Entgiftung fürs Feuerwerk

Komplexes chemisches Zusammenspiel

Magdalena Rusan hat sich zum Ziel gesetzt, die wissenschaftliche Grundlage dafür zu schaffen, dass sich der Gehalt an umwelt- oder gesundheitsschädlichen Komponenten in Feuerwerkskörpern reduzieren lässt. Dabei setzt sie auf den Ersatz giftiger Metallsalze durch Verbindungen, die ähnliche Farbeffekte bewirken – aber schonender sind. „Damit solche Veränderungen gelingen, müssen wir zunächst die chemischen Prozesse, die in einer Feuerwerksrakete ablaufen, verstehen“, stellt die Münchner Forscherin fest. Doch das ist gar nicht so einfach und erfordert viel experimentellen Aufwand. „Es ist nicht so, dass man nur einen Stoff gegen einen anderen auszutauschen braucht – und schon hat man sein Ziel erreicht“, erklärt Rusan. „Denn eine Feuerwerksrakete besteht aus etlichen Komponenten, die wiederum gespickt sind mit vielerlei verschiedenen chemischen Substanzen.“ Und die reagieren nach dem Zünden des Feuerwerkskörpers auf komplexe Weise miteinander oder mit dem Sauerstoff der Luft. So dient in den meisten pyrotechnischen Produkten Schwarzpulver – ein Mix aus Kaliumnitrat, mitunter auch Natriumnitrat, speziell präpariertem Schwefel und gemahlener Holzkohle – als Treibladung, um die Rakete hochzujagen. Andere Bestandteile erzeugen dann die gewünschten Effekte wie leuchtende Farben, Pfeif- und Zischtöne oder funkelnde Sterne. Das Verständnis dafür, was dabei im Detail vor sich geht – und wie sich dieselben Effekte auf anderen chemischen Reaktionspfaden hervorrufen lassen –, beginnt im Labor. „Dort schauen wir uns zunächst einen speziellen Effekt an, etwa das Aufleuchten einer bestimmten Farbe beim Abbrennen der Rakete“, erläutert Rusan. Dazu untersuchen die Wissenschaftler die Reaktionen unterschiedlicher Stoffe unter verschiedenen Bedingungen.

Allerdings: „Für die Entwicklung eines funktionsfähigen Feuerwerkskörpers mit den gewünschten Eigenschaften müssen wir letztlich alle seine Bestandteile betrachten“, sagt die Chemikerin. „Tauscht man lediglich einen Stoff gegen einen anderen aus, zieht das unter Umständen eine Kaskade an Reaktionen nach sich, die zu neuen Verbindungen führen.“ Dadurch kann sich der vollständige Reaktionsverlauf im Inneren der Rakete verändern – „und am Ende kommt vielleicht etwas ganz anderes heraus als das, was wir erwartet haben“.

„Zwar gibt es inzwischen Computerprogramme, die versuchen, die chemischen Reaktionsketten zu modellieren und die Ergebnisse von Experimenten mit einer Vielzahl von Stoffen vorauszuberechnen“, berichtet Magdalena Rusan. „Doch diese Programme sind noch nicht so weit, dass wir verlässlich damit arbeiten könnten.“

Bor ist ein Stoff der Wahl

Dennoch gibt es erste Erfolge. So hat Magdalena Rusan herausgefunden, dass sich das grüne Leuchten eines Feuerwerks auch ohne Bariumverbindungen erzeugen lässt. Der Stoff, den die Münchner Forscherin dafür nutzt, ist Bor – ein Halbmetall, das etwa als Borcarbid ebenfalls grün verbrennt – aber zumindest deutlich weniger gesundheitsschädlich ist als die bislang gebräuchlichen Bariumsalze. Rusan sieht darin einen wichtigen Schritt hin zu schonenderen Feuerwerken.

