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Physik im Alltag und Naturphänomene

Vom irdischen zum kosmischen Feuerwerk

Spätestens dann, wenn im optischen Rausch von Silvesterfeuerwerken die Sterne von den grellen und bunten Farben überstrahlt werden, die sich in ästhetisch ansprechenden Lichtskulpturen entfalten, scheint der Gedanke einer tieferen Beziehung zwischen den Vorgängen auf der Erde und denjenigen am Himmel ferner denn je. Auch wenn heute das „kosmische Feuerwerk“ zu einem stehenden Begriff geworden ist, kommt man wohl kaum auf Idee, dass letztlich die bunten Farben, die einen wesentlichen Reiz des pyrotechnischer Feuerwerke ausmachen, den Zugang zu den kosmischen Ursprüngen unserer Welt ermöglichten. Worin besteht der Zusammenhang zwischen den Hervorbringungen einer wenige Jahrhunderte alten Pyrotechnik und den Milliarden Jahre zurückreichenden kosmischen Vorgängen?
Grundbestandteil der heutigen Feuerwerke ist nach wie vor das Schwarzpulver, das in Europa im 14. Jahrhundert erfunden wurde, nachdem es in China bereits seit dem 11. Jahrhundert bekannt war. Die Entzündung des Schwarzpulvers ist letztlich die zentrale Reaktion, die dem Licht- und Farbenspiel sowie den Knalleffekten eines Feuerwerks zugrunde liegt. Schwarzpulver besteht aus Kaliumnitrat (Kalisalpeter), Holzkohle und Schwefel, die im Verhältnis von 60-85% Kaliumnitrat, 10-25% Kohle und 0-20% Schwefel gemischt werden. Dabei dient der Salpeter als Sauerstofflieferant; Holzkohle und Schwefel sind die Brennstoffe, wobei dem Schwefel die besondere Rolle zufällt, die Zündtemperatur soweit zu senken (300°C bis 400°C), dass der Initiierung der chemischen Reaktion mit einfachen Mitteln möglich wird. Durch Variation der Mischungen kann das gewünschte Abbrandverhalten bestimmt werden.
Werden durch das Schwarzpulver Raketen angetrieben, so muss dafür gesorgt werden, dass – ähnlich wie bei Raketen in der Raumfahrt – die Verbrennungsgase in einer bestimmten Richtung aus einer düsenförmigen Öffnung einer Röhre aus fester, dicker Pappe herausströmen. Dadurch wird der Feuerwerkskörper in entgegengesetzte Richtung getrieben. Bei diesem Vorgang spielt physikalisch gesehen die Impulserhaltung die entscheidende Rolle: Das Produkt aus Geschwindigkeit und Masse der ausströmenden Gase sind gleich dem Produkt aus Geschwindigkeit und Masse der aufsteigenden Rakete. Die Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsgase ist so groß, dass trotz der verhältnismäßig großen Masse der Silvesterrakete diese eine Geschwindigkeit von bis zu 100 km pro Stunde annimmt. Indem dem Schwarzpulver Titan- oder Eisenpulver beigefügt wird, werden die ausströmenden Gase durch einen eindrucksvollen Funkenschweif sichtbar.
Nachdem die Rakete etwa zwei Drittel ihrer Höhe erreicht hat, lässt der Schub deutlich nach. Denn die gerichtete Geschwindigkeit der Gase hängt vom Druck in der Papphülse ab. Da mit dem Abbrand des Pulvers der Hohlraum in der Hülse zunimmt, verringert sich aber der Druck, mit der die Gase herausgetrieben werden. Dadurch wird die Rakete immer langsamer.
Wenn das Schwarzpulver bei einer typischen Höhe zwischen 50 und 100 Metern verbraucht ist, geht das eigentliche Feuerwerk so richtig los. Jetzt werden mehrere Lagen unterschiedlicher Leuchtsubstanzen gezündet, die in abwechselnden Formen und Farben eindrucksvolle Lichtgirlanden in den Himmel sprühen.
Gestalt und Farbe dieser ästhetisch ansprechenden Lichtfiguren werden einerseits durch den ausgeklügelten inneren Aufbau der Rakete bestimmt. Andererseits verkörpern sie die physikalische Notwendigkeit, mit der die geworfenen oder fallenden glühenden Partikel ihren Weg durch Leuchtspuren in den Himmel zeichnen, die in der Summe zu den charakteristischen schirmartigen Mustern der Feuerwerke führen.
Die typischen Farben der Lichtfiguren entstehen durch Beimischungen verschiedener Metallsalze, die bei hohen Temperaturen um die 1000°C zum Leuchten gebracht werden. Dabei geben Natriumsalze gelbes, Strontiumsalze rotes, Bariumsalze grünes und kupferhaltige Salze blaues Licht ab. Die Helligkeit wird beispielsweise durch Magnesium oder Aluminium hervorgerufen, die mit blendend weißer Flamme verbrennen.
