Die „Verschlimmbesserung“ einer Reaktion und deren dramatische Folgen

Wer kennt diese Bilder oder Videos nicht? Zerstörte Silo- und Hafenanlagen, der mit Meerwasser gefüllte Detonationskrater, geborstene Fensterfronten usw. – diese Bilder gingen um die Welt. Die Nachrichten brachten laufend neue Informationen und Schreckensbotschaften über enorme Schäden, Obdachlose, hunderte Verletzte, Vermisste und leider auch zahlreiche Tote. Es stellt sich natürlich die Frage, was im Hafen von Beirut wirklich passiert ist. Was hat diese katastrophale Detonation verursacht? Hätte man diese Katastrophe verhindern können oder sogar verhindern müssen? Wo bleiben die Prävention und die Maßnahmen der Unfall-Explosions-Detonationsverhütung? Wie stellt sich der Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen dar? Alle diese Fragen sollen nachfolgend im Detail erklärt und aufgelöst werden.

„Sprengexplosion“ oder „Raumexplosion“?

Bei der Detonation in Beirut handelte es sich eindeutig um eine „Sprengexplosion“, die ausschließlich durch Sprengstoff verursacht wurde und nicht durch Gase, Dämpfe, Nebel oder gar Stäube, die eine „normale“ Raumexplosion hervorrufen. Leider kommt es im Alltag und insbesondere in den Medien oft zu technisch und sachlich falschen Formulierungen. Wäre das Lager richtig zu kennzeichnen gewesen, hätte eine „explodierende Bombe“ und kein „EX im Dreieck“ auf die darin befindliche Gefahr hinweisen müssen (siehe Abbildungen). 

Lagerung und erlaubte Zusammenlagerungen – wie kam das „Zeug“ dorthin?

Jede Katastrophe hat mindestens eine, zumeist aber mehrere Ursachen. Bei Chemikalien sind die Lagerungs- bzw. Zusammenlagerungsbedingungen wesentliche Komponenten der Sicherheit. Die Vorgeschichte der Katastrophe: Im Jahr 2013 (nach den Informationen aus den Pressemeldungen) war das moldauische Frachtschiff „MV Rhosus“ auf dem Weg von Georgien nach Mosambik. Wegen verschiedener Mängel untersagten die libanesischen Behörden dem Frachtschiff die Weiterfahrt. Der Besatzung gingen Treibstoff und Proviant aus, der Inhaber gab das Schiff dann offenbar auf. Dem Kapitän und einigen seiner Besatzungsmitglieder wurde befohlen, an Bord zu bleiben. Die Crew erhielt erst nach einem juristischen Streit die Ausreisegenehmigung. Das am 4. 2. 2014 von den libanesischen Behörden beschlagnahmte Schiff blieb vorerst mit der Ladung im Hafen vor Anker. Erst später wurde die Ladung gelöscht und in einem Lagerhaus untergebracht. Das Schiff sank am 16. 2. 2018 an der Mole des Hafens Beirut, an der es seit 2015 vertäut gewesen war. 

Ein Foto aus dem Jahr 2014 zeigt den Kapitän mit einigen der 2.750 Säcke Ammoniumnitrat an Bord. Diese Verpackungen stimmen mit denen, die später in dem Lagerhaus gefunden und dort fotografiert wurden, sowie den Versandpapieren überein. Der Stoff ist dort angeblich sechs Jahre lang ohne jegliche Sicherheitsvorkehrungen gelagert worden. Die Untersuchungen ergaben, dass sowohl die Hafenverantwortlichen als auch die Behörden jahrelang untätig und nachlässig in Bezug auf die korrekte Lagerung des hochexplosiven Materials blieben und auch keine Sicherungsmaßnahmen veranlassten.

