zu Beginn der Analyse haben wir grob geschätzt, dass diese Explosion wahrscheinlich einer Sprengkraft von etwa einer Kilotonne TNT entspricht. Das war nicht besonders wissenschaftlich. Wir wussten, dass die Brennstoffladung wahrscheinlich einen Energiegehalt von mehr als 3 Kilotonnen hatte, aber die tatsächliche Explosionsphysik entspricht nicht wirklich der Detonation von 3.000 Tonnen TNT. Es war viel entspannter, wenn man das glauben mag. Ich habe sogar Vergleichsvideos erstellt, in denen die Explosion im Verhältnis zu einer 200-Tonnen- und einer 2-Kilotonnen-Atomtestexplosion gezeigt wird . Wenn wir über die Energie eines solchen Ereignisses sprechen, ist das eine Kurzform, um uns eine Vorstellung von der Größenordnung der beteiligten Energien zu geben, aber die genauen Mechanismen und Auswirkungen ändern sich je nachdem, ob es sich um eine schnell brennende Masse aus Raketentreibstoff, hochexplosiven Stoffen oder einer nuklearen Waffe handelt. Die Zahl gibt an, wie viel chemische, nukleare oder kinetische Energie freigesetzt wird, aber sie sagt nichts darüber aus, wie diese Energie in die Druckwelle, Hitze, Licht, Strahlung oder umherfliegende Trümmer umgewandelt wird. Und genau darüber möchte ich heute sprechen. Also, ja, wir hören die entsprechende Menge an TNT- Äquivalent in Kilotonne, richtig? Die in TNT enthaltene chemische Energie beträgt etwa 4,184 Megajoule pro Kilogramm, was übrigens auch 1.000 kcal oder etwa der Hälfte der empfohlenen täglichen Kalorienzufuhr für einen Erwachsenen entspricht. Ich bin buchstäblich fassungslos angesichts der Tatsache, dass 1 g TNT die gleiche Energiemenge wie eine Kalorie aus der Nahrung besitzt . Übrigens: Sprengstoffe sollte man nicht essen . Also, eine Tonne TNT entspricht ungefähr 4,2 Gigajoule, und eine Kilotonne entspricht 4,2 Terajoule. Bei den meisten Explosionen wird der Schaden durch die Druckwelle verursacht, den Überdruck, der auf Bauwerke wirkt und diese je nach Art der Druckerzeugung und Geschwindigkeit ihres Anstiegs und Abfalls zerquetscht oder sogar zerschmettert. Die Wirkungsfläche einer Stoßwelle folgt einer Kubikwurzel-Skalierung. Es handelt sich um einen Lautstärkeeffekt. Um den Wirkungsradius bei gleichem Druck zu verdoppeln, benötigt man die achtfache Sprengkraft einer Bombe. Das setzt jedoch voraus, dass es sich um dasselbe Ereignis handelt. Ändert man die Explosionsquelle, den Wirkungsbereich und die Art der Explosion, ändern sich auch die Auswirkungen. Eine chemische Sprengbombe mit einer Sprengkraft von 1 Kilotonne , eine nukleare Luftdetonation mit einer Sprengkraft von 1 Kilotonne, eine Raketentreibstoffexplosion mit einer Sprengkraft von 1 Kilotonne und, Sie wissen schon, eine Luftdetonation mit einer Sprengkraft von einem Asteroiden wie Tscheljabinsk oder so könnten oder werden völlig unterschiedliche Schadensmuster erzeugen. Dies liegt daran, dass die zugrunde liegenden Mechanismen grundlegend verschieden sind. Unabhängig von der Quelle erzeugt eine plötzlich in der Luft auftretende große Energiemenge ein kleines, extrem heißes Hochdruckgebiet. Diese Region dehnt sich heftig aus und treibt eine Stoßfront nach außen, einen nahezu sprunghaften Anstieg von Druck, Dichte, Temperatur und Luftgeschwindigkeit. Sie verändern sich alle gleichzeitig. Vor uns ist normale Luft, direkt dahinter die Druckwelle. Die Stoßwelle kann nun auf verschiedene Arten