Flammenfärbung - Feuerwerke

Flammenfärbung

Licht und Farbe:




Licht: allgemeiner Sprachgebrauch: sichtbare Strahlung (Wellenlänge: 400 bis 750 Nanometer)
Licht = elektromagnetische Strahlung, sichtbares Licht nur ein Bruchteil
Auch ultraviolettes, infrarotes Licht, Röntgenstrahlung zählen dazu
Weißes Licht (Sonnenlicht) schwingt in allen Richtungen mit allen Wellenlängen

Lichtentstehung: Elektronen sind normalerweise in Zustand geringster Energie = Grundzustand. +Energie à angeregter Zustand = Zustand höherer Energie = instabil à fallen in niedrigeren Energiezustand zurück à Energie wird frei:

E_{(freiwerdende Energie)} = E_{1(Energie im angeregten Zustand)} - E_{0(Energie im energieärmeren Zustand)}




Bestimmte Energie = bestimmte Frequenz = bestimmte Farbe

Frequenz ν=(E₁ - E₀)/n_{(Planck’sche Konstante)}


Farbspektren:
Sonnenlicht, Glühlampe, weißes Licht: kontinuirliches Spektrum
Metalldämpfe, Edelgase: Linienspektrum
bestimmte Wellenlänge = bestimmte Farbe
jedes Element à charakteristisches Farbspektrum
Spektrallinie = Differenz zwischen 2 Energiezuständen eines Elektrons

Erklärung mit der Quantentheorie:

Elektronen können im Atom nur bestimmte Energiezustände einnehmen Energie eines Elektrons ist nur sprunghaft (in Vielfachen von Energiequanten) veränderlich Energiequanten: Größe hängt von Frequenz und der "transportierenden" Strahlung ab

Auswertung: charakteristische Färbung, die die farblose Flamme des Bunsenbrenners annimmt, wenn das färbende Element oder eine Verbindung verbrannt wird zur Bestimmung dieses Elements


Qualitative Analyse: Bestimmung von Elementen mit Hilfe der Flamenspektroskopie:
Energieniveauschema = Auswertung der Atomspektren (typisch für jedes Element)

Hauptenergiegruppen: K, L, M, N, usw.
Zum Heben der Elektronen in höheren Zustand muss Arbeit entgegen der elektrischen Anziehung verrichtet werden
Untergruppen (Unterniveaus): ähnliche Energie, s, p, d, f - Zustände.

Flammenphotometer: In Wasser oder organischen Lösungen gelöste Probe wird mit Zerstäuber dem Brenngas beigemischt, Lichtstrahlung der Flamme durch Prismen oder Gitter spektral zerlegt à eindeutiges Spektrum für jedes Element.

Alkalimetalle: 1.Hauptgruppe
Reaktionsfähigkeit nimmt von oben nach unten ab
Eigenschaften: sehr ähnliche Eigenschaften
Nur in Verbindungen (Oxydationszahl +I) vorkommend
Leicht, weich, glänzend, niedriger Schmelzpunkt)

Element	Chem.Zeichen	Flammenfärbung
Lithium	Li	Rot
Natrium	Na	Gelb
Kalium	K	Violett
Rubidium	Rb	Rot - violett
Caesium	Cs	Blau
Francium	Fr	-

Gewinnung: durch Elektrolyse ihrer geschmolzenen Salze

Alkalihydroxide:
Alkalimetalle + H₂O à Bildung von Hydroxiden
z.B.: 2Na + H₂O à H₂ + 2NaOH
Eigenschaften: weiße, salzartige, feste Stoffe
stark hygroskopisch
lösen sich in Wasser
bilden starke Basen (z.B. NaOH)

Oxide: Alkalimetalle bilden an Luft normale Oxide
z.B.: LiO₂, Na₂O₂, allgemein: MeO₂

Erdalkalimetalle: 2.Hauptgruppe
Eigenschaften: sehr unedel, nur in Verbindungen (Ox.Zahl: +II) vorkommend

Element	Chem.Zeichen	Flammenfärbung
Berrylium	Be	-
Magnesium	Mg	-
Kalzium	Ca	Orangerot
Strontium	Sr	Karminrot
Barium	Ba	Grün
Radium	Ra	-

Feuerwerke:

