Chińskie poszukiwania eliksiru nieśmiertelności doprowadziły do wynalezienia prochu czarnego. Od nitrogliceryny poprzez dynamit i inne wynalazki Alfreda Nobla, do trotylu, aż po heksogen, oktogen i HNIW – historię materiałów wybuchowych przedstawił w ramach Festiwalu Nauki prof. dr hab. inż. Radosław Trębiński z Wojskowej Akademii Technicznej.

Jak tłumaczył ekspert z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT, historia materiałów wybuchowych rozpoczęła się przewrotnie. Oto chińscy alchemicy w VIII wieku poszukiwali na zlecenie cesarza eliksiru nieśmiertelności. Wynaleźli substancję o wręcz przeciwnym działaniu. A otrzymali ją mieszając siarkę, saletrę potasową i węgiel drzewny. Węgiel nadawał mieszaninie kolor, stąd pierwszy materiał wybuchowy nazwano prochem czarnym.

PROCH CZARNY – WOJENNY „MONOPOLISTA” PRZEZ 11 WIEKÓW

Przez pierwsze trzy wieki Chińczycy napełniali nim petardy mające odstraszyć złe duchy. W XI wieku zastosowali go w działaniach wojskowych, wówczas powstała pierwsza w świecie wytwórnia materiałów wybuchowych. Pierwszą „ognistą lancą” był wydrążony pień bambusa, który wypełniano prochem czarnym i pociskami.

W Europie skład prochu czarnego uważano za wiedzę tajemną. Skład podany w XII w. przez mnicha Rogera Bacona różni się od współczesnego tym, że było w nim mniej saletry, której cena dorównywała wówczas cenie srebra. Początkowo proch wyrabiano rozdrabniając składniki i mieszając je w moździerzu. W XV wieku zaangażowano do tego drewniane stemple. W XVIII wieku opracowano metodę wyrabiania ciasta prochowego w młynach prochowych.

Do celów wojskowych w Europie proch wykorzystano od XIV wieku. W 1325 w angielskiej literaturze ukazały się ilustracje przedstawiające armatę napełnianą prochem czarnym. Zapłon prochu powodowano rozgrzanym do czerwoności metalowym prętem. Początkowo armaty strzelały kulami kamiennymi. W XVII wieku wprowadzono wybuchowe pociski. Były to metalowe skorupy wypełniane czarnym prochem, do tego dołączano lont, który powodował wybuch. Proch pełnił rolę zarówno materiału napędzającego pociski, jak i kruszącego, który rozrywał skorupę pocisku.

Od XIV wieku datuje się też zastosowanie prochu w ręcznej broni palnej. Pierwsze strzelby strzelały na ok. 50 m, a łucznicy strzelali z 200 m. Musiały upłynąć trzy wieki, zanim broń palna wyparła łuki z pól bitewnych. Wadą prochu czarnego było wydzielanie się gęstego, duszącego dymu w czasie jego spalania. XVII-XIX wieczne pola bitewne były zasnute dymem.

W inżynierii w XVI wieku zastosowano proch w celach inżynieryjnych. Na dużą skalę proch został zastosowany we Francji, przy budowie i pogłębianiu Kanału Langwedockiego, który połączył Morze Śródziemne z Oceanem Atlantyckim. Proch wykorzystywano też od XVII wieku w górnictwie. Technologia nie była jednak doskonała i wiele zależało od przypadku – górnicy ginęli podczas przedwczesnego wybuchu.

NITROGLICERYNA – NOWA ERA MATERIAŁÓW WYBUCHOWYCH

W 1847 włoski chemik otrzymał substancję, która zapoczątkowała zmierzch prochu czarnego. Działał on mieszaniną kwasu azotowego i siarkowego na glicerynę. Oleista ciecz nazwana została nitrogliceryną. W nitroglicerynie zarówno paliwo, jak i utleniacz znajdują się w jednej cząsteczce chemicznej. Po zainicjowaniu wybuchu rozprzestrzenia się fala uderzeniowa, która momentalnie spręża i podgrzewa nitroglicerynę. Cząsteczka nitrogliceryny rozpada się, a jej części reagują ze sobą. W milionowych częściach sekundy następuje przemiana materiału wybuchowego w gazowe produkty wybuchu. Proces ten nazywany jest detonacją od łacińskiego słowa tonare co znaczy „grzmieć”. Efekt wybuchu nietrogliceryny jest znacznie silniejszy, niż dawał proch czarny.

Nitrogliceryna z jednej strony jest trudna do pobudzenia, a z drugiej - bardzo wrażliwa na wstrząs. Wybudowana w 1865 roku w Niemczech największa wówczas wytwórnia nitrogliceryny wybuchła w rok po wybudowaniu. Odbudowano ją, ale 4 lata później sytuacja się powtórzyła. Wypadki związane z nitrogliceryną prowadzą do postaci Alfreda Nobla – w 1864 tak zginął jego najmłodszy brat. Alfred Nobel miał więc osobiste powody aby ujarzmić kapryśną naturę nitrogliceryny – wyjaśniał prof. Trębiński.