quantifiziert werden. Zunächst einmal gibt es den maximalen statischen Überdruck oder Delta P. Das ist der maximale zusätzliche Druck über dem normalen Atmosphärendruck. Erhöht man den Druck um 20 %, gehen Fenster zu Bruch, erhöht man ihn um 30 %, stürzen Häuser ein und Trommelfelle platzen. Bei einem raschen Anstieg des Luftdrucks um zwei bis drei Atmosphären kommt es zu ernsthaften Lungenschäden. Sehr hohe Erhöhungen führen zu Zerdrücken und Zersplittern. Hinzu kommt der dynamische Druck, der Winddruck der schnell strömenden Luft hinter dem Stoß. Das ist oft das, was Menschen aus der Bahn wirft, Autos umkippt und Bäume umknickt. Dann verspürt man den Impuls. Das ist der totale Schub, richtig? Die Fläche unter der Druck-Zeit-Kurve. Dies ist im Grunde der integrierte Druck während der positiven Phase. Ein kurzer, spitzer Stoß kann Fenster zersplittern, während ein längerer, flacherer Stoß das ganze Gebäude zum Einsturz bringen kann. Und dann gibt es noch die Dauer der positiven Phase , also wie lange der Überdruck anhält. Kurz für kleine chemische Ladungen, die in der Größenordnung von Millisekunden liegen, wohingegen dies bei großen Feuerbällen oder verteilten Quellen länger dauern wird. Eine längere Einwirkungsdauer bedeutet in der Regel einen effektiveren Impuls als bei gleichem Spitzendruck. Selbst wenn eine Stoßwelle die gleiche Energiemenge enthält, können ihre Form und damit auch ihre Auswirkungen variieren. Und die Auswirkungen der Druckwelle können beispielsweise auch davon abhängen, wo die Explosion relativ zur Oberfläche stattfindet. Insbesondere bei nuklearen Luftdetonationen wird die auf die Oberfläche treffende Druckwelle von anderen Teilen der Stoßwelle reflektiert und interagiert mit diesen. Dabei entsteht ein sogenannter Mach-Stamm an der Stelle dieser Wechselwirkung. Und genau dort ist die Explosion doppelt so stark. Nun gut, lasst uns die Mechanismen besprechen, die all diesen Explosionen zugrunde liegen. In einer klassischen Bombe hat man einen Block energiereicher Chemikalien, die nur darauf warten, miteinander zu reagieren. Üblicherweise ein sorgfältig konstruiertes Molekül, das zerfällt und dabei Energie und heißes Gas freisetzt. Um die Reaktion in Gang zu bringen, muss man ihr genügend Energie zuführen. Früher hatte man einfach eine Zündschnur, die man an einem Ende anzündete, und die dann abbrannte, bis sie den Sprengstoff berührte, und dann entzündete sich das Feuer rasend schnell und verursachte eine Explosion. Moderne, sichere Sprengstoffe benötigen jedoch einen stärkeren Impuls von einem Zünder, der eine Mini- Schockwelle erzeugt – und genau das ist es, was sie antreibt. In beiden Fällen beginnt die Explosion an einem Punkt und breitet sich von dort aus nach außen aus. Die an einer Stelle freigesetzte Energie reicht aus, um die Reaktion im benachbarten Material anzutreiben. Das bedeutet, dass man sich die Reaktion in dem Sprengstoff schnell vorstellen kann, wobei das nicht umgesetzte Material vor ihm abläuft und das heiße Gas dahinter entsteht . Und die Geschwindigkeit, mit der sich diese Reaktionsfront bewegt, ist wichtig. Bei herkömmlichem Schwarzpulver brennt es lediglich schnell, aber bei hochexplosiven Stoffen wie TNT überschreitet die Reaktionsfront die Schallgeschwindigkeit im Sprengstoff, und diese Überschallexplosion wird als Detonation bezeichnet. Die Chemikalien zersetzen sich also