Explózie boli a vždy budú fascinujúcimi javmi. Platí to predovšetkým v čase mieru, keď bezprostredne nespôsobujú nijaké rozsiahle škody a nikoho nezraňujú. O problematike explózií, termobarických zbraniach a princípe ich fungovania sme sa rozprávali s prof. Karolom Jesenákom.
Explózie sú spojené skôr s negatívnymi emóciami, najmä v čase aktuálneho blízkeho vojenského konfliktu…
Asi prvé, čo človeku napadne pri slovách explózia či výbuch, je katastrofa spojená s veľkými materiálnymi škodami, zraneniami alebo stratami na životoch. Táto spojitosť je pochopiteľná. Všetky vojenské konflikty od vynájdenia pušného prachu až po použitie atómových bômb si vyžiadali obrovské množstvo nielen obetí a materiálnych škôd, ale často aj úplný zánik celých spoločenstiev a ich kultúrneho dedičstva.
Drvivá väčšina z nich vôbec nebola spôsobená najničivejšími atómovými zbraňami, ale explóziami v dôsledku rôznych chemických reakcií. Tento pohľad na explózie je však jednostranný.
Prečo sú pre nás dôležité?
Explóziám ešte vždy vďačíme za pohyb väčšiny našich motorových vozidiel, lodí, lietadiel a rôznych strojov. Explózie sa nám paradoxne starajú aj o bezpečnosť v našich autách, kde pohotovo nafukujú naše airbagy, poskytujú nám zábavu v podobe ohňostrojov, výbuchov vo filmových scénach, pomáhajú pri stavebných a sanačných prácach, pri hĺbení tunelov a banských diel a aj pri ťažbe hornín v povrchových baniach – lomoch.
Je tu aj jeden špeciálne slovenský dôvod, prečo hovoriť o tejto téme. Moderné výbušniny a zbrane sa na našom území vyrábajú už od konca 19. storočia až doteraz a táto výroba sa výrazne dotkla histórie niekoľkých našich miest. Patrí k nim aj Bratislava, ktorá sa vďaka tomu bude navždy spájať v súvislosti s chemickým podnikom Dynamit Nobel s menom Alfreda Nobela (pozri Quark 11/2019).
Čo sú výbuchy z pohľadu fyziky a chémie?
Explóziami označujeme rýchlu premenu kvapalín alebo tuhých látok na látky v plynnom skupenstve. Tá je vždy spojená s veľkým nárastom objemu. Keby sme zobrali ten najjednoduchší príklad premeny jedinej látky, napríklad vody na paru, vzrast objemu je približne tisícnásobný. Táto premena explóziou určite nie je, pretože je veľmi pomalá. Spomaľuje ju potreba dodať veľké množstvo energie jednak na ohriatie vody a zároveň na samotnú premenu, tzv. skupenské teplo. Takže ju možno využiť na pohon parných strojov alebo lopatiek parných turbín, no tam, kde vzrast objemu chceme dosiahnuť v zlomku sekundy, to nestačí.
To sa dá dosiahnuť iba tak, že využijeme energiu, ktorá je istým spôsobom ukrytá priamo v premieňajúcich sa látkach. Potom stačí obrazne povedané škrtnúť zápalkou a už prebieha úplne sama. Presnejšie, potrebuje na to len malú iniciačnú energiu, ktorou síce skutočne môže byť aj plameň zápalky, ale väčšinou je to elektrický alebo mechanický impulz.
Prof. Ing. Karol Jesenák, CSc., vysokoškolský učiteľ pôsobiaci až do odchodu do dôchodku začiatkom tohto roku na Katedre anorganickej chémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave. Prednášal niekoľko predmetov z oblasti silikátovej a environmentálnej chémie. Zameriaval sa na syntézu a využitie rôznych silikátových nanomateriálov a uhlíkových nanorúrok. Je autorom približne 600 vedeckých publikácií, niekoľkých monografií a veľkého počtu blogov. Dlhodobo sa venuje popularizácii vedy, za čo získal aj niekoľko ocenení.
