BOOM, naslov
Lepo pozdravljeni, poslušalci in poslušalke današnje izdaje oddaje Frequenza della scienza. Namenjamo jo eksplozivom in izvedeli boste, kaj so eksplozivi, kako široka je njihova uporabnost v današnjem svetu, kako jih ljudje zlorabljamo in kakšne posledice to pušča za seboj. Vendar pred analizo kemijskih reakcij, ki ob eksploziji potečejo, najprej zgodovinski pregled.
Praoče ali Adam vseh eksplozivov je smodnik. Glavna in relativno dostopna sestavina tega najstarejšega eksploziva je soliter ali kalijev nitrat, ki med drugim nastaja tudi v obliki stenskih oblog v vlažnih in neprezračenih prostorih. Kalijev nitrat je naše prednike verjetno navdušil s svojim ognjevitim odzivom, ko so ga potresli po razžarjeni žerjavici. Solitru so še dve sestavini smodnika, oglje in žveplo, prvi pravilno dodali Kitajci že v 9. stoletju. Z mešanico, ki ji danes pravimo smodnik, so napolnili votle bambusove palice in nastale so prve rakete, ki so jih uporabljali za signaliziranje in obredne ognjemete. Iz Kitajske se je smodnik širil povsod po svetu in v 14. stoletju so za izstrelitev iz prvega vojnega topa še vedno uporabljali smodnik kot silo, ki je pognala kamenje proti sovragu. Prav tako so smodnik uporabljali za kopanje rudnikov, in sicer že v začetku 17. stoletja. Rastoča potreba po smodniku je spodbudila pridobivanje kalijevega nitrata iz izločkov udomačenih živali. Do sredine 19. stoletja so prebivalci Švedske celo plačevali del davka z izločki, iz katerih so nastajali potrebni nitrati.
V 19. stoletju je dozorela tudi kemijska sinteza. Kemik Edward Howard je leta 1799 zmešal živo srebro z močno dušikovo kislino in produkt reakcije zlil v etanol. S tem je ustvaril živosrebrov fulminat oziroma enega prvih sintetičnih eksplozivov. To je bilo odkritje, ki je zamajalo stolček smodnika na mestu edinega eksploziva na svetu. Petdeset let po odkritju živosrebrovega fulminata je italijanski kemik Ascanio Sobrero močno dušikovo kislino zmešal z glicerolom, stranskim produktom milne industrije. Dobil je oljnat produkt, ki ga danes poznamo pod imenom nitroglicerin in je bil prvi znani eksploziv, močnejši od smodnika. Ta izjemno eksploziven in visoko občutljiv izdelek je v praktično uporabo uvedel Alfred Nobel.
Alfred Nobel je ugotovil, da lahko s silicijevim dioksidom bogata diatomejska zemlja ali kieselgur absorbira trikratnik svoje teže v nitroglicerinu. Nastane relativno suha in izjemno eksplozivna pasta, imenovana dinamit. Nekaj let pred odkritjem dinamita je Alfred Nobel izumil še vžigalno kapico oziroma detonator. To je majhna bakrena kapsula, napolnjena z živosrebrovim fulminatom. Aktivira jo pritisk ali temperatura ter predstavlja eksplozivno iniciacijo, ki so jo nitroglicerinski eksplozivi potrebovali za dosego svojega polnega potenciala. Nobelova iznajdba je razburkala celotno eksplozivno industrijo tistega časa. Vžigalne kapice so v uporabi še danes, le da se v njih nahaja majhna elektronsko segreta uporovna žica, ki sproži eksplozijski proces z izbranim časovnim zamikom. Sredina 19. stoletja je bila, zahvaljujoč Nobelu, revolucionarnega pomena za razvoj eksplozivov – do konca 19. stoletja so odkrili skoraj vsa danes znana razstreliva, ki so jih uporabljali tudi v obeh svetovnih vojnah. Med pomembnejšimi so trinitrotoluen oziroma TNT, pentrit in heksogen, ki je v drugi svetovni vojni odigral pomembno vlogo kot najmočnejše klasično razstrelivo. Naslednje odkritje, primerljivo Nobelovemu, ki je bilo revolucionarno za eksplozivno industrijo, se je zgodilo leta 1938, ko sta nemška kemika Otto Hahn in Fritz Strassmann odkrila jedrsko fisijo. Po krajšem premoru bomo ugotavljali, kaj sploh je eksplozija in kaj potrebujemo, da ustvarimo ravno prav eksplozivno mešanico.
