Die Explosion des „Wasserstoffballons“ ist entsetzlich, aber wer auf Physik und Chemie auf dem Schulweg ist, weiß, dass nicht der Wasserstoff schuld ist!

Am Silvesterabend, dem 31. Dezember 2024, ging ein herzzerreißendes Video eines plötzlich explodierenden Wasserstoffballons viral. Dem offiziellen Bericht zufolge explodierte ein von einem Bürger mitgebrachter Wasserstoffballon am Wanda Plaza im Yangshan New District der Stadt Xinyang in der Provinz Henan. Einige Menschen erlitten vor Ort leichte Verbrennungen. In der offiziellen Mitteilung heißt es außerdem: „Wasserstoff ist ein brennbares und explosives Gas. Wasserstoffballons können explodieren, wenn sie offenem Feuer, statischer Elektrizität usw. ausgesetzt werden. Die Verwendung und der Verkauf von Wasserstoffballons an Orten mit vielen Menschen birgt ein größeres Risiko.“ Tatsächlich gibt es häufig Warnungen, die das Steigenlassen von Wasserstoffballons verbieten. Wurde das Phänomen vor Ort tatsächlich durch „Wasserstoffballons“ verursacht? Warum kam es zu der Explosion?

Verfasst von Li Cunpu (Nationales Schlüssellabor für spezielle chemische Energiequellen, Professor an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Universität Chongqing)

Am Silvesterabend 2024 kursierte in den Moments- und WeChat-Gruppen vieler Leute ein Video, das eine Menschenmenge zeigt, die sich um einen „Wasserstoffballon“ kämpft, der plötzlich explodiert. In diesem nur 10 Sekunden langen Videoclip drängen sich mehrere Menschen in dicker Winterkleidung um zwei Gruppen bunter Luftballons, die eine festliche Atmosphäre verbreiten. In der 9. Sekunde des Videos schoss eine gelbe Flamme heraus und entzündete in weniger als einer Sekunde zwei Ballongruppen, woraufhin das Bild plötzlich stoppte.

An diesem ruhigen und friedlichen Silvesterabend kam es in der Menge zu einer Explosion, die bei den Internetnutzern, die das Video sahen, Besorgnis um die Sicherheit der Menschen vor Ort auslöste.

Abbildung 1: In der ersten Sekunde des Video-Screenshots reißen sich die Leute um Luftballons. In der neunten Sekunde des Video-Screenshots entsteht eine gelbe Flamme, die innerhalb einer Sekunde zwei Ballongruppen entzündet, was zu einer Explosion am Unfallort führt.

Erst am nächsten Tag, dem Neujahrstag, berichteten die Medien: „Am 31. Dezember explodierten von der Öffentlichkeit mitgebrachte Wasserstoffballons am Wanda Plaza im Yangshan New District der Stadt Xinyang, und einige Menschen erlitten vor Ort leichte Verbrennungen.“

Die Explosion ereignete sich während der lebhaften und friedlichen Silvesternacht. In nur einer Sekunde verschlangen die gelben Flammen die Menge, was immer noch Angst macht. Was genau geschah am Unfallort, warum kam es zu dem oben beschriebenen Unfall und wie kann dieser scheinbar unvermeidbare „Wasserstoffballon“-Unfall verhindert werden?

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„Wasserstoffballons“ sind nicht mit echtem „Wasserstoff“ gefüllt

Was viele nicht wissen: Die „Wasserstoffballons“, die wir auf dem Markt kaufen, sind oft nicht mit Wasserstoff gefüllt. Wenn wir einen Ballon schweben lassen wollen, müssen wir ihn eigentlich nur mit einem Gas füllen, dessen Dichte geringer ist als die von Luft.

Da das Molvolumen idealer Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gleich ist (beispielsweise haben wir in der Mittelschule gelernt, dass unter Standardbedingungen (0 °C, 101,325 kPa) das von 1 Mol eines idealen Gases eingenommene Volumen ungefähr 22,4 Liter beträgt), kann gemäß der Zustandsgleichung für ideale Gase pV=nRT leicht gefolgert werden, dass pM=ρRT, d. h., die Gasdichte ρ unter idealen Bedingungen ist proportional zur Molmasse M des Gases. Das Molekulargewicht von Luft beträgt M≈29. Wenn man einen Ballon also mit einem Gas mit einem Molekulargewicht von weniger als 29 füllt, kann der Ballon theoretisch spontan in der Luft schweben. Da das Außenmaterial des Ballons ebenfalls Gewicht hat und seine Dichte viel größer ist als die des Gases, ist das Molekulargewicht des Füllgases natürlich vorzugsweise viel kleiner als 29 g/mol.