Raketen:

gehören zu den bekanntesten Feuerwerkskörpern. Durch die Verbrennung eines unter hohem Druck in eine Hülse gepreßten Schwarzpulversatzes (Treibsatz) entstehen Gase, die sich durch die Verbrennungstemperatur stark ausdehnen. Diese Gase können nur durch eine Bohrung am unteren Ende der Hülse (Düse) entweichen und treiben die R. nach dem Rückstoßprinzip an. Damit die Beschleunigung am Anfang stärker ist und die R. in ihrer Flugbahn stabilisiert wird, verbrennt in den ersten 1 - 2 Sekunden in einer sog. Seele besonders viel Schwarzpulver. Danach nimmt der Schub ab. Nach insgesamt 3 - 4 Sekunden brennt der Pulverpressling am oberen Ende durch und zündet eine Zerlegerladung. Diese zerreißt den R. - kopf (Hülse aus Pappe oder Plastik) und zündet die Effekte (Sterne, Heuler etc.). Dem Treibsatz können noch Metallspäne (Titan oder Aluminium) beigemengt sein, um einen Silberperlen - Aufstieg zu erzeugen.
Zu Silvester werden sehr viele R. verwendet, bei Großfeuerwerken spielen sie meist eine untergeordnete Rolle: sie sind in ihrer Flugbahn relativ unberechenbar, können nur "kleinere" Mengen Effektladung in den Himmel transportieren und die herunterfallenden Stöcke (sie dienen als Leitwerk für die R.) stellen bei Wind ein Sicherheitsrisiko für das Publikum dar. Die meisten größeren Effekte eines Höhenfeuerwerks werden durch Bomben verwirklicht.





KUGELBOMBEN

Im Gegensatz zum Silvesterfeuerwerk, bei dem fast ausschließlich Raketen gezündet werden, finden bei Großfeuerwerken vor allem Bomben Verwendung. Es handelt sich um (zumeist) mit Sternen und einer Zerlegerladung gefüllte Pappschalen (seltener Kunststoff), die aus Mörsern geschossen werden und bei der Explosion hoch in der Luft den erwünschten Effekt hervorbringen.

Für die Herstellung von Kugelbomben sind folgende Arbeitsschritte erforderlich:

Herstellung von Sternen und Zerlegerladung aus Chemikalien Füllen von Bomben - Halbschalen mit diesen pyrotechnischen Produkten Einsetzen eines Verzögerungszünders. Zusammensetzen der gefüllten Halbschalen, Verkleben mit leimgetränkten Papierstreifen (Pasting). Trocknungsprozeß

STERNE UND ZERLEGER

Der pyrotechnische Inhalt von Kugelbomben besteht hauptsächlich aus Sternen, die am Himmel als farbige oder funkensprühende Punkte und Streifen zu sehen sind, sowie der Zerlegerladung, die die Bombe am höchsten Punkt der Flugbahn zerreißt, die Sterne zündet und auseinandertreibt. Die Farben - und Formenvielfalt der Sterne wird durch zahlreiche "Rezepte" (Formeln) erreicht, nach denen Chemikalien zu pyrotechnischen Sätzen vermischt werden. Im ersten Arbeitsschritt werden deshalb die benötigten Rohstoffe sehr genau abgewogen, zu feinstem Pulver gemahlen, gesiebt und im richtigen Verhältnis gemischt.
Für japanische Kugelbomben, bei denen sich die Sterne kugelförmig ausbreiten und dabei - evtl. mehrmals - die Farbe wechseln ('Warimono' - Bomben), sind runde Sterne mit exakt identischem Durchmesser erforderlich. Nur so wird erreicht, dass alle Sterne gleichzeitig farbwechseln und zum gleichen Zeitpunkt verglühen. Dies gilt als höchste Perfektion bei Warimonos.
Die Sterne ('Hoshi') werden in einer Rolltrommel um einen Kern dragiert - dies kann ein Samenkorn oder ein kleiner Leuchtstern sein. Durch abwechselnde, schrittweise Zugabe von Sternpulvergemisch und Lösungsmittel in die sich ständig drehende Rolltrommel wachsen die Sterne langsam nach dem "Schneeballprinzip". Es erfordert großes Geschick, um mit dieser Methode ('Hoshi - kake') gleich große und perfekt runde Sterne zu rollen. Die Sterne werden in mehreren Arbeitsschritten gerollt. Zwischendurch werden sie mehrmals vorsichtig aus der Rolltrommel genommen und auf Sieben oder Strohmatten ausgebreitet im Freien getrocknet. Würden die Sterne in nur einem Durchgang bis zum gewünschten Durchmesser gerollt, könnte die Feuchtigkeit (Lösungsmittel) beim anschließenden Trocknen nur sehr langsam aus den Sternen entweichen. Dies kann u.U. zu gefährlichen chemischen Reaktionen im Inneren der Pulversterne führen.
Für farbwechselnde Sterne kann nach jedem Trocknungsvorgang ein anderes Sternpulver aufgerollt werden. Nach der Explosion der Bombe erscheinen die Farben dann in umgekehrter Reihenfolge der Pulverschichten. Die zuletzt aufgerollte Schicht ist immer der sog. Zündmantel, ein dem Schwarzpulver ähnliches Gemisch, das als erstes zündet und seinerseits genügend Energie für die meist höheren Zündtemperaturen der Sternpulver liefert. Einfache Warimonos haben nur eine Lage aus Sternen entlang der Innenseite der Bombenschale. Der größte Teil des Bombeninneren wird mit Zerlegerladung aufgefüllt; bei Warimonos mit mehreren Sternlagen befindet sich der Zerleger zwischen den Sternen.
Bei kleinkalibrigen Bomben wird vor allem grobkörniges Schwarzpulver als Zerlegerladung verwendet, wogegen für größere Bomben der Schwarzpulversatz ähnlich dem Hoshi - kake um Samenkörner gerollt oder in einer dünnen Schicht auf Reishülsen (Reisstroh) "paniert" wird.