Poslušate oddajo znanstvene redakcije o eksplozivih, bombah in razstrelivih na valovih Radia Študent. Preden se podamo v raziskovanje njihovih razsežnosti in potencialov, moramo razumeti, kaj sploh je eksplozija. O tem smo vprašali profesorja Antona Medena s Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo.
Kako torej sestavimo eksplozivno mešanico?
Tovrstno definicijo eksploziva lahko potrdimo tudi z nekaterimi dodatnimi primeri. Gorenje lesa ni hitra reakcija; celulozni polimer, ki gradi lesno biomaso, je namreč v zelo omejenem stiku z oksidantom v zraku. Za gorenje lesa moramo najprej doseči visoko temperaturo, da se celulozni polimer razgradi na bolj vnetljive komponente. Za vžig je včasih nujno dovajanje aktivacijske energije, med gorenjem ali eksplozijo pa se sprošča dodatna energija, ki reakcijo razširi naprej.
Vseeno pa med gorenjem lesa ne dosežemo tolikšnega pospeška reakcije, da bi pripeljal do eksplozije. Za kaj takega bi morali povečati stik med lesom in kisikom, na primer z mletjem lesa v velikost prašnih delcev. Na podobno težavo naletimo pri vžigu bencinskih mešanic in etanola, ki pri sobni temperaturi ne gorijo, gorijo pa njihovi hlapi, ki se tvorijo nad površino tekočine in so bolje premešani z oksidantom. Temperatura se med gorenjem povečuje in pospešuje hlapenje tekočine, dokler ni gorenje spontano. Tako gorijo tudi voski v svečah. Ravnovesje med hitrim in počasnim gorenjem pa poznajo tudi krotilci ognja, ki gorivo pršijo naravnost v vroč plamen. Izbira goriva je izrednega pomena, ker si krotilci ne želijo hitre, skorajda eksplozivne reakcije pršca v ognju – za bruhanje ognja je najprimernejši parafin, manj primeren pa alkohol.
S profesorjem Medenom smo spregovorili tudi o primerih eksplozij, ki jih uspešno izrabljamo za opravljanje mehanskega dela v strojih.
Kot pri krotilcu ognja je tudi pri snovanju eksploziva v kontroliranih eksplozijah pomembna izbira goriva. Vseeno pa smo želeli izvedeti, zakaj lahko nekatere stvari gorijo ali eksplodirajo tudi v odsotnosti kisika, na primer pod vodo in v vesolju.
Kisik imamo torej s seboj, rečemo lahko, da je v tesnem stiku z eksplozivno molekulo, le nekaj kemijskih vezi proč. Tipični interni oksidanti so določene funkcionalne skupine, ki vsebujejo reaktivni kisik, na primer tri nitro skupine v TNT-ju in nitro skupine v nitrocelulozi. V smodniku je ključna nitratna skupina v kalijevem nitratu, poznamo tudi klorate, perokside in druge kemijske skupine z reaktivnim kisikom. Reakcijska zmes terja samo še sprožilni moment – temperaturo, električno iskro, pritisk – in reaktivne molekule so pripravljene, da jih razžene na prafaktorje. No, navadno razpadejo na pline.
Za nadzor nad dogajanjem v reakcijski tehniki je torej pomembno razmisliti, kako sta snov in energija razporejena v prostoru, v katerem se odvija reakcija. Če acetilen nadzorovano dovajamo po šobi in ga na zraku prižgemo, lahko tok vročega plamena izrabimo za varjenje kovin. Če brizantne eksplozive zapremo v škatlico in jim dovedemo ves potreben ogenj, lahko naredimo petardo ali bombo. Z upoštevanjem do sedaj omenjenih načel lahko predvidimo varnostni profil reakcije in se izognemo težavam ali pa bolje načrtujemo želene, eksplozivne posledice. O tem smo vprašali anonimnega gosta oddaje.
