Pirotechnika to nie tylko efektowne fajerwerki

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Pojęcie pirotechniki jest bardzo szerokie. Patrząc od strony naukowej, to bardzo ciekawy dział wiedzy, obejmujący zarówno chemię i fizykę, jak też (często całkiem zaawansowaną) technikę. A wszystko zaczęło się oczywiście w Chinach, gdzie na samym początku prażono bambusy, co dawało ciekawy efekt hukowy (odstraszający demony!). Na prawdziwe materiały pirotechniczne trzeba było poczekać aż do IX w., kiedy to Chińczycy wymyślili czarny proch, który był w zasadzie jedynym materiałem miotającym przez kolejny tysiąc lat.

Warto tutaj wskazać na dość istotną różnicę pomiędzy klasycznymi materiałami wybuchowymi a pirotechnicznymi. W przypadku tych pierwszych dochodzi do detonacji – eksplozja rozprzestrzenia się z prędkością naddźwiękową, co oznacza dużą jej moc. Jeśli rozkład materiału zachodzi znacznie wolniej (poniżej 1 km/s), mamy do czynienia z deflagracją.

Fajerwerki

Jednym z najpopularniejszych zastosowań pirotechniki do celów rozrywkowych są sztuczne ognie, nazywane z niemiecka fajerwerkami. Ich budowa niespecjalnie zmieniła się od stuleci. Można powiedzieć, że typowy fajerwerk to rakietka na paliwo stałe połączona z materiałami, które powodują efekty barwne i dźwiękowe. Jako środek napędowy wewnątrz klasycznego fajerwerku znajdziemy mieszaninę zbliżoną do prochu czarnego. Mamy tam więc ok. 15% węgla drzewnego i 10% siarki. Resztę (tak naprawdę większość) stanowi utleniacz, zwykle azotan potasu. Podstawową reakcją chemiczną, inicjującą to, co potem obserwujemy na niebie, jest proces utleniania, który dotyczy węgla i siarki. A produktami spalania są głównie dwutlenek węgla i dwutlenek siarki. Odpalenie fajerwerku jest najczęściej inicjowane za pomocą specjalnego lontu; dziś profesjonaliści używają do tego celu bezpieczniejszych zapalników elektrycznych. Wystrzelenie ładunku w powietrze to dopiero początek, najważniejsze dzieje się później, ale też jest silnie związane z reakcją utleniania. Tu warto dodać, że wznoszenie się fajerwerku w powietrze to prosty efekt fizyczny, opisywanym przez Newtona. Gazy powstające w korpusie rakiety wydostają się w dół, co (zgodnie z III zasadą dynamiki) powoduje ruch rakietki w górę.

Górna część ładunku fajerwerku ma w składzie najczęściej pierwiastki metaliczne (żelazo, magnez, glin), sole metali i oczywiście też utleniacz (zwykle jakiś azotan, czasem chloran). Całość zostaje związana z udziałem dekstryny albo skrobi. W zależności od tego, jaki kolor chcemy uzyskać, stosujemy odpowiednie sole metali. Jeśli będzie to miedź (Cu), otrzymamy barwy niebieskie albo zielonkawe. Głęboki kolor zielony to zasługa baru (Ba), natomiast pomarańczowy daje nam wapń (Ca). Piękny odcień czerwonego zawdzięczamy strontowi (Sr), a jeśli widzimy kolor żółty, to z całą pewnością jest tam sól sodu (Na). Silne białe światło pochodzi przede wszystkim od spalanego gwałtownie metalu, najczęściej magnezu (Mg), ale też glinu (Al).

Skąd się biorą te barwy? Tu odpowiedź daje znowu fizyka. Energia wyzwalana w trakcie spalania w dużym stopniu jest rozpraszana, ale część trafia bezpośrednio do wnętrza atomów. Efektem jest wzbudzenie elektronów. Wzbudzony atom jest nietrwały, elektron dość szybko wraca na niższą orbitę, tracąc energię, która zostaje wypromieniowana w postaci konkretnej fali elektromagnetycznej, czyli światła. Każdy pierwiastek emituje zawsze takie same charakterystyczne długości fal (nie tylko widzialne).