Die libanesische Justiz wurde im Zeitraum von Juni 2014 bis Oktober 2017 mindestens sechsmal von der Zollbehörde gewarnt und um Entscheidung (z. B. Export, Verkauf, Weitergabe ans Militär) gebeten, wie mit dem gelagerten Ammoniumnitrat umzugehen sei. Nach einer Inspektion, die rund sechs Monate vor der Katastrophe stattfand, warnte das Team sogar konkret vor einer Explosionsgefahr und der daraus möglicherweise resultierenden Katastrophe. Berichten zufolge sei auch schon in den Jahren vor der Explosion vor einer möglichen Detonationskatastrophe gewarnt worden. Diese Warnungen führten aber zu keinen Präventionsmaßnahmen.

Letztendlich waren und blieben die rund 2.750 Tonnen Ammoniumnitrat weiterhin „sorglos gelagert“. Es gibt zahlreiche Informationen, dass die Regierung (Premier und Präsident) von den Sicherheitsexperten mittels Bericht informiert wurde und darin umgehende Absicherungsmaßnahmen verlangt wurden. 

Da Naturgesetze weltweit, unabhängig von lokalen oder internationalen juristischen Vorschriften gelten, können diese auch nicht durch „finanzielle Motivation“ z. B. der Kontrollbehörden aufgehoben oder unwirksam gemacht werden. 

Der Ablauf der Katastrophe

Angeblich kam es durch den Funkenflug bei Schweißarbeiten (Schweißperlen können über 1.500 °C erlangen) zu einem Brand, der im Hafenlager 9 ausbrach und sich dann auf das Lagerhaus 12 ausbreitete. Es gibt zahlreiche Videos und Fotos, die Rauch zwischen den Silos und der Hafenmole zeigen, wobei am Boden auch immer wieder Funken zu sehen sind, die von den Zündungen der dort inkorrekt zugelagerten Feuerwerkskörper ausgelöst wurden. Die vielen Zündungen der Feuerwerkskörper erwärmten auch das daneben gelagerte Ammoniumnitrat, das sich in der Folge entzündete, was letztendlich, durch fast gleichzeitige Energieübertragung auf alle Moleküle, zur Sprengstoffdetonation führte. 

Evaluierung und Kontrolle

Grundsätzlich passieren Unfälle nicht einfach so, sondern werden verursacht. Unfälle haben nur selten eine einzige Ursache, sondern sind meist die Folge einer Reihe von Verkettungen unglücklicher Teilereignisse oder Zustände. Eine Lagerung von gefährlichen Stoffen hat sicher zu erfolgen. Daraus ergeben sich unumgängliche Vorgaben und resultierende Maßnahmen. Insbesondere sind bei sicherer Lagerung die Brand-, Explosions- und Gesundheitsgefahren zu berücksichtigen. Des Weiteren ist auf Genehmigungen, Bewilligungen, Vorschreibungen, Bauteilanforderungen, Statik, Brandschutzmaßnahmen, Löscheinrichtungen, Mengengrenzen, Füllhöhen, Lagerverbote, Zusammenlagergebote, Lagerorte, Stapelung, Verpackungen, Lagertemperaturen, Feuchtigkeit, Be- und Entlüftung, Dichtheit, Leckagen, Kennzeichnungen, Sicherheitsdatenblätter, Schutzbereiche, Ex-Zonen, Hygiene, Zutrittsbeschränkungen etc. zu achten. Selbstverständlich gehören die obigen Vorgaben regelmäßig auf ihre Einhaltung und Wirksamkeit kontrolliert. Bei Mängeln oder Fehlern sind unverzüglich Behebungsmaßnahmen zu setzen, da sonst eine Gefährdung zu erwarten ist. Bei der Lagerung von gefährlichen Stoffen ist somit eine erhöhte „Fürsorgepflicht“ an den Tag zu legen.