Sedaj, ko smo temeljito spoznali zgodovinsko ozadje in naravo kemijskih reakcij eksplozivov, lahko začnemo govoriti o konkretni uporabi eksplozivov v današnjem svetu. Z eksplozivi vsakodnevno pridobivamo material za gradnjo infrastrukture, minerale za izdelavo zdravil, kozmetike in visokotehnoloških izdelkov, potrebnih za mobilnost in telekomunikacijo. Naš svet obdajajo stvari, ki jih pridobivamo z industrijskimi eksplozivi – uporabljajo jih predvsem rudarske, gradbene in geotehnične industrije. Eksplozivi so mišice današnjega sveta, saj lahko z njimi lomimo ogromne površine žive skale naenkrat in to počnemo neprimerljivo hitreje kot s katerimkoli drugim obstoječim orodjem za odkopavanje.
Najpogostejši vrsti industrijskih eksplozivov so eksplozivi AN-FO in eksplozivi sluri. Eksplozivi AN-FO so zmesi amonijevega nitrata in dizelskega olja. Na tržišču so se pojavili v 60. letih in so zelo primerni za miniranje površinskih kopov, kamnolomov in večino ostalih suhih minerskih del. Največja prednost teh eksplozivov je, da se lahko pripravijo na licu mesta, torej da se prašku amonijevega nitrata doda dizelsko olje tik pred miniranjem, kar omogoča varen transport na delovišče. Ob prednostih transporta so eksplozivi AN-FO tudi cenovno zelo dostopni, glede uporabe so zelo zanesljivi ter se jih lahko nasuje neposredno v vrtino za miniranje. Danes so na podlagi eksplozivov AN-FO izpeljali mnogo vrst industrijskih eksplozivov, ki se bolje prilagajajo terenu, na katerem gradijo ali kopljejo surovine. Izpeljanki eksploziva AN-FO, imenovani AMONAL in ANFEX, danes uporabljajo v kamnolomu Rodež pri Anhovem, v katerem kopljejo gradbeni material za cement.
Druga vodilna vrsta industrijskih eksplozivov so vodoplastični sluriji. Za razliko od AN-FO so sluriji vodoodporni eksplozivi, to je njihova velika prednost. Zaradi zadrževanja vode je njihova občutljivost za udarce in trenje v primerjavi z ostalimi eksplozivi veliko manjša. To omogoča varno industrijsko uporabo in mehanizirano polnjenje. Sluriji imajo lahko zelo različne kemijske sestave, v Sloveniji proizvajamo eksploziv sluri, imenovan Geokamex. Sestavljen je iz natrijevega nitrata, amonijevega nitrata, mletega TNT, aluminijevega prahu in vode. Z desetletji uporabe so vodoodporne eksplozive tipa sluri vedno bolj izpopolnjevali, to je privedlo do nove generacije, imenovane emulzijski eksplozivi. Danes te tipe eksplozivov v Sloveniji uporabljajo za izgradnjo druge cevi predora Karavanke in drugega tira trase Koper–Divača.
Iz gradbenih in rudarskih vod pa se sedaj, kot obljubljeno, selimo v svet jedrskih reakcij. Še prej pa kratek komad.
Rezonansa - Mirno Idem Krivim Putem
Poslušate oddajo Frequenza della scienza na 89,3 MHz. Začetek smo posvetili klasičnim kemijskim eksplozijam, sedaj pa se selimo v okolico atomskega jedra. Cepitev atomskih jeder je svetu prinesla zavedanje o potencialu za veliko zlo in uničenje, za termično uparitev človeških teles ter sunkovito razdrobitev betona v mikronski prah. Ampak današnja oddaja ni namenjena strašenju. Zavedamo se, da je trenutno stanje sveta nepredvidljivo, a šele z razumevanjem neprijetnih tem se lahko bolj samozavestno lotimo rešitev, ki so med drugim tudi ničelna toleranca do jedrskega orožja. Primeren je torej krajši oris dogajanja v okolici atomskega jedra.