und erzeugen heißes Gas, Stickstoff, Wasserdampf und CO2, was lokal zu einem Druckanstieg führt. Diese heißen Gase dehnen sich aus und erzeugen eine Druckwelle, die den Schaden verursacht. Bei hochexplosiven Stoffen gibt es eine Maßnahme, die manchmal als Brisanz bezeichnet wird. Es ist die Fähigkeit eines Sprengstoffs, Material zu zerschmettern oder zu zerquetschen, Gestein, Beton oder Stahl in kleine Fragmente zu zerbrechen, anstatt sie nur zu schieben oder zu heben. Das Wort stammt vom französischen Wort briser ab, was so viel wie brechen oder zersplittern bedeutet, und fand im 19. Jahrhundert Eingang in den technischen Sprachgebrauch, als Chemiker und Militäringenieure eine Möglichkeit benötigten, die lokalen zerstörerischen Eigenschaften von Explosionen zu beschreiben, die über die reine Gesamtenergie oder die Menge an Gestein, die sie bewegen konnten, hinausgingen. Brisanz ist also nicht dasselbe wie die gesamte Explosionskraft. Ein Sprengstoff kann zwar viel Energie freisetzen, aber er kann trotzdem eine relativ geringe Brisanz aufweisen, wenn sich der Druck langsam aufbaut. Ein Hochdruck- oder Brisanzereignis hingegen bedeutet einen extrem schnellen Druckanstieg, der Dinge zerstören kann. Ja, hochbrisante Sprengstoffe sind echte Sprengstoffe. Sie weisen sehr hohe Detonationsgeschwindigkeiten auf. Zum Beispiel 7 bis 9 km/s, ein extrem hoher Detonationsdruck. Sie sprechen also von Sprengstoffen wie RDX, HMX, Composition B und in geringerem Maße auch TNT. Sie erzeugen einen abrupten Druckanstieg mit Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich. Und genau das braucht man für Dinge wie Hohlladungen, panzerbrechende Sprengköpfe und Splittermunition. Bei Sprengstoffen mit niedriger Brisanz ist die Detonationsgeschwindigkeit geringer. Es bedeutet eher ein Drücken und eine stärkere Hebewirkung. Beispiele hierfür sind, nun ja, die klassischen Schwarzpulver altmodischer Art und auch Dinge wie Ammoniumnitrat. Diese zerkleinern die Steine ​​eher in größere Stücke und bewegen sie, anstatt sie zu pulverisieren, was bei vielen Arbeitsvorgängen tatsächlich erwünscht ist . Kommen wir nun zu etwas, das eigentlich nicht explodieren soll: der Rakete. Okay, wenn eine Rakete auf der Startrampe explodiert, befindet sich der Treibstoff in einem Tank und das Oxidationsmittel in einem anderen. Idealerweise werden diese beiden Komponenten getrennt gehalten, bis sie die Triebwerke erreichen. Das funktioniert natürlich nicht mehr, wenn die Rakete ausfällt. Das bedeutet aber, dass sich keine einfache Verbrennungsfront durch das Treibstoffgemisch ausbreitet. Obwohl in dieser Rakete viel Energie steckt, kann diese nicht freigesetzt werden, ohne dass die Treibstoffe vermischt werden, und das verlangsamt die Explosion erheblich. Bei einem solchen Ereignis kann die Energie der Explosion dazu beitragen, die Treibstoffe zu vermischen und ihre Verbrennung aufrechtzuerhalten, oder sie kann den Treibstoff in die Luft zerstreuen, wo er dann mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre in dem großen Feuerball verbrennt. Dies kann die Menge des verfügbaren Sauerstoffs sogar übersteigen, und es kann einige Zeit dauern, bis sich Brennstoff und Luft vermischen. Das Ergebnis ist ein langsamer, heißer Feuerball, der wie eine Pilzwolke aufsteigen und dabei noch brennen kann, wodurch Energie vom Epizentrum abgeführt wird. Oder in Fällen