Wasserstoff ist als leichtestes Gas mit einem Molekulargewicht von 2 offensichtlich ein ideales Füllmaterial aus der Perspektive des Aufsteigens. Darüber hinaus füllen einige Unternehmen Ballons auch mit dem Edelgas Helium (Molekulargewicht 4). Tatsächlich wurden sowohl Wasserstoff als auch Helium in großen Fluggeräten wie Luftschiffen verwendet. Wasserstoff ist jedoch brennbar und explosiv. Der Absturz des Luftschiffs Hindenburg im Jahr 1937 wurde durch die Explosion des mit Wasserstoff gefüllten Luftschiffs verursacht (Abbildung 2a). Der Unfall forderte 36 Todesopfer und führte dazu, dass Luftschiffe im Wettbewerb mit Flugzeugen völlig unterlagen [1]. Da Luftschiffe Personal und Ausrüstung kostengünstig und mit großer Nutzlast transportieren können, werden sie natürlich immer noch entwickelt und eingesetzt. Das Gas, mit dem sie gefüllt sind, ist meist Helium. Das Kirov-Luftschiff im klassischen RTS-Spiel „Red Alert 2“ ist laut Spiel-Stimme mit Helium gefüllt. Wenn es abgeschossen wird, verursacht es daher nur Aufprallschaden und keinen Explosionsschaden.

Abbildung 2 (a) Der Absturz des Luftschiffs Hindenburg, bei dem 36 Menschen ums Leben kamen; (b) Das Kirov-Luftschiff im Spiel „Alarmstufe Rot 2“, das bei Auswahl die Meldung „Heliummischung optimal“ anzeigt und damit anzeigt, dass es mit Helium gefüllt ist.

Da die Idee, Ballons mit Wasserstoff zu füllen, tief in den Köpfen der Menschen verwurzelt ist, werden schwebende Ballons im chinesischen Kontext oft als „Wasserstoffballons“ bezeichnet. Im englischen Kontext wird häufiger „Heliumballon“ verwendet.

Tatsächlich sind die Wasserstoffballons, die wir normalerweise im Handel kaufen, weder mit Wasserstoff noch mit Helium gefüllt. Der Grund ist ganz einfach. Helium ist sicher, aber seine Produktionskosten sind hoch (das ist eine andere komplizierte physikalische Geschichte) und echte Heliumballons sind relativ teuer. Obwohl Wasserstoff relativ einfach herzustellen ist, sind für seine Lagerung und seinen Transport spezielle Geräte und Lizenzen erforderlich. Zudem handelt es sich offensichtlich nicht um ein Gas, das mobile Anbieter leicht beschaffen können. Erdgas, das leicht verfügbar und kostengünstig ist und ein Molekulargewicht von weitestgehend unter 29 aufweist, hat sich zum gängigen Füllgas für „Wasserstoffballons“ entwickelt. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan (CH4), das ein Molekulargewicht von nur 16 hat und leicht verfügbar ist. Es ist sogar ein direkter Anschluss an die Erdgasleitung Ihres Hauses möglich (der private Anschluss von Erdgas ist jedoch illegal!). Daher wäre die Bezeichnung der sogenannten „Wasserstoffballons“, die wir kaufen, eigentlich treffender „Erdgasbälle“.

Erdgas ist leicht zu verbrennen und seine Flamme ist gelb, während Wasserstoff oft mit einer blauen Flamme brennt. Gemessen an der gelben Flamme, die bei dem Ballonexplosionsunfall in Abbildung 1 zu sehen ist, sollte es sich bei dem brennenden Gas um Erdgas handeln – oder hauptsächlich um Methan.

Allerdings bleibt hier eine Frage: Würden zwei Ballongruppen gleichzeitig entzündet, würde dann auch die Außenhaut der Ballons Feuer fangen, wenn sie dem Feuer ausgesetzt würden?

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Die Außenhülle des „Wasserstoffballons“

Die Außenhülle eines Ballons ist tatsächlich brennbar und explosiv. Es gibt zwei Haupttypen von Ballonhautmaterialien, die wir häufig sehen: Das eine ist das in Abbildung 3a dargestellte Latexmaterial, das im unaufgeblasenen Zustand klein ist und sich während des Aufblasvorgangs allmählich ausdehnt; der andere ist der in Abbildung 3b dargestellte Aluminiumfolienballon. Dieses Material selbst verformt sich bei Änderungen des Luftdrucks nicht und das Gas füllt den reservierten Raum im Inneren.