Atomsko jedro je regija v atomu, kjer se zadržujejo jedrni delci – protoni in nevtroni. Lažji kemijski elementi, kot je vodik, vsebujejo zgolj en proton; ko se premikamo po periodnem sistemu k elementom z višjim vrstnim številom, pa najdemo razvrščena vse težja in težja jedra. Kisik, šesti element po vrsti, vsebuje 6 protonov in 6 nevtronov. Najbolj stabilen izotop plutonija na drugem koncu periodnega sistema, plutonij-244, pa ima v jedru nagrmadenih kar 94 protonov in 150 nevtronov. Znanstveniki in znanstvenice so razmišljali, zakaj se ti delci sploh držijo skupaj; glede na to, da nosijo protoni pozitiven naboj, bi pričakovali, da se odbijajo. To silo, močnejšo od električnega odboja protonov, so imenovali jedrska sila.
Iz ugotovitve, da obstaja med jedrnimi delci zelo močna jedrska sila, se je zgodaj v prejšnjem stoletju oblikovala misel, da je sestavljanje in razbijanje jeder energijsko zelo intenzivna operacija. Vsakič, ko jedru dodamo ali odvzamemo nevtron ali proton, posežemo v specifično konfiguracijo tega jedra; ob spremembi se reorganizira in ta razlika lahko nosi veliko energije. Poglejmo si tipično reakcijo v jedrskem reaktorju, ki kot gorivo uporablja izotop uran-235. Uran-235 postane nestabilen, ko vanj ustrelimo en samcat nevtron, pri čemer nastane težji izotop, uran-236. Ob trku postane jedro razdraženo, zato z veliko verjetnostjo razpade na dve lažji, bolj stabilni jedri. Z razpadom se sprosti tudi veliko energije, shranjene v jedru.
Znamenita Einsteinova enačba E = mc^2 opiše dogajanje z drugega zornega kota. Imenujemo jo tudi enačba ekvivalence mase in energije. Enačba nam pove, da je masa zgolj umetelno skupčkana energija in ta energija se lahko sprosti ali porablja, ko se masa povečuje ali izgublja. Če bi atomska jedra stehtali pred jedrsko reakcijo in po njej, bi ugotovili, da se mase ne skladajo s pričakovanimi. Zdi se, da so protoni in nevtroni lažji oziroma težji kot pred reakcijo. Izkaže se, da je masa jedra odvisna od konfiguracije jedrnih delcev, konfiguracija pa je pred jedrsko reakcijo in po njej seveda različna. Razpad razdraženega urana-236 na manjša jedra obrodi nova jedra, ki so lažja ravno za energijo, ki se ob razpadu sprosti v okolico. Masa se pretvarja v energijo.
Doktor Janez Kokalj z Odseka za reaktorsko tehniko na Institutu Jožef Stefan nam je nadalje razložil, kdaj pride do jedrske eksplozije.
Omenili smo že, da lahko jedrsko reakcijo v uranu-235 dosežemo z obstreljevanjem jedra s hitrimi nevtroni, ob čemer razdraženo jedro razpade in odda veliko energije. Verižna reakcija pa se zgodi, ker poleg veliko sproščene toplote nestabilno jedro izmeče tudi tri hitre nevtrone. Ti lahko zadenejo nova uranova jedra, s čimer dosežemo verižno reakcijo, ki se propagira po okoliških uranovih jedrih in ustvarja konstantno, kontrolirano proizvodnjo toplote. Niso vse jedrske reakcije eksplozivne, to dosežemo predvsem s smiselnim tehničnim dizajnom.