wie der Explosion einer Falcon 9 auf Amos 6 gelangte ein Großteil des Treibstoffs in den Flammengraben und brannte dort lange Zeit weiter. Und obwohl es sich dabei nicht um explosive Energie handelt, verursachte das anhaltende Feuer viele weitere Schäden. Wo wir gerade schon von der Vermischung von Treibstoff mit Luft und der Verbrennung sprechen: Es ist tatsächlich möglich, eine Spezialbombe zu bauen, die atmosphärischen Sauerstoff mit Treibstoff verwendet. Man spricht hierbei von einem Brennstoff-Luft- Explosivstoff. Dieser besteht zu einem großen Teil aus brennbarem Material, das sich mit der Luft zu einer Wolke vermischt und dann entzündet wird. So kannst du noch mehr Wumms in deine Bombe packen, Baby. Die Detonationssequenz ist jedoch eine sorgfältig orchestrierte Abfolge von Ereignissen, die sicherstellt, dass der Kraftstoff vor der Zündung im richtigen Mischungsverhältnis vermischt wird . Das kann in Einzelfällen durch reines Pech vorkommen , ist aber im Allgemeinen nicht der Fall. Das ist zum Beispiel schon in Getreidemühlen passiert, wo eine Mehlwolke in der Luft durch einen Funken oder Ähnliches entzündet wird und dadurch eine heftige Explosion entsteht. Es ist auch möglich, dass dies während des Fehlschlags der Starship mit der Seriennummer vier geschah, bei dem der Treibstoff für einige Zeit austrat, bevor eine Zündquelle gefunden wurde und wir eine sehr deutliche Schockwelle davonlaufen sahen. Entscheidend ist also zu verstehen, dass der Druck umso stärker ansteigt, je schneller die Dinge geschehen. Und je schneller der Druck ansteigt, desto größer ist wahrscheinlich der durch die Explosion verursachte Schaden . Stellen Sie sich eine frei stehende Mauer vor, nicht wahr? Wenn der Druck langsam ansteigt, strömt die Luft einfach nach hinten und gleicht so den von vorne kommenden Druck aus. Doch ein rascher Anstieg des Drucks wird dies auslösen. Stellen Sie sich nun ein Gebäude vor, das vollständig umschlossen ist. Wie die Türen geschlossen sind, so sind auch die Fenster geschlossen. Es ist viel schwieriger für die Luft, ein- und auszuströmen. Und selbst ein langsamer Druckanstieg kann zu einem Druckunterschied zwischen Innen und Außen führen, der zuerst Fenster zerbrechen oder Türen aufsprengen könnte. Auch ein langsamer Anstieg des Drucks bis zu einem hohen Spitzendruck kann also je nach Form, Geometrie und Abdichtung der Bauwerke Schäden verursachen. Ein weiterer wichtiger Effekt ist, dass Explosionen Schäden verursachen können, indem sie Splitter beschleunigen, und dass diese auch Dinge beschädigen können, die eigentlich widerstandsfähig gegen die Druckwelle sind. Ein dünnes Tragseil bietet beispielsweise nur einen sehr geringen Querschnitt für Druck und Druckwelle, könnte aber leicht durch ein Stück eines Treibstofftanks durchtrennt werden, das von einer auseinanderbrechenden Rakete weggeschleudert wird. Wenn man sich die Folgen der Explosion von Blue Origin ansieht, fällt auf, dass eines der senkrechten Beine des noch stehenden Turms verbogen und abgebrochen ist, die übrigen in der Nähe jedoch relativ gerade sind. Und das ist wahrscheinlich die Folge davon, dass ein Splitter dieses eine Bein getroffen hat, die anderen aber nicht. Dinge, die der Druckwelle standhalten könnten, könnten also dennoch durch von der Druckwelle herumgeschleuderte Gegenstände beschädigt werden . Nun gut , schauen wir uns mal die