Petardy

Współczesnym pomysłem nawiązującym do dawnego prażenia bambusów są petardy. Pierwsze zostały oczywiście wyprodukowane w Chinach na bazie czarnego prochu. Znamy je z zastosowań militarnych, ale też z sylwestra i Wielkanocy, jak również z różnych spotkań kibiców piłkarskich czy też szczególnie głośnych marszów 11 listopada. Jest to przykład pirotechniki hukowej. W wojsku służą do pozoracji pola walki – ich wybuchy imitują użycie granatów lub bomb. Produkuje się je w wielu postaciach. Zwykle materiał palny zamknięty jest w cylindrycznym opakowaniu wykonanym z twardej tektury albo plastiku, które eksploduje w chwili wybuchu. Petarda jest wypełniona materiałem błyskowo-hukowym, składającym się najczęściej z utleniacza (azotan potasu albo sodu, nadchloran lub nadmanganian potasu) oraz substancji utlenianej (siarka, metale takie jak magnez lub glin). W przypadku użycia proszków metali obok efektu hukowego uzyskuje się też silny efekt błyskowy. Do napełnienia petard można też stosować takie środki pirotechniczne jak kordyt, proch bezdymny albo klasyczny proch czarny. Do odpalenia niewielkich petard używa się przymocowanej do nich draski. W przypadku większych trzeba dobrać lont odpowiedniej długości. Użytkownicy powinni bardzo dbać o to, aby kupować petardy tylko dobrej jakości i postępować wyłącznie zgodnie z instrukcją obsługi. Niestety, co roku dochodzi do licznych wypadków wynikających z nieumiejętnego obchodzenia się z nimi. Przypomnę też, że nie wolno odpalonych petard kierować w stronę ludzi i zwierząt. Jako ciekawostkę można dodać, że sama nazwa „petarda” pochodzi od czasownika petar, który w języku (dialekcie) prowansalskim tłumaczy się jako „pierdzieć”.

Pirotechnika ratuje życie

Trzeba podkreślić, że pirotechnika nie służy wyłącznie zabawie. Owszem, sztuczne ognie są bardzo efektowne, ale już od bardzo wielu lat materiały tego typu są stosowane w sytuacjach mogących nam ocalić życie. Elementy wykorzystujące pirotechnikę spotkamy w każdym nowoczesnym samochodzie. Jednym z nich jest poduszka powietrzna. W chwili zderzenia samochodu z przeszkodą czujnik (zwykle bezwładnościowy) poprzez system elektroniczny uruchamia elektryczny zapalnik, który z kolei inicjuje wybuch specjalnej mieszanki, w efekcie czego uwalnia się duża ilość gazów wypełniających przestrzeń w poduszce powietrznej. Wszystko dzieje się w ciągu milisekund. Innym urządzeniem pirotechnicznym montowanym we współczesnych samochodach są napinacze pasów bezpieczeństwa. Zasada działania jest tutaj zbliżona do poduszki powietrznej. W momencie zderzenia zostaje błyskawicznie (10–20 ms) wystrzelony specjalny ładunek pirotechniczny, który wywiera ciśnienie na tłok i powoduje odciągnięcie zapięcia pasa, co skutkuje mocniejszym przyciśnięciem ciała kierowcy albo pasażera do fotela.

Jeszcze bardziej skomplikowaną konstrukcją wykorzystującą pirotechnikę jest lotniczy fotel wyrzucany (czasem błędnie zwany fotelem katapultowym). W przypadku konieczności ewakuacji pilota z uszkodzonego samolotu pociąga on za specjalną dźwignię, co uruchamia ładunki pirotechniczne powodujące odrzucenie osłony kabiny, a chwilę później wystrzelenie pilota wraz z fotelem poza maszynę. Maksymalne przeciążenie osiągane w trakcie katapultowania wynosi nawet 20 g, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do uszkodzenia ciała pilota, ale ratuje życie.

Pirotechnika w wojsku

Najprostsze przyrządy pirotechniczne stosowane w armii to race oraz flary. Raca to przyrząd służący głównie do oświetlania terenu. Źródłem silnego światła jest tu reakcja opiłków magnezu albo glinu z substancją utleniającą. Z kolei flara, czyli rakieta sygnalizacyjna, służy najczęściej do sygnalizacji niebezpieczeństwa – np. na statkach (czerwony kolor flary oznacza jednoznacznie wzywanie pomocy) czy w przypadku akcji ratowniczych. W wojsku często używa się jej do koordynacji działań poszczególnych oddziałów. Tu też światło pochodzi z reakcji utleniania, ale do opiłków metali dodaje się soli zabarwiających płomień. Profesjonalne flary są często wyposażone w niewielki silnik rakietowy, który po uruchomieniu wynosi je na dużą wysokość, a czasami jeszcze w spadochron, co pozwala na przedłużenie ich działania. Pirotechnika jest też stosowana szeroko w przypadku pozoracji pola walki. Do tego celu używa się m.in. petard, amunicji ćwiczebnej (tzw. ślepej), rozmaitej wielkości świec dymnych.