Maßnahmen des Brand-/Explosions-/Detonationsschutzes 

Bei der Lagerung von Stoffen, die besondere Gefährdungen wie z. B. Brand-, Explosions- oder Detonationsgefahren in sich bergen, sind zusätzliche Sicherheitsanforderungen zu beachten. Dies wirkt sich insbesondere auf Abstände der Lagerbehältnisse, Mengen, Zusammenlagerungen, Löschanlagen oder auf andere technische und organisatorische Maßnahmen aus. Werden dezidiert Sprengstoffe gelagert, so sind spezielle Bedingungen wie etwa ein „Flugdach, welches bei einer Detonation abhebt, dadurch nach oben entlastet und die Wände stehen lässt“ erforderlich. Jedenfalls ist es unumgänglich, sich der möglichen Gefährdung bewusst zu sein. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der zu lagernden Stoffe ergeben sich die unerlässlichen Anforderungen und Bedingungen für die Lagerung. 

Verbrennung/Oxidation: Wirkung hinsichtlich Druck- und Flammenfront 

Nimmt ein brennbarer Stoff Sauerstoff (O2 = Oxygenium) auf, so spricht man von Oxidation. Dieser Vorgang kann mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen: Bei langsamem Oxidieren spricht man auch von Rosten oder Gären, das ohne Lichterscheinung stattfindet. Steigt die Oxidationsgeschwindigkeit, kommt es zu einer „normalen“ Verbrennung, die mit Lichterscheinung abläuft. Bei weiterem Anstieg der Oxidationsgeschwindigkeit erfolgen Verpuffung, Deflagration und letztendlich Detonation. Die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten, Drücke, Wirkungen und Beispiele sind in Tabelle 1 dargestellt. 

Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion (= Redoxreaktion), bei der Elektronen von einem Reaktionspartner auf einen anderen Reaktionspartner übertragen werden. Der als Reduktionsmittel bezeichnete Partner (z. B. Wasserstoff) gibt Elektronen ab und wird dabei oxidiert. Der als Oxidationsmittel bezeichnete Partner (z. B. Sauerstoff) nimmt Elektronen auf und wird dabei reduziert. Die Reaktion läuft unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und Licht, also exotherm, ab. Eine Explosion ist ein physikalisch exponentiell verlaufender Vorgang, der mit dem Freisetzen von großen Energiemengen einhergeht, die in einem sehr kurzen Zeitintervall freiwerden, und der mit Druck- und Temperaturerhöhung sowie Bewegungsenergie verbunden ist. Als Verpuffung bezeichnet man Explosionen, die mit geringem Druckanstieg (= atmosphärische Deflagration) ablaufen. Breiten sich Explosionen mit Unterschallgeschwindigkeit aus, so spricht man von Deflagrationen. Explosionen, die sich mit Überschallgeschwindigkeit (Schall breitet sich in Luft mit ca. 340 m/s, d. h. rund 1.200 km/h aus) ausbreiten, werden Detonationen genannt. Diese bilden eine Stoßwelle aus. Bei der stabilen Detonation werden Ausbreitungsgeschwindigkeiten von bis zu 2.000 m/s (= 2 km/s) erreicht. Das Entstehen und Ausbreiten des Druckes erfolgt immer vor dem Ausbreiten der Flammenfront. Das bedeutet, dass immer zuerst der Druck „Schaden“ anrichtet und erst danach die Flammen ihre Wirkungen zeigen und letztendlich der Trümmerflug z. B. durch Bauteilversagen weitere Katastrophen verursacht. Zusätzlich besteht die Gefahr, vom Lagergut geschädigt oder gar getötet zu werden, wenn Personen von diesem erdrückt werden oder dies zum Ersticken führt.