thermischen Effekte an, denn diese riesigen Feuerbälle sind das, was die Leute sich unter Explosionen vorstellen – dank Filmen, weil Filme Explosionen spektakulär und nicht realistisch darstellen wollen . Eine hochexplosive Explosion ist im Allgemeinen heißer als eine Brennstoff-Luft-Deflagration, aber die höheren Drücke und Expansionsgeschwindigkeiten führen zu einer raschen Abkühlung. Trotz der enormen Hitzeentwicklung bei der Detonation eignen sich Sprengstoffe nicht gut zum Entzünden von Bränden. Tatsächlich ist es eine gängige Methode zur Bekämpfung von Ölquellenbränden, hochexplosive Mittel einzusetzen, um die Flamme zu löschen und ihr mit den inerten Verbrennungsprodukten den Sauerstoff zu entziehen. Eine explodierende Rakete kann einen großen, langsamen Feuerball erzeugen, der weitere Sekundärbrände auslöst. Aber wie sieht es nun mit Atomexplosionen aus? Das sind völlig unterschiedliche Dinge, und genau dort haben wir zum ersten Mal von dem Konzept der gleichwertigen Ausbeute gehört. Eine nukleare Explosion beginnt mit einer Reaktion im spaltbaren Material im Kern eines komprimierten Spaltkerns. Und das in einer Region, die vielleicht so groß ist wie eine Weintraube. Und diese Reaktion beschleunigt sich von null auf ihren Höhepunkt und klingt in weniger als einer Mikrosekunde ab. Die Energie wird in Form von Gammastrahlen, Neutronen und Alphateilchen freigesetzt. Sicher, ein Teil dieser hochenergetischen Strahlung entweicht einfach aus der Grube, dringt durch die Hülle in die Atmosphäre ein, aber der größte Teil dieser Alphateilchen erhitzt die Grube und wandelt sie in ein hochenergetisches heißes Plasma um. So heiß, dass es Röntgenstrahlen abstrahlt, die die Wärmeenergie nach außen abgeben. Das gesamte Gerät samt Gehäuse verwandelt sich in eine Kugel aus extrem heißem Plasma. Und das leuchtet hell auf den Röntgenbildern. Dadurch wird die Luft um die Bombe herum ionisiert, wodurch ein Feuerball entsteht, der sich ausdehnt, angetrieben von dieser Schwarzkörperstrahlung, die die Luft weiter ionisiert. Doch schnell kommt es zu einem Stopp der strahlungsbedingten Expansion, und was übrig bleibt, ist ein heißer Feuerball, der dann in eine hydrodynamische Expansion mit den durch die hohen Temperaturen erzeugten hohen Drücken übergeht. Entscheidend ist hierbei zu verstehen, dass etwa ein Drittel der Energie einer Atombombe in Form von Wärmestrahlung freigesetzt wird. Etwa die Hälfte davon tritt als Druckwelle aus, der Rest ist Strahlung in irgendeiner Form, entweder unmittelbar oder als radioaktiver Niederschlag. Wenn man also die Druckwelle misst, ist die Explosion einer 20-Kilotonnen-Atomwaffe weniger stark als 20 Kilotonnen echtes TNT. Nicht, dass wir jemals eine solche Menge Sprengstoff in einem einzigen großen Haufen gehabt hätten. Die USA haben jedoch Experimente mit großen konventionellen Explosionen auf einem Testgelände durchgeführt. Die kleinste Tonleiter war die größte. Sie bauten eine 4.300 Tonnen schwere ANFO-Bombe. Das ist die Abkürzung für Ammoniumnitrat-Heizöl und ein gängiges Rezept zur Herstellung von Autobomben. Ammoniumnitrat ist ein gebräuchlicher Düngemittel und kann durch einen ausreichend starken Stoß von selbst zur Detonation gebracht werden. Die Zugabe von etwa 6 % Öl trägt dazu bei, die chemische Zusammensetzung auszugleichen und die Energiedichte zu erhöhen . Die Explosion in Beirut war auf ein