Die unterschiedlichen Farben sind mit bestimmten Elementen verknüpft, so dass man bereits aus der Ferne an den Farben erkennen kann, welche Elemente gerade zum Glühen gebracht werden. Natürlich reicht dazu im Allgemeinen der bloße menschliche Blick nicht aus. Mit Hilfe eines farbzerlegenden Spektrometers kann man jedoch eindeutig feststellen, dass mit den Farben ganz bestimmte Wellenlängen als helle Linien im Lichtspektrum hervorgehoben erscheinen und als Steckbrief des jeweiligen glühenden Elements angesehen werden können.
Diese Art der chemischen Fernanalyse wurde von Kirchhoff (1824 -1887) und Bunsen (1811 – 1899) zu einer äußerst präzisen Methode entwickelt, die heute in vielen Bereichen als Analysetechnik eingesetzt wird. Dabei war entscheidend, dass es Bunsen durch die Entwicklung des fortan nach ihm benannten Brenners gelang, eine nahezu farblose Flamme zu erzeugen, wodurch das störende Eigenspektrum der Flamme ausgeschaltet und die Spektrallinien wie eine Art Barcode der Elemente „ausgelesen“ werden konnten.
Es wird erzählt, dass Bunsen angesichts eines bengalischen Feuers vor dem Heidelberger Schloss am 1. Juni 1860 vom Dach seines Labors aus durch ein Spektrometer auf die Flammen blickte und im grünen Bereich des Spektrums deutlich die Linien des Bariums und im roten die Linien des Strontiums erkannte. Er soll dann zu Kirchhoff gesagt haben: „Wenn wir auf diese Entfernung erkennen könnten, welche Stoffe in diesen Flammen glühten – warum könnten wir nicht auch erkennen, aus welchen Stoffen die Himmelskörper bestehen?“
Der diesem Gedanken entsprechende revolutionäre Gehalt wird auf dem Hintergrund einer Aussage des Mathematikers und Philosophen Auguste Comtes (1798 – 1857) besonders deutlich. Im Jahre 1835 schrieb er und sprach damit die Überzeugung vielen Astronomen aus: “(W)ir werden niemals, mit welchem Mittel auch immer, die chemische Zusammensetzung (der Sterne) untersuchen können(…) (U)nsere positiven Kenntnisse (…) sind notwendigerweise auf ihre geometrischen und mechanischen Phänomene beschränkt“.
Damit waren die Spektralanalyse der Sonne und der Sterne aus der Taufe gehoben und letztlich die Geburt der Astrophysik eingeleitet. Unter der Voraussetzung der Homogenität des Universums konnten im Licht der physisch nie erreichbaren Himmelskörper Elemente identifiziert werden, die man bislang nur auf der Erde kannte. Aber es sollte noch besser kommen. Indem im Jahre 1868 Janssen und Lockyer im Sonnenspektrum Linien eines unbekannten Elements entdeckten, musste man umgekehrt auf der Erde suchen, auf das man in den Sternen gestoßen war. Das Element wurde tatsächlich im Jahre 1895 auf der Erde gefunden und spektralanalytisch als das Edelgas Helium (Helios = Sonne) erkannt. Zu dem Zeitpunkt konnte man noch nicht ahnen, dass ohne dieses Geschenk des Himmels, die moderne Physik, so wie wir sie kennen, nicht denkbar gewesen wäre, ermöglicht flüssiges Helium doch als einziges Element, sich dem absoluten Nullpunkt sehr stark anzunähern.
Die Spektralanalyse hat aber auch den Weg in die Atom- und Quantenphysik geebnet. Demnach sollten sich die diskreten Spektrallinien als Zeichen der diskreten Lichtquanten erweisen, die nach der Stoßanregung von Elektronen in einem Atom ausgesandt werden. Die Lichtquanten tragen genau die Energie mit sich, die sie beim Rückfall von der höheren in die niedrige Elektronenbahn loswerden müssen.
Somit hat sich einmal mehr der Satz Hans Blumenbergs bewahrheitet, dass „der Sternenhimmel (…) zum Lehrbuch für die Technik dessen geworden ist, was natürlicherweise auf der Erde nicht gefunden werden kann“. Herkunft und Schicksal der Erde samt ihrer Bewohner wurden von nun an durch immer ausgeklügeltere Methoden aus den kosmischen Lichterscheinungen herausgelesen. Wer Silvester mit einem Feuerwerk das neue Jahr begrüßt, sollte vielleicht auch mal einen Blick durch die Lichtgirlanden hindurch auf die Sterne richten, die uns dank der Pyrotechnik ein ganzes Stück näher gekommen sind.

Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern meiner Seite einen guten Start in das Neue Jahr 2018.

 

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