Feuerwerke werden seit Tausenden von Jahren gezündet. Wie werden die verschiedenen wunderschönen Muster und schockierenden Soundeffekte erzielt?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Zhen (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Feuerwerke haben in meinem Land eine lange Geschichte. Die Alten verwendeten anschauliche Verse wie „Der Ostwind bläst Tausende von Blumen in der Nacht und bläst sie wie Sternenregen herunter“, um die Pracht eines Feuerwerks zu beschreiben.

Heutzutage zündet man auch Feuerwerkskörper, um große Ereignisse oder wichtige Feste zu feiern. Jedes Mal, wenn ein Feuerwerk gezündet wird, ist es ein doppeltes Fest der Augen und Emotionen.

Menschen, die Feuerwerk beobachten

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Tatsächlich werden diese wunderschönen Muster und ständig wechselnden Soundeffekte alle im Voraus entworfen und mithilfe der Technologie realisiert! Heute wollen wir uns mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen zur Gestaltung von Feuerwerken befassen.

In meinem Land gab es das erste Feuerwerk in der Tang-Dynastie!

Die Geschichte des Feuerwerks lässt sich bis in die Tang-Dynastie im 9. Jahrhundert n. Chr. zurückverfolgen, als Feuerwerk dazu verwendet wurde, böse Geister abzuwehren und um Glück zu beten. In der Song-Dynastie wurden Feuerwerke zunehmend auch für Feste und Unterhaltungszwecke eingesetzt und die Technologie zur Herstellung von Feuerwerkskörpern begann sich zu entwickeln. Die Formen des Feuerwerks beschränkten sich nicht mehr nur auf einfache Knallkörper, sondern es kamen Feuerwerke in verschiedenen Formen und leuchtenden Farben auf. Während der Ming- und Qing-Dynastien verbesserte sich die Handwerkskunst der Feuerwerke immer weiter und allmählich wurden sie zu einem wichtigen Bestandteil der Feierlichkeiten der königlichen Familie und des Adels. Es wurde auch häufig bei Festen wie dem Frühlingsfest und dem Laternenfest verwendet.

Mit der Weiterentwicklung der Feuerwerkstechnologie hat sich das Feuerwerk nach und nach in alle Teile der Welt verbreitet und ist zu einem Höhepunkt globaler Festivals und Feierlichkeiten geworden. Feuerwerke haben sich von einem traditionellen chinesischen Fest zu einer Weltbühne entwickelt und sind zu einer wunderbaren Kunst geworden, die historische Kultur mit moderner Technologie verbindet.

Druck „Feuerwerk im Hermiseum“ des böhmischen Künstlers Wenceslaus Hollar

(Erstellungsdatum: ca. 1625–77)

(Bildnachweis: Metropolitan Museum of Art)

Wie entstehen moderne Feuerwerkskörper in verschiedenen Formen?

Moderne Feuerwerkskörper sind in der Lage, bei der Explosion präzise eine Vielzahl wunderschöner Formen zu erzeugen. Diese Formen entstehen durch die genaue Berechnung und Gestaltung der Ladungs- und Sternanordnung im Feuerwerk. Sterne sind kleine Partikel aus verschiedenen Metallsalzen, Oxidationsmitteln, Schießpulver usw., die beim Aufblühen die Form und Farbe von Feuerwerkskörpern bestimmen. Die Herstellung jedes Sterns erfordert präzise chemische Verhältnisse, um sicherzustellen, dass er bei der Explosion die gewünschte Wirkung erzielt. Sterne sind daher nicht nur die Quelle großartiger Feuerwerksdarbietungen, sondern auch die Essenz der Feuerwerkskunst. Wenn das Feuerwerk in den Himmel geschossen wird, kann der durch die Schießpulverexplosion erzeugte Schub die Sterne in die vorherbestimmte Richtung drücken, wodurch die Sterne in alle Richtungen auseinanderdriften und so eine Vielzahl wunderschöner Muster in der Luft entstehen.

Durch die präzise Anordnung der Schießpulversäcke und das Einstellen der Verzögerungszünder können die Feuerwerkskörper beispielsweise mitten in der Luft explodieren und fantastische Muster wie Sterne und Blumen bilden, als würden sie ein wunderschönes Bild in den Nachthimmel zeichnen.

Drei Möglichkeiten, Feuerwerkskörper auszulegen

(Bildquelle: Wikipedia)

Einige Feuerwerkskörper nutzen Schießpulver als Antrieb und können wie fliegende Sterne in der Luft rotieren, was ein dynamisches visuelles Erlebnis bietet. Das Feuerwerk zuckte wie Sternschnuppen über den Nachthimmel und erleuchtete im Nu den gesamten Himmel. Die Formgestaltung und der Zündzeitpunkt von Feuerwerkskörpern sind wie ein Pinsel in der Hand eines Künstlers, der bewegte Bilder des Nachthimmels skizziert.

Die interne Anordnung von Feuerwerkskörpern

(Bildquelle: Wikipedia)

Wie werden all die brillanten Farben erreicht?

Feuerwerke sind seit der Antike wegen ihrer leuchtenden Farben beliebt. Diese Farben entstehen nicht zufällig, sondern sind das Ergebnis eines physikalischen Phänomens namens Flammenfarbreaktion .