Dasselbe gilt für die Entwicklung von Alternativen zu chlorhaltigen Substanzen. Auch sie kommen in vielen Feuerwerkskörpern zum Einsatz, denn Chlor verbessert deren Farbqualität. Vor allem Blau, das durch Kupfer entsteht, sowie Rot, das aus brennendem Strontium geliefert wird, erhalten ihren intensiven Farbcharakter erst durch das Mitwirken von Chlorsalzen an den chemischen Prozessen. Aber auch die bergen gesundheitliche Risiken: „Chlorhaltige Zusatzstoffe wie Kupferchlorid reagieren mit ebenfalls im Feuerwerkskörper enthaltenen organischen Stoffen zu Substanzen, die als krebserregend gelten“, sagt Rusan. Darunter sind etwa Dioxine und Chlor-phenole. Zudem kann Perchlorat, das als Oxidationsmittel und zum Erzeugen des blauen Lichtemitters eingesetzt wird, die Funktion der Schilddrüse stören.

Auch für dieses Problem fand Magdalena Rusan eine Lösung. Und die basiert auf Brom. Die Forscherin konnte zeigen, dass Bromsalze, sogenannte Bromide, als Beigabe in einer blau brennenden Kupferflamme die gleiche Wirkung haben wie die chemisch mit ihnen verwandten Chloride. „So kann Kupferbromid das bislang meist verwendete Kupferchlorid in blau leuchtenden Raketen adäquat ersetzen“, berichtet Rusan. Und auch dieser Tausch bringt klare Vorteile: „Das Weglassen von chlorhaltigen Verbindungen führt nicht zur Entstehung von polychlorierten, sondern zu polybromierten organischen Verbindungen, die nach dem aktuellen Forschungsstand nicht krebserregend sind.“

Indien drückt auf die Tube

Zu kaufen gibt es Feuerwerkskörper, die auf solchen gesundheitsschonenden Substanzen basieren, bisher nicht – zumindest nicht in Deutschland, wo es kaum gesetzlichen Druck für ihre Entwicklung gibt. Anders ist das in Indien: „Dort spielen Feuerwerke im öffentlichen Leben eine weitaus größere Rolle als im europäischen Kulturkreis“, stellt die Münchner Wissenschaftlerin fest. Die bunte Himmelsshow gibt es dort nicht nur zur Begrüßung des neuen Jahrs, sondern auch zu vielen anderen Feiern. Daher stammen viele Erkenntnisse über Gesundheitsgefahren von Feuerwerken von indischen Forscherteams – etwa Studien, die eine Zunahme von Asthmaerkrankungen nach häufigen Besuchen von Feuerwerksveranstaltungen belegen. Aus diesem Grund sind auch die Anforderungen an Hersteller von pyrotechnischen Produkten in Indien besonders streng. „Feuerwerkskörper, die als besonders schädlich gelten, dürfen dort mittlerweile nicht mehr verwendet werden“, berichtet Rusan.

Um auf dem Weg dorthin auch in Europa voranzukommen, strebt sie eine Zusammenarbeit mit hiesigen Unternehmen an – etwa mit der Firma Weco im nordrhein-westfälischen Eltorf, dem größten Pyrotechnik-Produzenten in Deutschland. Dabei sieht Rusan neben einer veränderten chemischen Zusammensetzung auch andere Möglichkeiten, um Feuerwerkskörper schonender für Mensch und Umwelt zu machen. So verwenden viele Hersteller inzwischen statt der früher üblichen Bestandteile aus Plastik solche aus Pappe. Oder sie setzen auf biologisch abbaubare Kunststoffe. Zudem ist es gelungen, wirkungsvollere chemische Rezepturen zu entwickeln, durch die sich dieselben Farbeffekte auch mit einer insgesamt geringeren Menge an chemischen Zusatzstoffen erzielen lassen.

Ob es irgendwann einmal gelingen wird, Feuerwerkskörper vollständig von allen kritischen Substanzen zu befreien, bezweifelt die Münchner Chemikerin Rusan. Den entscheidenden Hebel sieht sie ohnehin an einer anderen Stelle: „Welchen Schaden ein Feuerwerk anrichtet, hängt vor allem von einem vorsichtigen und verantwortungsvollen Umgang damit ab.“ ■