Wie funktioniert Feuerwerk?

In vielen Ländern der Welt feiern Menschen den Jahreswechsel mit Pyrotechnik. Böller, Raketen und professionelle Großfeuerwerke begrüßen das neue Jahr. Zwar sind es chemische Reaktionen, die das Feuerwerk antreiben. Doch die Effekte selbst – vom Flug der Raketen über den Knall, das Knistern und Heulen bis hin zu den leuchtenden Farben – haben ihre Ursache in physikalischen Phänomenen.

Am Anfang des Feuerwerks steht der Start der Feuerwerksraketen. Damit diese in den Himmel schießen, wird ein Treibsatz mit Schwarzpulver entzündet. Während das Schwarzpulver in der rohrförmigen Rakete von unten nach oben brennt, entstehen Gase – denen man einen Ausweg lässt. So strömt das sich ausdehnende Gasgemisch – hauptsächlich Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid – unter hohem Druck durch die Düse nach unten aus und erzeugt einen Schub nach oben: Die Silvesterrakete hebt ab und fliegt – teilweise sogar um die 100 Meter hoch – in den Nachthimmel.

Aufbau einer Feuerwerksrakete

Und wofür ist der Holzstab an Silvesterraketen? Er erleichtert keineswegs nur den üblichen Abschuss aus einer leeren Flasche, sondern sorgt für die nötige Balance: Durch den Stab bleibt der Schwerpunkt unterhalb der Treibladung – andernfalls würde die Rakete kopfüber kippen und unkontrolliert ihre Flugbahn ändern.

Pfeifen und Heulen

Während die Silvesterrakete in die Lüfte steigt, ist häufig ein Pfeifen zu hören. Verantwortlich für diese Pfeiftöne, die auch bei einem Luftheuler entstehen, sind mehrere Tausend kleine Explosionen pro Sekunde, die schnell aufeinander folgen. Diese kleinen Explosionen versetzen – ähnlich wie bei einer Flöte – eine Luftsäule im Inneren des Feuerwerkskörpers in eine schnelle Schwingung und erzeugen so den hörbaren Pfeifton. Je nach Aufbau des Brennmaterials, der Länge und des Durchmessers der Hülle lassen sich so unterschiedliche Töne und akustische Effekte erzielen.

Und dann kommt der Knall

Auf der Zielhöhe ertönt dann ein lauter Knall und die Feuerwerksrakete explodiert. Beim Knall handelt es sich um ein hörbares, also akustisches Phänomen: um Schall. Schallwellen sind Druckschwankungen, die sich in einem Medium – bei Pyrotechnik in der Luft – ausbreiten. Auslöser für solche Druckschwankungen sind oft schwingende Gegenstände wie die Saiten einer Geige oder die Felle von Trommeln. Während diese Form von Schall sich jedoch zumeist nur langsam verändert, ist ein Knall ein abruptes Ereignis: eine starke und schlagartig einsetzende Druckschwankung, die rasch wieder abklingt. Auslöser dieser plötzlichen Druckschwankung ist bei der Pyrotechnik stets ein schneller Verbrennungsvorgang, bei dem Gase entstehen und sich explosionsartig ausdehnen. Als Brennstoff dient zumeist Schwarzpulver – das bereits vor tausend Jahren im chinesischen Kaiserreich erfunden wurde.

Ohne Elektronen keine leuchtenden Effekte

Ob beim Standfeuerwerk am Boden oder bei Raketen am Himmel: Das Schönste an der Pyrotechnik sind wohl die farbenfrohen Leuchteffekte. Nach Dynamik – dem Raketenantrieb – und Akustik – dem Knall – kommt hier die Atomphysik ins Spiel. Beim Feuerwerk entstehen Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celsius – und diese Hitze reicht aus, um insbesondere Metallatome „anzuregen“. Um zu verstehen, was das genau bedeutet, müssen wir einen Blick auf den Aufbau von Materie werfen.

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Atome wiederum besitzen einen schweren Atomkern aus Neutronen und Protonen. Dieser ist von leichteren Elektronen, die für die chemischen Eigenschaften des Stoffs verantwortlich sind, umgeben. Anschaulich lässt sich dies mit dem Bohrschen Atommodell erklären. Es ist zwar nicht ganz korrekt, doch lassen sich mit ihm die wesentlichen Effekte verstehen: Nach diesem Modell sind die Elektronen in Schalen um den Atomkern angeordnet. In jeder Schale kann sich nur eine bestimmte Zahl von Elektronen aufhalten – und insgesamt befinden sich die Elektronen so nah wie möglich am Atomkern, physikalisch ausgedrückt: im Zustand mit der niedrigsten Energie.

Führt man einem Atom nun von außen Energie zu – etwa durch Wärme –, so kann ein Elektron auf eine weiter außen liegende Schale springen, das Atom wird „angeregt“. Doch dieser Zustand ist nicht lange stabil und so springt das Elektron bereits nach einer kurzen Zeit – im Bereich von Milliardstel Sekunden – zurück auf seinen ursprünglichen Platz. Dabei gibt es die zuvor aufgenommene Energie in Form elektromagnetischer Strahlung wieder ab – sprich: als Licht mit einer Farbe, die sich aus der Energiedifferenz zwischen den Schalen ergibt.

Ein buntes Spektakel

Welche Farbe das Licht hat, das bei diesem Vorgang entsteht, hängt dabei von dem jeweiligen chemischen Element ab. Und genau das machen sich Feuerwerker zunutze: Mit verschiedenen Stoffen erzeugen sie unterschiedliche Farben. Als besonders geeignet erweisen sich Alkalimetalle, weil sie sich bei den üblichen Temperaturen eines Feuerwerks leicht anregen lassen. Alkalimetalle sind allerdings reaktionsfreudig und müssen daher in der Pyrotechnik in Form von chemischen Verbindungen – etwa in Salzen – eingesetzt werden. Natrium beispielsweise reagiert sehr heftig mit Wasser und findet deshalb nur als Natriumchlorid Anwendung – also als Kochsalz. Im Feuerwerk sorgt es dann für gelbes Licht.

Farben des Feuerwerks

Um sehr helle Leuchteffekte zu erhalten, verwenden Pyrotechniker Aluminium, Magnesium und Titan in Pulverform – diese Metalle verbrennen mit grellem weißem Licht.

Auf die Mischung kommt es an

Natürlich ist es nicht damit getan, Schwarzpulver, Metallsalze und andere Stoffe zu mischen, in einen Behälter zu pressen und mit einer Zündschnur zu versehen. Ein professioneller Feuerwerkskörper ist mitunter außerordentlich kompliziert aufgebaut. Zunächst einmal müssen die Zutaten möglichst rein sein, da schon geringe Verunreinigungen die Farben der Leuchteffekte verändern. Darüber hinaus dürfen keine Rückstände das Abbrennen stören und es soll sich nicht zu viel Rauch entwickeln.

Eine sorgfältige Unterteilung des Feuerwerkskörpers steuert die Abfolge der Effekte: Zunächst schießt ein Treibsatz – wie bei einer Rakete – oder eine Ausstoßladung – wie etwa bei einer professionellen Kugelbombe – den Feuerwerkskörper in die Höhe. Eine Verzögerungszündschnur zündet dann im richtigen Moment die Zerlegungsladung. Damit zündet sie auch die eigentlichen Effektelemente, die dann in alle Richtungen auseinanderfliegen und – hoffentlich – für viele „Ohs“ und „Ahs“ beim Publikum am Boden sorgen. Je nach Anordnung und Befüllung der Effektelemente lassen sich die unterschiedlichsten Leuchtphänomene, begleitet von akustischen Effekten, erzeugen.

Am Schluss noch eine Warnung: Auch wenn pyrotechnische Artikel mitunter recht kompliziert aufgebaut sind, könnte man auf die Idee kommen, selbst ein wenig mit Schwarzpulver und Metallsalzen zu experimentieren. Das sollte man aber unbedingt lassen. Denn insbesondere beim Zusammenpressen verschiedener Stoffe können sie sich erwärmen und von selbst entzünden – mit gefährlichen Folgen. Also: wenn Feuerwerk, dann bitte professionell.