Zerstörungswirkung 

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den auftretenden Drücken und deren Wirkungen:

Um eine bessere Vorstellung der Druckdimension zu bekommen, muss man wissen, dass 0,1 bar Druck einer Masse (Gewicht) von 1.000 kg auf den Quadratmeter entspricht (0,1 bar entspricht 1 t/m²). Das bedeutet, dass eine Masse von 1 Tonne (z. B. wäre das bei Wasser dann ein Volumen von 1 m³) auf einen Quadratmeter wirkt. Neben Sprengstoffexplosionen und Sprengstoffdetonationen gibt es auch Explosionen und Detonationen, die durch Gas-, Dampf-, Nebel- oder Staub-Luft-Gemische verursacht werden. Diese waren jedoch in Beirut nicht die Ursachen der Katastrophe. Bei Erdgasexplosionen entstehen Drücke bis zu ca. 7,2 bar, bei Explosionen, die durch Holzstäube verursacht werden, können Drücke von bis zu 8–9 bar entstehen. Staubexplosion erzeugen Explosionsdrücke von maximal 10 bar. Leichtmetallstäube (z. B. Aluminium, Magnesium) erreichen bei Explosion sogar Drücke von bis zu 12 bar oder gar 13 bar. In geschlossenen Räumen liegt der maximale Explosionsdruck von kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen (KW) Brennstoffen bei rund 10 bar, wobei die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit für Kohlenwasserstoffe etwa im Bereich von 0,5 m/s und bei Wasserstoff etwa bis 2,5 m/s liegt.

Wie können sich Menschen vor Explosionen und Detonationen schützen?

Grundsätzlich ist man auf eine ehrliche Prävention angewiesen. Mit Alibimaßnahmen oder Fantasiepapieren lässt sich eine Katastrophe nicht verhindern. Das bedeutet, dass vor dem möglicherweise stattfindenden Ereignis bereits alle Schutz- und Sicherungsmaßnahmen getroffen und eingehalten wurden bzw. werden müssen. 

Der olympische Gedanke: „Dabei sein ist alles“ gilt weder für Explosionen noch für Detonationen. Das Gegenteil ist der Fall, denn ausreichende Distanz (bzw. „rechtzeitiger Vorsprung“) von der Explosions- oder Detonationsquelle ist der sicherste Schutz. Je größer der Abstand zur Quelle ist, desto höher ist auch die Chance, eine Explosion oder Detonation unbeschadet zu überstehen. Beim Vergleich der Detonationsgeschwindigkeiten erkennt man spielend die Notwendigkeit des Abstandes! Bei Schwarzpulver ist mit Detonationsgeschwindigkeiten von 300 bis 600 m/s, bei Ammoniumnitrat von 2.500 m/s und bei TNT (Trinitrotoluol) von 6.700 m/s bis über 7.000 m/s zu rechnen.

Welcher Stoff verursachte die Detonation in Beirut? (Chemismus)

Das Verhalten von Stoffen unterliegt immer den Naturgesetzen und ist weder von Wunschdenken noch von Hoffnung, Glauben oder gar vom politischen Willen oder Spargedanken beeinflussbar. Auch „finanzielle Motivation“ bzw. Korruption verändert die Naturgesetze nicht, auch wenn sich das so manche wünschen würden. Alle Quellen zur Detonation von Beirut gehen von 2.750 Tonnen Ammoniumnitrat aus. Ammoniumnitrat (chem. Formel NH4NO3) ist das Salz aus Ammoniak (NH3) und Salpetersäure (HNO3). Es wird durch eine Synthese (chemische Reaktion) von Ammoniak (giftiges Gas) mit Salpetersäure (ätzend, oxidativ, giftig) hergestellt (Haber-Bosch-Verfahren). Die Reaktionsgleichung lautet: 

NH3 + HNO3  NH4NO3. 

Ammoniumnitrat liegt in fester Form als weißes, geruchloses Pulver/Kristalle vor und ist selbst nicht brennbar. Durch den hohen Sauerstoffanteil wirkt es brandfördernd (H 272: kann Brände verstärken; Oxidationsmittel) (Kennzeichnung siehe Abbildung 5).