MONTAGE

Kugelbomben werden in reiner Handarbeit produziert. Japanische Feuerwerk - Meister ('Hanabishi') stellen besondere Bomben, z.B. für Festlichkeiten oder Wettkämpfe, in wochen - und monatelanger Arbeit selbst her. Kleinere Bomben werden in "Fabriken" von Arbeitern in großen Stückzahlen montiert. Das Prinzip der Bombenmontage ist bei allen Kalibern gleich: zwei Halbschalen aus Pappe werden sorgfältig mit Sternen und Zerlegerladung gefüllt, zusammengesetzt und dann miteinander verklebt.
Bei Warimono - Bomben werden zuerst die gerollten Sterne entlang der Halbschalen - Innenseiten angeordnet; in eine Hälfte wurde zuvor ein Verzögerungszünder eingesetzt. Die Halbschalen werden dann mit der Zerlegerladung aufgefüllt, die durch feines Seidenpapier von den Sternen getrennt ist. Die gefüllten Halbschalen einer Bombe werden schließlich in einer schnellen Bewegung zusammengeführt ('Pacckuri'). Warimonos mit mehreren Sternlagen sind deutlich komplexer und deshalb schwieriger zu montieren.
Bevor die Halbschalen mit Klebeband fixiert werden, wird überflüssiges Seidenpapier abgeschnitten. Im letzten Arbeitsschritt der Bombenmontage, dem Pasting ("Zukleben"), werden Papierstreifen um die Nahtstelle (Äquator) der Halbschalen und gleichmäßig um die ganze Bombe geklebt.
Dem Pasting kommt besondere Bedeutung zu. Durch die Anzahl der mit Leim getränkten Papierstreifen und deren Anordnung um die Bombe ergibt sich die Stärke der Bombenhülle. Im Zusammenhang mit Menge und Art der Zerlegerladung bestimmt das Pasting, wie schnell die Bombe bei der Explosion zerrissen wird und mit welcher Kraft und Geschwindigkeit sich die Sterne ausbreiten. Für Chrysanthemen - und Peony - Warimonos findet eine sehr stabile Bombenhülle und ein kräftiger Zerleger Verwendung, um einen möglichst großen Durchmesser der "Blüten" zu erreichen. Trauerweiden und Crown - Chrysanthemen besitzen hingegen etwas schwächere Bombenhüllen und weniger Zerlegerladung, damit die Sterne als "Goldregen" in Richtung Boden fallen.
Großkalibrige Bomben brauchen zudem stabile Bombenhüllen, damit sie beim Abschuß durch den Druck der Ausstoßladung nicht zerstört werden und schon im Mörserrohr explodieren. Das Pasting wird deshalb sehr sorgfältig mit zahlreichen Papierstreifen durchgeführt.

TROCKNEN
Je nach Anzahl der beim Pasting verwendeten Papierstreifen werden die Bomben in mehreren Schritten im Freien getrocknet. Es ist sehr wichtig, dass auch der letzte Rest Feuchtigkeit aus der Bombe entweicht, um unkontrollierte und gefährliche chemische Reaktionen der pyrotechnischen Füllung zu vermeiden. Nach meist tagelangem Trocknen sind die Bomben sicher und lagerfähig und bleiben auch längere Zeit funktionstüchtig.
Nach dem Trocknen sind die Bomben nahezu fertig. Um sie aus Mörserrohren abzuschießen, wird noch ein kleiner Beutel mit Schwarzpulver (Ausstoßladung, "Schuß") an die untere Hälfte der Bombe um den Verzögerungszünder geklebt. Die Menge dieses Schwarzpulversatzes richtet sich nach Gewicht, Kaliber und gewünschter Steighöhe der Bombe.


