Die Wissenschaft hinter dem Feuerwerk

Leuchtende Farbenpracht: Wenn das Silvester-Feuerwerk beginnt, erstrahlt der Nachthimmel von bunten Leuchteffekten. Glühende Kugeln, explodierende Funkenregen und sprühende Lichtfontänen zeugen von der Vielfalt des Feuerwerks. Aber wie entstehen die bunten Farben? Und was bestimmt, ob eine Rakete Funken sprüht oder eine langlebige Kugel bildet? Hinter allen stecken Chemie und Physik.

Die Tradition des Feuerwerks ist schon Jahrhunderte alt. Schon im alten China wurden bei großen festen Bambusrohre mit einer Mischung aus Kaliumnitrat oder Salpeter, Schwefel und Kohlenstaub gefüllt und ins Feuer geworfen – die ersten Böller. Andere Bambusrohre wurden an Pfeile gebunden, angezündet und in die Luft geschossen. In Arabien gab es bereits im siebten Jahrhundert Schwarzpulver – und damit den „Treibstoff“ der Silvesterraketen.

Der Raketenstart

Wenn eine Silvesterrakete gezündet wird, kommen bereits Chemie und Physik zum Tragen: Beim Kontakt des Schwarzpulvers mit Feuer beginnt eine stark exotherme chemische Reaktion. Sie setzt mit rund drei Metern pro Sekunde große Mengen an Gas frei, darunter Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.

Durch die Form der Rakete können die Gase nur nach hinten entweichen und sorgen so für einen Rückstoß – die Silvesterrakete hebt ab. Die Menge an Schwarzpulver ist so kalkuliert, dass der Treibstoff genau dann ausgeht, wenn die im Inneren der Rakete langsam weiterbrennende Lunte den Hauptteil der Rakete erreicht – eine Kammer mit einer weiteren Schwarzpulverladung und den Zutaten für die Leuchteffekte.

Überschallknall und Leuchteffekt

Am Höhepunkt ihrer Bahn angekommen, zündet die Feuerwerksladung. Sie besteht aus verschiedenen Metallsalzen, meistens Chloraten, Nitraten oder Perchloraten und reduzierenden Substanzen wie Kohle und Schwefel. Bei der Verbrennung reagieren die Metallsatze unter enormer Hitzeentwicklung – sie können weit über 1.000 Grad Celsius erreichen. Dabei entstehen wieder Stickstoffdioxid und CO2.

Die enorme Hitze und rapide Gasfreisetzung erzeugt den lauten Knall: Die Schockwelle der Explosion breitet sich in der Luft schneller aus als der Schall und erzeugt dadurch einen Überschallknall. Gleichzeitig sorgt die Energie der Explosion dafür, dass die Elektronen der Metalle in der Zündladung angeregt werden und auf ein höheres Energieniveau springen. Fallen sie dann wieder zurück, geben sie diese Energie als Leuchten.

Rotes Leuchten entsteht durch Lithium oder Strontiumverbindungen, blau durch Kupfersalze und grün durch Barium. © Hans/pixabay

Sterne, Funken und Farben

Was aber bestimmt die Farbe und die Form des Feuerwerks? Hier sind erneut sowohl Chemie als auch Physik am Werk. Ob eine Rakete einen kompakten Leuchtball erzeugt oder einen Sternenregen, hängt von der Verpackung der Metallsalze ab: Für viele kleine Sterne werden die Metallsalze und Zusatzsubstanzen in viele kleine, stabile Kügelchen eingeschlossen. Diese halten die Metalle bei der Explosion länger zusammen und erzeugen so „klumpige“ Lichteffekte.

Zusätzliche Effekte wie silbrige Funken entstehen durch metallisches Magnesium, Aluminium oder Titan. Diese Metalle reagieren beim Anzünden ebenfalls stark exotherm und verbrennen mit einem weißen, hellen Licht. Bei Wunderkerzen erzeugen Aluminium- oder Eisenspäne die typischen glühenden Funken.

Welche Farbe ein Feuerwerk hat, hängt von den verwendeten Metallsalzen ab. Jedes Element und damit auch Metall sendet bei Anregung Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge aus. Dies gilt für glühende Gase in interstellaren Wolken ebenso wie für das Feuerwerk. Natriumsalze erzeugen beispielsweise gelbe Farben, Lithium und Strontium ein rotes Leuchten. Blau wird durch Kupferverbindungen erzeugt, Grün durch Barium und Orange durch Kalzium.

(scinexx, 30.12.2016 – NPO)