Ammoniumnitrat wird sowohl zur Herstellung von „ungefährlichen“ Düngemitteln als auch für die Herstellung von Sprengstoffen verwendet. Überwiegend wird Ammoniumnitrat als Bestandteil von künstlichen Düngemitteln (z. B. Blaukorn) eingesetzt, da Stickstoff (N) als wichtiger Nährstoff das Pflanzenwachstum enorm fördert. 

Wie reagiert dieser Stoff bei Wärmeeinwirkung und Alterung?

Ammoniumnitrat gilt als brandfördernd (siehe Kennzeichnung). Es reagiert jedoch bei höheren Temperaturen, bei Erhitzen und auch durch Alterung explosionsartig und führt zu einer Detonation, die Katastrophen verursacht (siehe Kasten auf Seite 18 und unten). Diese gefährliche Eigenschaft ist längst und allgemein bekannt. Daher erfordert Ammoniumnitrat stets einen gewissenhaften Umgang. Ammoniumnitrat reagiert bei seiner Umsetzung beziehungsweise (Selbst-)Zersetzung extrem heftig, was auch seine Brisanz ausmacht. Durch das intrinsische Vorhandensein von Sauerstoff wird die Verbrennung zusätzlich zur Umgebungsluft gefördert. Die „Initialzündung“ läuft gemäß folgender Reaktionsgleichung ab: 

2NH4NO3  2N2 + O2 + 4 H2O.

Die enorme Sprengkraft erklärt sich aus dem raschen und gleichzeitigen Freiwerden von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf, welche gemeinsam eine prompte Volumenvergrößerung, extrem raschen Druckanstieg und immense Feuererscheinung verursachen. Die bei der Reaktion und vollständigen Umsetzung des Ammoniumnitrats entstandenen nitrosen Gase und andere toxische Verbrennungsprodukte der „Giftgaswolke/Rauchpilz“ sind keinesfalls unbedenklich. 

Welche Energien werden bei der Umsetzung von rund 2.750.000 Kilogramm Ammoniumnitrat freigesetzt?

Bei Explosivstoffen kommt es auf die Leistung bzw. die Energiefreisetzung pro Zeit an. Die Brisanz unterschiedlicher Sprengstoffe wird durch Korrekturfaktoren berücksichtigt. Diese Werte erhält man durch den Vergleich der Impuls- bzw. Druckwellen, die ein Sprengstoff im Vergleich zu TNT (Trinitrotoluol) erzeugt. Das „TNT-Äquivalent“ ist die gebräuchliche Maßeinheit für die bei einer Explosion/Detonation freiwerdende Energie. Es wird 1 cal als Basis genommen und das Energie-Äquivalent einer Kilotonne TNT definiert als: 

1 × 1012 cal = 4,184 × 1012 J  106 cal/kg = 4,184 × 106 J/kg = 4,184 MJ/kg, d. h., 1 kg TNT entspricht einer Energiefreisetzung von 4,184 MJ. Somit entspricht 1 kT (Kilotonne TNT) = 4,184 × 1012 J oder 1,162 GWh (Gigawattstunden) an Energie. Den sich daraus ergebenden Umrechnungsfaktor für Sprengstoff zeigt Tabelle 3.

Für Holz ergäbe sich ein Vergleichswert nahe Null, obwohl Holz die vierfache Energiedichte von TNT aufweist, da die „Sprengkraft“ von Holz naturgemäß sehr gering ist, d. h., die Energiefreisetzung pro Zeit von Holz ist sehr gering. 

Ammoniumnitrat weist ein TNT-Äquivalent von etwa 0,5 auf. Somit hat TNT eine doppelt so „starke Wirkung“ oder, besser gesagt, Brisanz wie Ammoniumnitrat. Die Sprengkraft des Ammoniumnitrats in Beirut, so die Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), erreichte immerhin eine Stärke von bis zu 1.100 Tonnen TNT-Äquivalent, was die extreme Zerstörungswirkung nachvollziehbar macht. 

Was waren die Folgen? Wie sieht die Schadensbilanz aus?