A tu prichádza na rad chémia…
Chemické látky majú v sebe zakonzervované určité množstvo energie v podobe väzieb medzi jednotlivými atómami. V tomto ohľade sa chemické látky veľmi líšia, čo znamená, že na ich vzájomnú premenu treba túto energiu buď dodať, alebo sa pri nej uvoľní. Teda to, čo nás vezie pri ceste autom, je chemická premena benzínu na niekoľko plynných látok, ktoré sa katalyzátor vo výfuku snaží v čo najvyššej miere zredukovať na vodnú paru, oxid uhličitý a oxidy dusíka. Podstatou premeny je oxidácia zložiek benzínu. To je už úplne iná káva ako vyparovanie vody, no ešte vždy to na poriadnu explóziu stačiť nemusí. Je to preto, že tá je závislá práve od vzdušného kyslíka.
Aké je riešenie?
K dispozícii máme dve riešenia. Jedno je historické. Explozívnu zmes tvoria dve skupiny látok. Prvé, ktoré horia, a druhé, ktoré poskytujú kyslík. Napríklad v čiernom pušnom prachu prvé zastupujú síra a uhlík, druhé dusičnan draselný. Modernejšie riešenie je, že výbušninu tvorí iba jediná látka, takže explózia nezávisí od reakcie medzi zrnami dvoch alebo viacerých látok. V angličtine sa takéto reakcie označujú ako solid state reactions.
K akému nárastu objemu plynov teda dochádza pri explózii?
Pri väčšine výbušnín sa súhrnné zvýšenie objemu v dôsledku chemickej reakcie a zvýšenia teploty pohybuje asi na úrovni desaťtisícnásobku. Tu je potrebné pripomenúť, že objem a tlak plynov sú spoločne navzájom späté tzv. Boylovým-Mariottovým zákonom, ktorý hovorí, že ich súčin je pri konštantnej teplote v prípade nemenného množstva plynu konštantný. To znamená, že zvýšenie jedného ide na úkor druhého a opačne. Záleží teda na tom, či nám ide skôr o zvýšenie tlaku alebo objemu, respektíve v akých hraniciach tlakov a objemov sa chceme pohybovať.
Aké využitie majú explózie v už uvedenom automobile?
Vo vozidlách sa zvýšenie objemu a tlaku plynov zužitkuje na lineárny pohyb piestov, ktorý sa kľukovým hriadeľom mení na pohyb otáčavý a prostredníctvom rôznych prevodov až na pohon kolies.
Na rozdiel od explózií pár paliva sú síce explózie automobilových airbagov pomerne zriedkavé, no sú veľmi dôležitým bezpečnostným prvkom osobných áut. Ich princíp je veľmi jednoduchý, no platí, že diabol sa skrýva v detailoch, čo znamená, že existuje veľmi úzke rozmedzie tlakov, v ktorom vám explózia zachráni život, ale zároveň vás nezraní (pozri Quark 5/2016). O bezpečnosti airbagov rozhoduje aj stabilita použitej výbušniny, čo znamená na jednej strane zachovanie jej schopnosti explodovať po dlhý čas rovnakým spôsobom, ale zároveň aj zabezpečiť, aby k explózii nedochádzalo samovoľne. Občas sa to stáva, čo spôsobuje automobilkám obrovské finančné straty pre nutnosť výmeny všetkých podozrivých airbagov.
Ktorá vlastnosť výbušnín sa považuje za najužitočnejšiu?
Hlavnou úžitkovou vlastnosťou väčšiny výbušnín je tvorba tlakovej vlny. V priemyselných trhavinách má za úlohu rozrušovať materské horniny rudných a nerudných surovín a horniny pri stavbe ciest, tunelov, základov mostov a priehrad a pri demolácii rôznych starých stavebných objektov. V každom z týchto prípadov existujú určité špecifické požiadavky na to, ako by k tomu malo dôjsť. Podľa toho sa narába aj s tlakovými vlnami týchto výbušnín a ich zloženie sa optimalizuje podľa týchto požiadaviek.
Tie sú napríklad úplne iné pri povrchovej ťažbe železných rúd ako pri demolácii vysokého komína v zastavanom území mesta. Kým v prvom prípade si často vystačíme so suspenziou obyčajného poľnohospodárskeho hnojiva dusičnanu amónneho v motorovej nafte, v druhom prípade potrebujeme veľmi sofistikované mnohozložkové výbušné látky, ktoré by sme skutočne mohli nazvať klenotmi medzi mierovými výbušninami. K ich dobrej práci významne prispieva aj elektronické riadenie časového harmonogramu ich odpálenia, ktoré minimalizuje v čo najvyššej miere priestor ohrozovaný výbuchom.
Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
Ilustrácie K. Jesenák