Wenn am Nachthimmel leuchtende Farben aufblühen, ist dies das Ergebnis von in Flammen tanzenden Metallatomen. Insbesondere wenn verschiedene Metallelemente in einer Flamme erhitzt werden, absorbieren die Elektronen in den Metallatomen die Wärme und springen wie springende Elfen auf höhere Energieniveaus. Bei sinkender Temperatur springen Elektronen von hohen Energieniveaus auf niedrige Energieniveaus und setzen dabei Energie frei, die sich in Form von Licht unterschiedlicher Wellenlängen äußert. Unterschiedliche Wellenlängen des Lichts entsprechen in unseren Augen unterschiedlichen Farben und durch diese Reaktion entstehen die Farben von Feuerwerkskörpern.

Flammenfarbreaktionen unedler Metalle

(Fotoquelle: Science Hut)

Um Feuerwerkskörper in verschiedenen Farben zu erzeugen, fügen Feuerwerksdesigner ihnen verschiedene Metalle oder Metallsalze hinzu, beispielsweise Kaliumsalze für Lila, Natriumsalze für Gelb usw. Bei einigen Spezialfeuerwerkskörpern wird auch die Reihenfolge des brennenden Schießpulvers und die räumliche Position der Metallsalze kontrolliert, um Feuerwerkskörper zu erzeugen, die mit der Zeit verschiedene Farben oder Farbverläufe annehmen.

Gleichzeitig müssen Feuerwerksdesigner auch die Zusammensetzung des Schießpulvers anpassen, um Temperatur und Brenngeschwindigkeit zu kontrollieren. Je höher die Temperatur, desto intensiver die Anregung der Metallelemente und desto heller die Farbe; Auch die Oxidations- und Brennstoffbestandteile im Arzneimittel beeinflussen die Farbe der Flamme. Daher sind die Farben eines Feuerwerks nicht einfach physikalische Phänomene, sondern die künstlerische Kristallisation der präzisen Vermischung von Physik und Chemie.

Schöne bunte Farben nach der Feuerwerksexplosion

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Können Sie auch die hohen oder tiefen Soundeffekte gestalten, wenn Feuerwerkskörper explodieren?

Heutzutage beschränken sich Feuerwerke nicht mehr nur auf visuelle Effekte, auch der Ton ist zu einem wichtigen Teil der Feuerwerkskunst geworden. Bei großen Festivals und Feuerwerken werden Ton und Bild oft synchronisiert, wodurch ein atemberaubendes visuelles und akustisches Erlebnis entsteht.

Der Lärm von Feuerwerkskörpern entsteht hauptsächlich durch die Explosion von Schießpulver. Bei einer Explosion von Schießpulver wird eine große Menge Gas freigesetzt, das sich im Moment der Explosion heftig ausdehnt und eine sich nach außen ausbreitende Druckwelle erzeugt. Wie ein riesiger Wassertropfen, der in den See fällt, breiten sich die Wellen, die er aufwirbelt, schnell in alle Richtungen aus. Das „Boom“-Geräusch, das wir hören, ist das Ergebnis der plötzlichen und drastischen Änderung des Luftdrucks.

Bei modernen Feuerwerkskörpern kann die Tonhöhe durch Anpassung des Verhältnisses von Metallsalzen und anderen chemischen Bestandteilen im Schießpulver gesteuert werden, um die Expansionsgeschwindigkeit und den Druck des bei der Explosion entstehenden Gases zu verändern. Die Verwendung verschiedener Metallsalze (wie Aluminium, Barium oder Zirkonium) ist wie das Hinzufügen verschiedener Töne zu einer Musiknote. Es kann die Geschwindigkeit der Verbrennungsreaktion und die Art und Weise der Gasausdehnung beeinflussen und die Frequenz der Explosion anpassen, sodass sie höher oder tiefer klingt.

Auch die Gestaltung der Feuerwerkskörpergehäuse spielt für die Soundeffekte eine entscheidende Rolle. Die Hüllen moderner Feuerwerkskörper bestehen meist aus Materialien wie Papier, Aluminiumfolie oder Metallfolie. Unterschiedliche Designs können die Ausbreitung und Klangqualität von Schall beeinflussen. Beispielsweise kann eine harte Schale (wie etwa eine Stahlschale) ein stärkeres Explosionsgeräusch verursachen, das so ohrenbetäubend ist wie Donner, während eine weiche Schale (wie etwa eine Papierschale) das Explosionsgeräusch dumpfer und tiefer macht.

Moderne Feuerwerke bestehen nicht nur aus einfachen Explosionen und Feuerwerken, sondern beinhalten fundierte wissenschaftliche Prinzipien und anspruchsvolle Designkunst. Jedes Feuerwerk ist eine perfekte Kombination aus Chemie, Physik und Kunst. Wenn wir die wissenschaftlichen Prinzipien verstehen, die dahinter stehen, können wir nicht nur die Schönheit von Feuerwerken besser wertschätzen, sondern auch die unendlichen Möglichkeiten spüren, die Wissenschaft und Technologie mit sich bringen. Bei zukünftigen Feuerwerken wird es sicherlich ein noch prächtigeres und beeindruckenderes audiovisuelles Fest geben.