Diese Beiruter Sprengexplosion/Detonation fand während der Hauptverkehrszeit (gegen 18 Uhr Ortszeit) statt. In nur wenigen Sekunden wurden nicht nur der Hafen und nahe stehende Gebäude, sondern weite Teile der Stadt vollständig oder teilweise zerstört. Alle Fensterscheiben in einer Entfernung von der Detonationsquelle bis zu 2 km und weiter gingen zu Bruch. Sogar in 20 km Entfernung zerstörte die Druckwelle noch Fenster. Im Umkreis von rund 5 km um die Detonationsquelle lebten mehr als 2 Mio. Einwohner schutzlos und ohne von der Gefährdung zu wissen. 

Die Erschütterungen durch die zwei Detonationen wurden weltweit registriert. Ein direkter Vergleich mit den Wirkungen von Erdbeben ist nicht zulässig, da sich Erdbeben unter der Erdoberfläche ereignen. Die Erschütterung wurde im nördlichen Israel (ca. 50 km) und sogar im 240 km entfernten Zypern wahrgenommen. Viele Fotos und Videoaufnahmen belegen eine schwere Verwüstung ganzer Stadtteile. Im Hafen von Beirut wurden mehrere Frachtschiffe schwer beschädigt und das Kreuzfahrtschiff „Orient Queen“ (bis 2012 „Vistamar“ genannt) kenterte am Tag darauf. Die Explosion hievte sogar den 50 m langen Tanker „Amadeo II“ auf die Kaianlagen.

Nach Informationen der UNESCO wurden etwa 8.000 Gebäude beschädigt. Dies betraf auch über 600 historische Gebäude, wobei ca. 60 davon einsturzgefährdet waren. Eine unglaubliche Menge von bis zu 300.000 Menschen – das entspricht knapp der Bevölkerung der Stadt Graz, fast 2 × Salzburg, 3 × Klagenfurt, 5,5 × St. Pölten – wurde mit einem Schlag obdachlos. Die Hotels waren zu etwa 90 % beschädigt. Laut Schätzungen beläuft sich der entstandene Sachschaden auf über 4 Mrd. Euro. Die rund 15.000 Tonnen Getreidevorräte, die sich in den nahegelegenen Silos/Speichern befanden, wurden kontaminiert und dadurch unbrauchbar. Auch bei den Infektionszahlen durch COVID-19 kam es in der Folge zu erhebliche Steigerungen.

Nach der Detonation machten die Demonstranten die libanesische Regierung für die Explosions-Katastrophe sowie für die wirtschaftliche und politische Krise im Land verantwortlich. Am 10. August 2020 trat die libanesische Regierung aufgrund von Massenprotesten zurück.  Letztendlich forderte die Katastrophe neben politischen Opfern rund 200 Todesopfer, ca. 110 vermisste Personen (Stand eine Woche nach dem Ereignis) und mehr als 6.500 unschuldige Verletzte sowie ca. 300.000 Obdachlose.

Zusammenfassung

Bei der Detonation in Beirut handelte es sich eindeutig um eine „Sprengexplosion“, die ausschließlich durch Sprengstoff und nicht durch Gas-, Dampf-, Nebel- oder Staub-Luftgemische, verursacht wurde. Es fällt schwer, feststellen zu müssen, dass alle Gefährdungen, die zu dieser epochalen Katastrophe geführt haben, schon ausreichend bekannt waren und daher auch diese Katastrophe wirklich zu verhindern gewesen wäre. Leider erwecken diese Erkenntnisse keine Verstorbenen zum Leben, heilen keine Wunden, errichten kein Obdach, bringen nicht die Güter wieder usw. … doch sollte diese Erkenntnis künftig zu mehr Sicherheit und Gesundheit beitragen. Hier wird wieder deutlich, dass Wissen um die Gefährdungen, eine aufrichtige Evaluierung und das Setzen von wirksamen Maßnahmen immer präventive Wirkungen haben und dadurch Katastrophen verhindern könnten.