Zaščita pred sevanjem, kot jo poznamo danes, je produkt večdesetletnih tehničnih izboljšav in ugotovitev, odvisna pa je predvsem od vrste sevanja, ki nastane v reakciji. Kadar iz atoma izletijo težji delci, kot so nevtroni ali helijeva jedra, zadostuje že list papirja, ob izmetavanju lahkih elektronov in pozitronov zadošča plast kovine ali tkanine, saj delci hitro reagirajo z materialom. Najbolj prodorni so visokoenergijski fotoni, ki pa jih lahko ustavi približno 5 metrov visok stolpec vode, v katero je potopljen jedrski reaktor, ali pa težka betonska konstrukcija, ki ograjuje reaktorski prostor. Napake, ki se zgodijo pri ravnanju z reaktorji, in neželeno izpostavljanje radioaktivnim odpadnim materialom so pretežno posledica nepoučenosti tehničnega osebja o radioaktivnosti. Iz teh napak pa se vselej razvijajo novi preventivni ukrepi za zmanjšanje nevarnosti.
Sevanje pa pravzaprav ni redek pojav. Seva denimo kalij v bananah, sevanje prejmemo iz vesolja, seva plin radon, ki pronica skozi razpoke v zakraseli kamnini. Ključen dejavnik pri jedrski eksploziji je torej količina sevanja, ki se sprosti v okolico. Doktor Kokalj razloži, zakaj je bilo japonsko mesto Hirošima naseljivo že nekaj let po eksploziji ameriške jedrske bombe Little Boy, neposredna okolica jedrskih elektrarn v Černobilu in Fukušimi pa bo nenaseljiva še več stoletij.
Kaj pa sploh potrebujemo za izdelavo jedrske bombe?
Čeprav se morda zdi izdelava jedrskih materialov zelo zahtevna, poznamo nekaj primerov, ko so posamezniki v lastnih garažah razvijali delujoče jedrske reaktorje. Uporaba, distribucija in skladiščenje radioaktivnih materialov so danes seveda strogo regulirani, a ni bilo vedno tako. Ameriški najstnik David Hahn je skušal v 90. letih v garaži svojih staršev izdelati oplodni jedrski reaktor. Za ta namen je moral zbrati dovolj radioaktivnih elementov, ki so prisotni v nekaterih vsakdanjih napravah. Ugotovil je, da se americij nahaja v detektorjih za dim, radij v fluorescentnih premazih na kazalcih ročnih ur, uran v pogosti rudi uranitu, torij pa v določenem modelu plinskih svetilk, ki bi jih lahko kupil. Na spletu lahko preberemo blog švedskega ljubiteljskega navdušenca nad jedrsko tehniko, ki je leta 2011 popisal svojo kratkoživo avanturo v svet cepljenja atomov. Končala se je z obiskom policije in možicljev z Geigerjevimi števci. Po kratkem premoru bomo pogledali, kaj vsebujejo sodobni vojaški arzenali leta gospodovega 2022 in s čim se obmetavajo na vojnih frontah. Preverili smo tudi, kako se rokuje z neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi.
Poslušate eksplozivno edicijo oddaje Frequenza della scienza, ki seva skozi vas s frekvenco 89,3 MHz. Preden pripeljemo oddajo do njenih moralističnih zaključkov, smo preverili, kako so zgrajena tipična sodobna ubojna sredstva. Njihovo uporabo bi pričakovali med vztrajajočimi spopadi v Ukrajini, Jemnu, Siriji, Kurdistanu, Etiopiji in drugod. Seznam aktualnih vojaških eksplozivov je mogoče ohlapno sestaviti denimo po evropski listini, imenovani Skupni seznam vojaškega blaga Evropske unije, ki definira skupna pravila za trgovino z vojaško opremo in tehnologijo v Evropski uniji. V poglavju Energetski materiali so navedeni eksplozivi, propelenti, pirotehnična sredstva, oksidanti, polimerni nosilci za eksplozive, reaktivni praški in druge povezane snovi. Med krivci najdemo TNT, pentrit, AN-FO in heksogen, ki so pogosti v minah, granatah, bojnih konicah in drugih eksplozivnih formulacijah. Še vedno spadajo med najmočnejša eksplozivna sredstva, ki proizvedejo ogromno količino energije na enoto mase.