FUNKTIONSWEISE



Die typische japanische Kugelbombe ist die Warimono: Chrysanthemen - oder Peony - Sterne sind in einer oder mehreren ('single' bis 'multi petalled' bzw. 'with pistil') kugelförmigen Sternlagen angeordnet. Sämtliche Zwischenräume sind mit Zerlegerladung (meist Schwarzpulver) aufgefüllt. Ein Verzögerungszünder (z.B. 'Japanese Fuse') führt vom Äußeren der Bombenhülle in das Zentrum der Bombe.






Die typische japanische Kugelbombe ist die Warimono: Chrysanthemen - oder Peony - Sterne (siehe Pyro - Technik - Lexikon) sind in einer oder mehreren ('single' bis 'multi petalled' bzw. 'with pistil') kugelförmigen Sternlagen angeordnet. Sämtliche Zwischenräume sind mit Zerlegerladung (meist Schwarzpulver) aufgefüllt. Ein Verzögerungszünder (z.B. 'Japanese Fuse') führt vom Äußeren der Bombenhülle in das Zentrum der Bombe.




Die Flugzeit von Bomben richtet sich nach ihrem Kaliber, Gewicht und der gewünschten Steighöhe. Sie wird durch Länge und Art des Verzögerungszünders eingestellt. Der Durchschnittswert liegt bei etwa 3 - 3,5sec, großkalibrige Bomben können über 5sec lang steigen. Während dieser Zeit brennt der Verzögerungszünder, bis seine Flamme in das Zentrum der Bombe durchschlägt und die Zerlegerladung entzündet.
Diese verbrennt in Sekundenbruchteilen und zündet ihrerseits die Sterne. Durch die Explosion wird die Bombenhülle zerrissen und die brennenden Sterne der Petals in Form größer werdener Sphären auseinander getrieben. Durch die zusätzliche Zerlegerladung zwischen den einzelnen Sternlagen (bei Warimonos mit Pistil oder mehreren Petals), breiten sich äußere Petals stärker aus als innere.





BOMBENTYPEN







Kugelbomben können mit sehr unterschiedlichen pyrotechnischen Effekten gefüllt werden. Je nach Anordnung der Effekte werden sie in zwei Grundtypen unterteilt:
WARIMONDO POKAMONO


Am häufigsten werden Warimono - Bomben geschossen. In der Bombenhülle sind ein oder mehrere Sternlagen ('Petals' und 'Pistils') konzentrisch um eine Zerlegerladung angeordnet. Dadurch breiten sich die Sterne bei der Bomben - Explosion kugelförmig aus.
In der einfachsten Form einer Pokamono - Bombe ("Poka") sind Sterne mit einer Zerlegerladung regellos in der Bombenhülle verteilt. Anstelle von Sternen können z.B. auch Tourbillions, Bombetten oder Crossette - Kometen mit dem Zerleger vermischt werden. Bei manchen Pokas ist die Zerlegerladung in Seidenpapier eingeschlossen und die Effekte werden ohne Anordnung um diese verteilt (siehe Zeichnung). Die Effekte werden bei der Explosion einer Poka nicht wie bei Warimonos kugelförmig weggesprengt, sondern in unregelmäßigen Formen am Himmel verteilt. Die Herstellung ist gewöhnlich einfacher als die von Warimono - Bomben.
Meistens besitzen Warimono - Bomben eine oder zwei ('single petalled' bzw. 'single petalled with pistil') Sternlagen. In komplexen Warimonos können drei ('double petalled with pistil') oder sogar mehr Sternlagen ('triple - multi petalled with pistil') angeordnet sein. Die Herstellung solcher Bomben ist sehr schwierig und zeitaufwendig und dementsprechend teuer; deshalb werden sie meist nur einzeln zu besonderen Anlässen geschossen.
Typisch für Warimono - Bomben ist ein (mehrfaches) Farbwechseln der Chrysanthemen - (mit Schweif) oder Peony - Sterne (ohne Schweif). Sterne der inneren Petals und des Pistils wechseln meist nur einmal die Farbe oder sind einfarbig.














Warimono - und Pokamono - Bomben können sehr variationsreich sein. Die Fukurinzu ist eine Warimono mit Pistil und einem zusätzlichen Ring ('Circle') um den Äquator. Weitere Abwandlungen von Warimonos sind z.B. Saturn - und Figuren - Bomben (siehe Gallery).
Eine Mischform zwischen Warimonos und Pokamonos ist die Kowarimono: mehrere kleinere Bomben ('Shells') sind in der Bombenhülle verteilt. Diesen Effekt nennt man 'Shell of Shells' oder 'Thousand Flowers'. Die inneren Shells können sowohl Warimonos als auch Pokas sein.

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