Lagerhaus voller Ammoniumnitrat zurückzuführen, das lange Zeit brannte, bevor das Feuer schließlich von einem langsamen Brennen in eine hochenergetische Detonation überging. Ein normaler kleiner Zünder ist tatsächlich zu schwach, um die ANFO-Flasche zur Detonation zu bringen. Du brauchst eigentlich einen größeren Tritt. Typischerweise verwendet man einen Zünder, der eine Explosion in einem Block aus hochexplosivem Stoff auslöst , und das reicht dann aus, um die Detonation des ANFO zu starten. Das alles habe ich übrigens gelernt, als ich in Nordirland lebte. Indem man sich in Kneipen mit Leuten unterhält, natürlich, oder? Also, ja, bei dem Test im kleinen Maßstab wurde eine große Stahlkuppel für den Test gebaut, die dann gesprengt wurde, richtig? Das Filmmaterial ist absolut atemberaubend. Das entspricht etwa 4 Kilotonnen TNT. Aber denken Sie daran, die Druckwelle hat nur die halbe Energie, und die anderen Effekte können durchaus von Bedeutung sein. Bei kleinen Atomwaffen ist die ionisierende Strahlung für den Menschen tatsächlich der wichtigste Effekt, richtig? Ein Mensch kann so weit entfernt sein, dass er von der Druckwelle nicht betroffen ist, aber er kann trotzdem eine tödliche Dosis Strahlung abbekommen. Ein extremes Beispiel dafür ist der Davy-Crockett-Sprengkopf, nicht wahr? Die nukleare Bazooka. Der Ertrag lag bei vielleicht 10 oder 20 Tonnen, und ich meine nicht Kilotonnen, sondern Tonnen. Es war für den Einsatz gegen große Panzerverbände konzipiert und wäre innerhalb einer Reichweite von etwa einer Viertelmeile tödlich , fast ausschließlich aufgrund der Strahlung, die die Panzerbesatzungen töten würde . Am anderen Ende des Spektrums, bei den großen Sprengkörpern, steht die Zar-Bombe. In diesem Fall ist die Wärmestrahlung der dominierende Effekt. Es wird Brände auslösen, die weit über den Punkt hinausreichen, an dem die Druckwelle zerstörerisch wirkt. Dieser Übergang in der Todesursache ist darauf zurückzuführen, dass die Strahlung extrem tödlich ist. Ich meine, denken Sie nur an die Vorfälle mit den Dämonenkernen, bei denen eine winzige nukleare Reaktion einen Wissenschaftler tötete, ohne dass es zu einer Druckwelle oder Hitzeentwicklung kam. Die Strahlung wird jedoch von der Luft abgeschirmt, sodass sie schneller abklingt. Ähnlich verhält es sich mit der Druckwelle: Sie verliert zwar Energie an die Luft, breitet sich aber viel weiter aus. Aber die Stoßwelle folgt natürlich dem inversen Kubikgesetz für ihren Abfall, richtig? Die Wärmestrahlung hingegen folgt dem Abstandsgesetz. Es verblasst also weniger schnell. In der Atmosphäre kommt es aufgrund von Wolken und anderen Faktoren zu einer gewissen Dämpfung, sodass es sich nicht perfekt um ein umgekehrtes Quadratgesetz handelt, aber die Energie nimmt dennoch langsam genug ab, dass bei den großen Bomben die thermischen Effekte die wichtigste Rolle spielen. Und darüber hinaus gibt es natürlich noch weitere Effekte. Das Wichtigste hierbei ist, dass es keine einfache lineare Beziehung zwischen der TNT- Äquivalentmenge und der verursachten Zerstörung gibt. Explosionen sind also kompliziert, und obwohl wir die freigesetzte Energie messen können , ist dies nur eine grobe Abschätzung der Auswirkungen. Das Gleiche gilt auch für Asteroideneinschläge. Aber nun ja, ich denke, an diesem Punkt ist das Video schon lang genug . Ich bin Scott Manley. Guten Flug! [Musik] [Musik]