Nobel zastosował wybuch prochu czarnego jako pewny sposób na pobudzenie nitrogliceryny. Tak powstał pierwszy zapalnik. W obecnych czasach używa się w zapalnikach innych substancji – materiałów wybuchowych inicjujących.

DYNAMIT, BAWEŁNA STRZELNICZA I PROCH BIALY

Drugi wielki wynalazek Nobla przyniósł mu wielki majątek, z którego do dziś finansowane są nagrody naukowe. Była to plastyczna substancja zdolna do detonacji. Była znacznie mniej wrażliwa – Nobel nazwał ją dynamitem od greckiego słowa dynamis oznaczającego siłę. W rok po tym odkryciu w fabrykach Nobla wyprodukowano 11 ton dynamitu. 10 lat później - w 16 fabrykach produkowano 5 tys. ton dynamitu rocznie. Wyparł on proch czarny z użycia w inżynierii cywilnej i w górnictwie.

Dynamit nie mógł być jednak użyty do miotania pocisków, ponieważ wówczas armaty i karabiny byłyby sprzętem jednorazowego użytku. Niemiecki chemik Schoenbain odkrył substancję, która z czasem wyparła czarny proch jako miotający materiał wybuchowy. Działał on mieszaniną kwasu azotowego i siarkowego na włókna bawełniane. Tak powstała bawełna strzelnicza, wykorzystywana potem w minach i torpedach. Francuski chemik Paul Vielle przekształcił ją w dobry materiał prochowy. Tak powstał proch biały, plastyczny, który łatwo dało się formować w ziarna prochowe.

Kolejnym wynalazkiem Nobla był proch nitroglicerynowy. Mieszając nitroglicerynę z wynalazkiem Shoenbeina otrzymał ciasto prochowe, które jak proch biały dało się formować w ziarno prochowe. Patent Nobla obeszli Anglicy Fryderyk Abel i James Dewar, używając innej formy bawełny strzelniczej. Nowy proch nazwano prochem sznurowym. Do jego produkcji wykorzystywano maszyny do produkcji makaronu, z których proch wychodził w postaci sznura. Proch biały, proch nitroglicerynowy i proch sznurowy są produkowane do dzisiaj. W latach 70 XX wieku zaczęto rozwijać nowe rodzaje prochów mieszając silne materiały wybuchowe z plastyczną substancją. Nazywane są prochami kompozytowymi.

Czwarty wynalazek Nobla dał światu substancję o charakterze galaretki – żelatynę wybuchową. Ze względu na konsystencję łatwo ją było ładować do otworów skałowych przy kruszeniu twardych skał.

TROTYL I CO DALEJ

Z materiałów, które ostatecznie wyparły proch czarny z pocisków wybuchowych pierwszym był kwas pikrynowy. Z początku był on używany jako barwnik do barwienia tkanin. Od końca XIX w. we Francji i w Anglii zaczęto go stosować w pociskach.

Kolejny niemiecki chemik Willbrand odkrył trotyl. Stopiony trotyl można było nalewać do skorup pocisków wybuchowych. Trotyl nie oddziaływał z metalową skorupą pocisku, a kwas pikrynowy powodował jej korozję i należało ją lakierować od wewnątrz.

Od końca XIX w. znano już materiały wybuchowe silniejsze od trotylu – pentryt i heksogen. Do ich produkcji potrzebna była duża ilość alkoholu metylowego. Dlatego znalazły zastosowanie dopiero w czasie II Wojny Światowej w działaniach dywersyjnych, szczególnie w postaci tzw. „plastiku”. Składnikiem „plastiku” są oleje roślinne.

Mimo, że historia materiałów wybuchowych nieodłącznie wiąże się z historią działań wojennych, to tylko nikły procent wykorzystania takich materiałów w porównaniu do celów przemysłowych. W przemyśle wymagany jest niski koszt produkcji i mała wrażliwość materiałów – taka, aby można było je bezpiecznie transportować. Ideałem byłby materiał złożony z niewybuchowych składników mieszanych tuż przed strzałem. Takie warunki spełnił m.in. łamacz skał - chloran potasu z nitrobenzenem. Ten i inne materiały wytwarzane na miejscu w kopalniach stały się popularne w górnictwie. Z czasem pojawiły się saletrole będące mieszaniną popularnego nawozu z olejem silnikowym, potem zastąpiły je materiały zawiesinowe, potem emulsyjne, które można sporządzać na miejscu w kopalni i nalewać do otworu strzałowego.

Obecnie największą siłę wybuchu daje materiał o skrócie HNIW. Powodowane przezeń ciśnienie wybuchu jest trzy razy większe od ciśnienia wybuchu trotylu.

***

Wykład prof. Trębińskiego odbył się online 20 września w ramach lekcji festiwalowych 25. Festiwalu Nauki w Warszawie.

Karolina Duszczyk

PAP – Nauka w Polsce (źródło informacji: https://naukawpolsce.pap.pl)

kol/ ekr/