Pred meseci se je iz Ukrajine razširila vest o termobaričnem eksplozivu, ki ga je uporabila ruska vojska. Tovrstni eksploziv temelji na drugačnem principu kot konvencionalne formulacije, ki jih zgolj raznese, ob čemer hitro povečanje tlaka povzroča prenos mehanske energije. Termobarične eksplozije se zgodijo v dveh korakih. Najprej se iz zunanjega ovoja bombe v okolico razpršijo vnetljiv plin, aerosol ali prah, v drugem koraku pa razpršeni material vžgemo s klasičnim eksplozivom. Razpršeni delci vzdržujejo povišan tlak dlje časa, kar poveča prenos mehanske energije v okolico. Termobarične bombe so posebej učinkovite v zaprtih prostorih, na primer tunelih, rovih in zgradbah, v katerih tlačne fluktuacije povzročijo ogromno škodo na materialu, udarni val pa se lahko razširi daleč naokoli.
Eksplozivi se torej pogosto uporabljajo kot ubojna sredstva. Ta so običajno del vseh oboroženih spopadov, ki so se ter se še vedno dogajajo po svetu, vendar je pomembno poudariti, da vsaka vojna za seboj pušča tudi materialne sledi. Ene izmed ostalin vojn so tudi neeksplodirana ubojna sredstva ali NUS. Kaj so NUS ter kje in koliko jih najdemo v Sloveniji, nam podrobneje razloži Igor Boh, član Državne enote za varstvo pred neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi.
Neeksplodirana ubojna sredstva so predmeti, ki že ob samem padcu na tla oziroma udarcu ob oviro niso eksplodirali. Že na samem začetku so ti objekti imeli okvaro. NUS so zato posebej nevarni, saj so ta sredstva že bila izstreljena ter izpostavljena vplivom močnih sil in velikim pospeškom, predvsem pa v obdobju od izstrelitve do danes niso bila ustrezno skladiščena. Kljub vsem navedenim nevarnostim pa obstajajo zgodovinski zagreteži, ki neeksplodirana ubojna sredstva zbirajo za osebni zgodovinski arhiv. Po Pravilniku o varstvu pred neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi ob morebitni najdbi vsa ta sredstva preidejo v last države in pristojnih organov, ki so pravilno usposobljeni za ravnanje s temi izredno nevarnimi ubojnimi predmeti. V nadaljevanju gospod Boh navede nekaj primerov najtežjih intervencij Državne enote za varstvo pred neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi.
Tudi za enourne intervencije je potrebna visoka usposobljenost članov Državne enote za varnost pred neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi. Njihovo delo je izjemno naporno, saj se znajdejo pod intenzivnimi psihičnimi pritiski, morajo se znajti v zapletenih situacijah in vsaka njihova intervencija je lahko zadnja. Med intervencijami pa so že naleteli tudi na neeksplodirana ubojna sredstva, ki niso industrijske izdelave, oziroma na neeksplodirana ubojna sredstva domače izdelave.
Približujemo se koncu današnje Frequenze della scienza. V oddaji ste lahko prisluhnili razvoju eksplozivov skozi zgodovino in poteku njihovih kemijskih reakcij. Poglobili smo se v jedra atomov in raziskali mnoge uporabnosti fenomena jedrske fisije. Izvedeli ste, da z eksplozivi pridobivamo praktično vse mineralne dobrine v naši okolici in da so nepogrešljiv pomočnik pri izgradnji infrastrukture. Končali smo z že eksplodiranimi in še neeksplodiranimi ubojnimi sredstvi ter kuharskimi knjigami. Eksplozivi so vsekakor izjemno uporabna in nepogrešljiva sredstva današnjega časa. Vendar je za rokovanje s temi snovmi potrebno veliko znanja, previdnosti in predvsem integritete.
Prihodnjič se slišimo 29. maja. Ostanite na valovih Radia Študent.
S kemijskimi reakcijami je operiral Luka, na drugi strani je z vžigalno kapico rokovala Lea.
Atomsko sredico je preuredil Martin.
Naravnost bombastično sva brala Kušlan in Benjamin.
Z eksplozivno energijo je tehniciral Jaka.
Razstreljen besedni red je lektorirala Irena.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj