ΓΙΑΤΙ ΚΑΝΟΥΝ “ΜΠΑΜ” ΤΑ ΠΥΡΟΤΕΧΝΗΜΑΤΑ;

Πριν την ημέρα-χαρά των πυροτεχνημάτων (το ‘καλωσήλθες’ κάθε Πρωτοχρονιάς) υποθέτω ότι θα είχε ένα ενδιαφέρον να διαβάσεις πώς προκύπτει ό,τι -φαντασμαγορικό- βλέπουμε στον ουρανό. Να δώσω ένα παράδειγμα, που συνήθως είναι και το πρώτο που βλέπουμε κάθε νέο έτος.

Η πυροτεχνική είναι η επιστήμη της χρήσης υλικών που μπορούν να αποσυντίθεται σε αυτόνομες και αυτοσυντηρούμενες εξώθερμες χημικές αντιδράσεις, για την παραγωγή θερμότητας, φωτός, φυσικού αερίου, καπνού ή/και ήχου. Δηλαδή, τα πυροτεχνικά προϊόντα δεν χρησιμοποιούνται μόνο για την κατασκευή πυροτεχνημάτων. Η χρησιμότητα τους φτάνει έως τον αερόσακο στο αυτοκίνητο.

Στην Ελλάδα η λέξη ‘πυροτέχνημα’ είναι συνώνυμο με την ‘βεγγαλικά’ που μιας και τα λέμε ωραία εδώ, να σας πω ότι αυτή προέρχεται από τη Βεγγάλη της Ανατολικής Ινδίας, όπου το 18ο αιώνα δημιουργήθηκε το καπνογόνο -για να φοβίσει τους εχθρούς.

Ναι, το βεγγαλικό είναι τύπος φωτοβολίδας (κάνε εικόνα τι πετούν οι οπαδοί στα γήπεδα) Όχι πυροτέχνημα. Αυτό είναι κατηγορία ήπιας εκρηκτικότητας πυροτεχνικών συσκευών.

Ήλθε η ώρα για έναν καημό.

Κάποιες φορές νιώθω ότι όλα θα γίνονταν πιο απλά και κατανοητά, αν χρησιμοποιούσαμε αγγλικούς όρους. Έτσι αν είχαμε πρόχειρο το good luck, δεν θα ξανακουγόταν ποτέ και το “Καλή επιτυχία” -τουλάχιστον έως ότου ερευνητές καταλήξουν στο πώς μπορεί να είναι κακή μια επιτυχία. Κατ’ επέκταση αν λέγαμε black powder τα πυροτεχνήματα δεν θα υπήρχε η παραμικρή παρανόηση.

Στο λεξικό της Britannica ως ορισμός δίνεται το “πρώτος τύπος εκρηκτικού μείγματος που επινοήθηκε για τη χρήση σε πυροβόλα όπλα και ανατινάξεις”. Σε παρένθεση αναφέρεται η λέξη “πυρίτιδα”.

Η μαύρη πυρίτιδα λοιπόν, που αν θες μπορούμε να τη λέμε και μπαρούτι, είναι η αρχαιότερη εκρηκτική ύλη. Πρόκειται για μείξη σκόνης (ξυλ)άνθρακα, θείου και νίτρου που πρώτοι έκαναν Κινέζοι αλχημιστές -τον 8ο αιώνα.

Οι πυροτεχνήτες πειραματίστηκαν έως ότου φτιάξουν το καλύτερο όπλο για να τακτοποιούν τους εχθρούς και κατέληξαν στο ότι η σωστή αναλογία ήταν 75% νιτρικό κάλιο, 15% άνθρακα και 10% θείο. Εναπόθεσαν το μείγμα σε ένα δοχείο -συνήθως φτιαγμένο από χοντρό χαρτόνι ή χαρτί-, το θέρμαναν και προκάλεσαν την επιθυμητή αντίδραση. Δηλαδή την εκτόξευση.

Εν συντομία: όταν ένα πυροτέχνημα εκρήγνυται, πρόκειται για αλυσιδωτή αντίδραση χημικών αντιδράσεων που δίνουν διαφορετικά σχήματα και χρώματα στον ουρανό. Η ανάφλεξη προκαλεί θερμότητα που αρχίζει το κάψιμο των διαφορετικών χημικών που υπάρχουν μέσα στο κέλυφος. Το κάρβουνο είναι το καύσιμο, το νιτρικό κάλιο ο οξειδωτής και το θείο μειώνει την αντίδραση. Η πυρίτιδα βοηθά ώστε να σηκωθεί το πυροτέχνημα στον αέρα -και να μην εκραγεί εκεί όπου έχει τοποθετηθεί. Μια τρύπα στο κάτω μέρος ολοκληρώνει τη δουλειά.

Να σου δώσω ένα παράδειγμα μικρού κελύφους.

Στις εκρήξεις, οι ταχύτητες των παραγόμενων αερίων και των προϊόντων καύσης είναι 10.000 m/s (μέτρα ανά δευτερόλεπτο) οι θερμοκρασίες φθάνουν και ίσως να ξεπερνούν τους 6.000ºC και οι πιέσεις τα 300.000 bar με αποτέλεσμα να παράγεται ένα ισχυρότατο ωστικό κύμα (shock wave).

Πάμε και στις περισσότερες εξηγήσεις.

