Zeitlupe-Explosionen in der "Tiefkühltruhe"

Der Sprengstoff TNT explodiert auf Molekular-Ebene viel langsamer als bisher vermutet - neuartige Tiefkühlanlage lässt Explosionen in Zeitlupe beobachten

Sprengstoff Trinitrotoluol - TNT
Sprengstoff Trinitrotoluol - TNT

Innsbruck (Österreich) - Wenn TNT - Trinitrotoluol, einer der meist verwendeten synthetischen Sprengstoffe - explodiert, dann reagieren die Moleküle sehr viel langsamer miteinander als bisher vermutet. Das zeigen Beobachtungen Innsbrucker Physiker, die die Explosion in einer neuartigen Tiefkühlanlage quasi auf Zeitlupe heruntergekühlt haben. Die überraschende Langsamkeit dürfte für die Arbeit von Minensuchdiensten praktische Bedeutung haben, aber auch für den Einsatz von Sprengstoffen im Bergbau und im Straßenbau.

"Von der Anlagerung eines Elektrons bis zum Zerfall des Moleküls vergehen mehrere Mikrosekunden. Auf molekularer Ebene ist das eine halbe Ewigkeit", erklärt Paul Scheier, Professor am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck. Sein Team entwickelte ein Verfahren, um Sprengstoffe in extrem kalte Heliumtröpfchen einzubinden und die chemischen Abläufe bei der Explosion damit stark zu verlangsamen, so dass sie sozusagen in Zeitlupe abläuft. Der Apparat zur Analyse von Molekülen in ultrakalten Heliumtröpfchen ist weltweit einzigartig, so die Forscher im Fachblatt "Physical Chemistry Chemical Physics". Neben Sprengstoffen kann die Anlage auch sämtliche andere Arten molekularer Prozesse bei instabilen Substanzen beobachten helfen, erklärt Scheier: "Wir können hier sehr elegant die einzelnen Zerfallsprozesse studieren".

Nach dem Beinahe-Einfrieren beschossen die Forscher um Scheier die TNT-Moleküle mit langsamen Elektronen und analysierten den folgenden Prozess per Massenspektrometer. Überraschend für die Forscher war, dass das Umstrukturieren des Zerfalls sehr langsam vor sich ging - im Widerspruch zu früheren Experimenten ohne die Heliumtröpfchen, wo der Sprengstoff sehr schnell zerfallen war: "Ohne Helium strukturiert sich das Molekül nach der Anlagerung des Elektrons langsam um und einzelne Stücke brechen nach und nach ab. So entstehen neutrale Teilchen mit sehr hoher Bindungsenergie. Die überschüssige Energie wird an die Umwelt abgegeben und hält die Reaktion in Gang", so Scheier. "Weil diese Energie in unserem Experiment vom Helium aufgenommen wird, können wir den Explosionsvorgang dramatisch verlangsamen und schrittweise genau beobachten."

Die wichtigste Erkenntnis ist wohl, dass das eigentliche Zünden des Sprengstoffs, der chemische Zerfallsprozess des Moleküls, sehr viel länger dauert als bisher vermutet. Das dürfte auch für die Arbeit von Entminungsdiensten praktische Bedeutung haben. Schon heute werden Bomben und Minen zunächst gekühlt, bevor die Entschärfung beginnt. Weitere wissenschaftliche Erkenntnisse zum Zerfallsprozess dürfte die Arbeit noch etwas sicherer machen. TNT (Trinitrotoluol) gehört zu den meist verwendeten, synthetisch gefertigten Sprengstoffe und den wichtigsten militärischen Explosivstoffen. Es handelt sich um eine sehr instabile Substanz, die bei Energiezufuhr in energieärmere Verbindungen zerfällt und dabei enorme Mengen an Energie freisetzt. Weil Sauerstoff als benötigter Brennstoff für die Explosion bereits im Molekül eingebaut ist, kann sich die Detonation von TNT mit einer Geschwindigkeit von mehreren tausend Metern pro Sekunde ausbreiten. In künftigen Studien will Scheiers Team den ebenfalls höchst instabilen Sprengstoff "Royal Demolition Explosive" (RDX) analysieren.