Bywa niebezpiecznie

Kilka słów trzeba też poświęcić kwestiom bezpieczeństwa przy użyciu materiałów pirotechnicznych. W każdej sytuacji, gdy zachodzi dość gwałtowne utlenianie, warto dobrze przemyśleć swoje działania. Owszem, pirotechnika kojarzy się z zabawą, ale tylko wtedy, gdy postępujemy odpowiedzialnie. Kiedyś dużą popularnością cieszyły się tzw. zimne ognie – jedna z najgłupszych nazw, jakie można było nadać tym pałeczkom, które spalając się, sypały iskrami. Te ognie na pewno nie są zimne. Po rozpaleniu dość szybko osiągają temperaturę ponad 1000°C – wystarczającą, aby zrobić poważną krzywdę. Bardzo niebezpieczne bywają petardy, zwłaszcza kupowane z podejrzanych źródeł. Potrafią znienacka wybuchnąć w dłoni, uszkadzając ją często nieodwracalnie. W żadnym wypadku nie powinno się ich udostępniać osobom nieletnim.

Ale bywa też, że nawet profesjonaliści popełniają błędy. Wypadki najczęściej zdarzają się podczas użycia takich materiałów w pomieszczeniach zamkniętych. W październiku 2015 r. w klubie w Rumunii fajerwerki spowodowały pożar na scenie. Zginęło trzech członków zespołu metalowego oraz ponad 40 widzów. Dochodzenie wykazało, że od fajerwerków zajęła się plastikowa pianka w kolumnach głośnikowych. Jeszcze gorszy był pożar w Brazylii, gdzie od pirotechniki zajął się wygłuszony specjalną gąbką sufit, powodując śmierć 230 osób. Wypadki zdarzają się też w fabrykach fajerwerków. Do jednego z najbardziej spektakularnych doszło w 2000 r. w Holandii. W miejscowości Enschede w magazynie fajerwerków, mieszczącym niemal 180 t materiałów niebezpiecznych, wybuchł pożar, zabijając 23 osoby i raniąc prawie 1000. Zniszczeniu uległo 400 domów, a 1500 zostało uszkodzonych.

Ale to niejedyny problem związany z pirotechniką. Fajerwerki po odpaleniu nie znikają ot tak. Zawsze jakaś część wraca na ziemię w postaci różnych związków chemicznych. W wielu przypadkach są to sole metali ciężkich, które w zdecydowanej większości są silnie toksycznie. Tego problemu nie można uznać za nieistotny – w samych Stanach Zjednoczonych zużywa się rocznie ponad 100 tys. t fajerwerków. W ostatnim czasie problem ten zaczął być zauważany także przez naukowców. Badania przeprowadzone w New York University wykazały, że poziomy metali typu ołów, miedź czy stront po takich świętach jak Dzień Niepodległości czy sylwester wielokrotnie przekraczają te notowane w pozostałym czasie. Z kolei badania University of California Irvine dotyczyły emisji niewielkich cząstek stałych (tzw. pyłów PM2,5). Są one bardzo niebezpieczne, ponieważ swobodnie penetrują układ oddechowy, wnikając nawet do pęcherzyków płucnych.

Dlatego w laboratoriach trwają prace nad stworzeniem materiałów pirotechnicznych bardziej przyjaznych dla środowiska. Ostatnio doniesiono o efektach wspólnych badań specjalistów z US Army Research Laboratory i Ludwig-Maximilians-Universität München (Niemcy). Uczeni skupili się na stworzeniu bezpiecznych dla środowiska czerwonych flar. Do tej pory zawierały one stront oraz związki chloru. Nowe rozwiązanie oparte jest na znacznie bezpieczniejszych solach litu niezawierających chloru. Użyto tu azotanu litu, a jako dodatki wykorzystano pochodną tetrazolu oraz nitrocelulozę. Aktualnie trwają prace nad zwiększeniem natężenia emitowanego przez te flary czerwonego światła.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.