Όπως γράφει στο Conversation ο Paul E. Smith, χημικός, λέκτορας για την εφαρμογή της χημείας στο Purdue University και πρόεδρος της Pyrotechnics Guild International (οργάνωση που προωθεί την ασφαλή χρήση των πυροτεχνημάτων), μόλις θερμάνουμε το φιτίλι ή τον σπινθήρα λιώνει το θείο και ρέει πάνω στο νιτρικό κάλιο και τον άνθρακα, προκαλώντας την καύση τους. Αυτή παράγει γρήγορα μεγάλη ποσότητα ενέργειας και αερίου (ευρύτερα γνωστή ως έκρηξη). Εάν η ‘συσκευή’ έχει μια μικρή τρύπα, για να φύγει από αυτήν το αέριο γίνεται η εκτόξευση στον αέρα.

Σε πολύ περιορισμένο χώρο, ανατινάζει τα συστατικά και προκαλεί ανάφλεξη σε ό,τι υπάρχει εκεί κοντά. Το πόσο περιορισμένος είναι ο χώρος του κελύφους αλλά και το μέγεθος των κόκκων της σκόνης, αλλάζουν το πόσο γρήγορα γίνεται η καύση.

Σκεφτείτε μια φωτιά που ανάβετε, όταν είστε για κάμπινγκ. Αν βάλετε ένα μεγάλο κλαδί δέντρου, οι φλόγες κρατούν περισσότερο και είναι πιο αργές. Αν πετάξετε μια χούφτα πριονίδι, η καύση είναι γρήγορη και η ένταση της φωτιάς υψηλή.

Οι πολύ λεπτοί κόκκοι μαύρης πυρίτιδας, σε περιορισμένο χώρο, δίνουν θερμότητα, αέριο και ήχο με την έκρηξη τους.

Πώς προκύπτουν τα χρώματα και τα σχήματα

Όταν θερμαίνουμε οποιοδήποτε υλικό, ουσιαστικά βάζουμε ενέργεια στα ηλεκτρόνια των ατόμων του. Εάν ‘διεγείρουμε’ αρκετά ηλεκτρόνια θα τα δούμε να ‘βγάζουν’ περίσσεια ενέργεια ως φως, όταν ‘πέσουν’ στα φυσιολογικά ενεργειακά τους επίπεδα. Ανάλογα με το υλικό, απελευθερώνεται διαφορετικό μήκος κύματος φωτός που εμφανίζεται ως διαφορετικό χρώμα. Συνήθως πρόκειται για μεταλλικά άλατα.

Το στρόντιο (φυσικό στοιχείο που βρίσκεται σε βράχους, στο χώμα και τη σκόνη, στον άνθρακα και το πετρέλαιο) δίνει το κόκκινο, το νάτριο το κίτρινο και το ανοιχτό πορτοκαλί, το βάριο το πράσινο, ο χαλκός το πράσινο το πράσινο ή το μπλε, το ασβέστιο δίνει ένταση στα χρώματα και ενώσεις του χαλκού το μπλε. Το τελευταίο χρώμα ήταν για χρόνια η υπέρτατη πρόκληση για τους χημικούς πυροτεχνημάτων. Ό,τι και αν έκαναν, δεν μπορούσαν να το πετύχουν ώστε να φαίνεται στο νυχτερινό ουρανό ή να μην παραπέμπει στο λευκό χρώμα. Βρέθηκε η συνταγή, εν τούτοις είναι αυτή που εξακολουθεί να επιτυγχάνεται πιο δύσκολα -κυρίως γιατί το μπλε φως έχει μικρότερο μήκος κύματος (το ζενίθ με το ναδίρ του κύματος φωτός είναι πολύ κοντά).

Ανάλογα με το πώς τοποθετούνται τα συστατικά στο κέλυφος προκύπτει το χρώμα και τα σχέδια. Αν βλέπεις ένα χαμογελαστό πρόσωπο έχει προηγηθεί αυτό που ακολουθεί.

Πώς προκύπτουν οι λάμψεις

Για το ‘αστράκι’ (τον σπινθηριστή που κρατάς στο χέρι και πετάει σπίθες) χρειάζεται χημική ένωση αλουμινίου, σιδήρου, ατσαλιού (ή ψευδάργυρου) που τοποθετείται σε άκαμπτη ράβδο ή σύρμα. Αντιστοίχως, για τη λάμψη των πυροτεχνημάτων χρειάζεται την προσθήκη μετάλλων στο μείγμα. Το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το τιτάνιο ‘δίνουν’ λευκούς σπινθήρες. Με την προσθήκη σιδήρου, γίνονται χρυσοί. Μόνο το τιτάνιο δίνει ασημένιες σπίθες, μόνο το μαγνήσιο λευκές (η ανάμειξη με άλλα βελτιώνει τη φωτεινότητα) και μόνο το αλουμίνιο ασημί και άσπρες. Ανάμειξη με τύπους ξυλάνθρακα μπορεί να προκαλέσει κόκκινες και πορτοκαλί. Κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία καίγεται με διαφορετική ταχύτητα και διαφορετικό τρόπο, εξ ου και παράγεται διαφορετικό χρώμα και ένταση στο φως.

Πώς προκύπτει ο ήχος

Το ηχητικό εφέ χρειάζεται φόρμουλα που να παράγει μεγαλύτερη ποσότητα αερίου, πολύ γρήγορα. Αν το άνοιγμα για την έξοδο του είναι μικρό, θα παράξει σφύριγμα. Το μέγεθος του ανοίγματος και η ταχύτητα του αερίου καθορίζουν τον ήχο που ακούμε, τελικά.

Το ‘μπαμ’ είναι το πιο εύκολο: χρειάζεται ενεργειακή φόρμουλα σε περιορισμένο χώρο, χωρίς άνοιγμα. Με την ανάφλεξη, η πίεση αυξάνεται, το πυροτέχνημα εκρήγνυται και προκαλεί το ξαφνικό ‘μπαμ’.