Abbildung 3 (a) Latexballon; (b) Aluminiumfolienballon

In unserem täglichen Leben gibt es viele gängige Produkte aus Naturlatex, wie Handschuhe, Kissen usw. Dieses Material verfügt über sehr gute Elastizitäts- und Zugeigenschaften. Als Polymermaterial ist es sehr leicht zu verbrennen. Die Gasdichtigkeit von Naturlatexballons ist nicht gut genug, deshalb wurden später Ballons aus Aluminiumfolie entwickelt, die eine bessere Luftdichtigkeit aufweisen und es den Ballons ermöglichen, länger in der Luft zu schweben.

Der Name des Aluminiumfolienballons kann leicht zu der Annahme verleiten, dass er aus Aluminiumfolie besteht und daher nicht so leicht verbrennen kann. Tatsächlich ist die Aluminiumfolie ein Verbundwerkstoff. Die innere Schicht besteht aus biaxial gestrecktem Polyethylenterephthalat (BoPET) und die äußere Schicht ist eine dünne Schicht aus abgeschiedenem metallischem Aluminium. Aufgrund des metallisch glänzenden Schimmers seiner Außenschicht wird angenommen, dass es hauptsächlich aus Aluminium besteht. BoPET wird auch häufig als Außenbeschichtung von Büchern und Fotos verwendet; BoPET hat auch einen bekannteren Verwandten, PET (Polyethylenterephthalat), das in Mineralwasserflaschen und schnelltrocknender Kleidung zu finden ist. Daher ist die Außenhaut des Aluminiumfolienballons als Polymermaterial auch sehr leicht zu verbrennen.

Also – warum kam es zu der Explosion?

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Hinter der Explosion: Elektrizität und Feuer sind überall

Obwohl die Unfallursache noch nicht eindeutig geklärt ist, können wir ebenso gut über die nächste mögliche Ursache spekulieren. Wenn Sie die Seite zurück zu Abbildung 1 blättern und die Kleidung der Zuschauer am Tatort genau betrachten, werden Sie feststellen, dass der Autor zuvor ausdrücklich „mehrere Personen in dicker Winterkleidung“ beschrieben hat. Um einen besseren Windschutz zu bieten, bestehen die Außenstoffe von Winterkleidung meist aus Chemiefasern. Im Vergleich zu natürlichen Materialien neigen Chemiefasern eher dazu, durch Reibung statische Elektrizität zu erzeugen. Im Szenario von Abbildung 1 ist es sehr wahrscheinlich, dass die Reibung zwischen Kleidung und zwischen Kleidung und Ballons statische Elektrizität erzeugt, die sich sofort entzündet, wenn sie auf austretendes Gas trifft (bei den in Abbildung 1 verwendeten Ballons handelt es sich um Latexballons, die anfälliger für Undichtigkeiten sind). Die Flammen treffen auf die Latexaußenhaut anderer Ballons und verbrennen diese, wodurch das im Inneren enthaltene brennbare Erdgas austritt und schließlich eine Explosion verursacht. Alles ist innerhalb einer Sekunde abgeschlossen.

Daher ist das Mitführen von „Wasserstoffballons“ – ob mit Wasserstoff gefüllt oder nicht – in Menschenansammlungen und geschlossenen Räumen oft nicht gestattet. Ich habe bei U-Bahn-Fahrten mehr als einen Vorfall erlebt, bei dem andere Fahrgäste mit Luftballons daran gehindert wurden, die Station zu betreten. Der Grund ist einfach: Wenn ein Ballon versehentlich in einen U-Bahn-Tunnel schwebt, bleibt das brennbare Gas im Tunnel eingeschlossen, selbst wenn der Ballon platzt. Die U-Bahn bezieht ihren Strom aus dem Stromnetz und wenn Strom mit brennbarem Gas in Kontakt kommt, kann es leicht zu katastrophalen Unfällen kommen.

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Abschluss

Bunte Luftballons tragen zwar wunderbar zur festlichen Atmosphäre bei, doch je festlicher die Feier wird, desto mehr Aufmerksamkeit sollte man den Sicherheitsvorkehrungen schenken. Schließlich ist Sicherheit ein Segen. Ich wünsche allen meinen Lesern Glück und Gesundheit im Jahr 2025.

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