Hogyan okozhat az ártatlan műtrágya-alapanyag földrengés erejű robbanást?

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

Múlt kedd este hatalmas robbanás rázta meg Libanon fővárosát, Bejrútot. A detonációban eddig 158 ember vesztette életét, ötezren megsérültek, a főváros területének mintegy felét érintő anyagi károk elérik a 15 milliárd dollárt, és több ezren elvesztették otthonukat. Hasan Diab miniszterelnök bejelentette, hogy 2700 tonna ammónium-nitrát robbant fel, amelyet a város teherkikötőjében tároltak egy raktárban. Az esetről készült videók szerint a detonáció előtt már tűz volt a raktár környékén, jó eséllyel ez okozta a bajt.

Az ammónium-nitrátot (NH4NO3) kristályvizes formában, általában más vegyületekkel keverve magas nitrogéntartalma miatt előszeretettel használják műtrágyaként, a leggyakoribb műtrágya-alapanyagok egyike – írja a Conversationben Gabriel da Silva, a Melbourne-i Egyetem vegyészmérnök adjunktusa. Erélyes oxidáló tulajdonsága miatt ugyancsak fontos összetevője többféle robbanószernek, ilyenkor általában fűtőolajfélékkel keverik, és robbanótöltetek formájában használják például bányarobbantásokban. A közelmúltban a NASA a súlyosan mérgező hidrazin helyett rakéta-üzemanyagként is tesztelni kezdte a vegyületet hidroxil-ammónium-nitrát változatában, amelyet nemcsak környezetkímélőbbnek, hanem hatékonyabbnak is tartanak.

Az anyag oxidáló volta ellenére ahhoz, hogy a bejrútihoz hasonló katasztrófa történjen, számos emberi mulasztásnak kellett történnie – írja da Silva.

Fotó: MOUAFAC HARB/AFP

Időzített bomba

Az ammónium-nitrát ugyanis nem ég önmagában, ehelyett olyan oxigénforrásként működik, amely más anyagok égését gyorsítja fel. Az égéshez, tudjuk, oxigénre van szükség, az ammónium-nitrát szemcsék pedig jóval koncentráltabb oxigénforrást tartalmaznak, mint a levegő. Ezért is olyan hatékony ez a vegyület gyúlékony anyagokkal keverve a bányarobbantásokban.

Rachel Lance orvosbiológiai mérnök, aki a robbanások okozta károkra és sérülésekre specializálódott, a Wiredben magyarázza el a bejrúti robbanás fizikáját. Mint írja, a tűz a molekulák átrendeződése, a robbanás pedig olyan, „mintha a tüzet hiperenergiával fokoznák a teljes őrületig”. Az instabil struktúrák addig cserélgetik az atomokat egymással, amíg nyugvópontra, alacsonyabb energiájú állapotba nem jutnak, mint amikor a lezuhanó sziklák elérik a szakadék alját. Az így keletkezett többletenergiának azonban mennie kell valahová. Míg egy tábortűz békésen ellobog a levegőben található oxigén segítségével, miközben lassan és élvezhetően szabadul fel az energia (melegen tartva mondjuk egy bográcsot), a robbanás esetén az oxigén „ördögi felbujtóvá” válik, és túlhajtja a folyamatot.

Az ammónium-nitrát esetében minden feltétel adott, hogy az oxigén gonosz erővé váljon: a vegyület ammónium része egy nitrogén- és négy hidrogénatomból áll (NH4+), a nitrát pedig egy nitrogén- és három oxigénatomból épül fel (NO3-). Mindennapi körülmények között a pozitív és a negatív töltés stabilan egyben tartja a két molekulát, ám ha szikrát (vagy tüzet, esetleg tűzijátékot) adunk a képlethez, a molekulák atomjai destabilizálódnak, és nekilátnak, hogy valami újat építsenek magukból – magyarázza Lance.

Mint da Silva is írja, kellően magas hőmérsékleten az ammónium-nitrát vadul bomlani kezd, és ebben a folyamatban nitrogén-oxidok, illetve vízpára szabadul fel. Ezeknek a légnemű anyagoknak a gyors keletkezése vezet robbanáshoz.

Fotó: CEM OZDEL/Anadolu Agency via AFP

Mi lehetett a hiba?

Az ammónium-nitrát bomlása tehát akkor valószínű, ha robbanás történik vagy tűz üt ki annak a helynek a közelében, ahol tárolják. A tűz miatt beinduló reakcióra volt példa a Tiencsin kínai kikötőváros egyik üzemében 2015-ben történt robbanássorozat, amely 173 ember – nagyrészt tűzoltók – életét követelte. A gyárban éghető anyagokat és ammónium-nitrátot tároltak együtt, és mivel a gyár igazgatója a vád szerint lefizette a hatóságokat, hogy megszeghesse a biztonsági előírásokat, felfüggesztett halálbüntetésre és súlyos pénzbüntetésre ítélték

Lance megemlíti, hogy a történelemben összesen 47 nagy, áldozatokkal járó robbanást okozott az ammónium-nitrát. Az eddigi legnagyobb, nem nukleáris robbanás 1917-ben történt a kanadai Halifaxban, amikor egy baleset következtében ugyancsak 2700 tonna aktiválódott különféle robbanóanyagból. Lance szerint Bejrút megdöntheti ezt a több mint százéves rekordot.

Bár a bejrúti robbanás közvetlen oka még nem ismert, a katasztrófáról készült felvételek da Silva szerint arra utalnak, hogy a kikötőben fellángoló tűz indíthatta be a reakciót. Ezt erősíti az is, hogy eltűntként tartanak számon néhány tűzoltót, akiket a robbanás előtt egy kikötői tűz miatt hívtak ki a helyszínre. Pedig a tűznek nincs is annyira könnyű dolga, ha ammónium-nitrát-robbanást szeretne okozni: tartósan és a vegyülettel összezárva kell lángolnia. Emellett az égéshez az üzemanyagot nem maga az ammónium-nitrát biztosítja, ahhoz az is kell, hogy az NH4NO3 valami más, éghető anyaggal szennyezett legyen, vagy ilyen anyagba legyen csomagolva.

A műtrágyagyártásra használt ammónium-nitrátot épp ezért gyakran vegyítik olyan anyagokkal, amelyek megakadályozzák ezt a reakciót, bár ezek sokszor nem váltják be a hozzájuk fűzött reményt, amint a texasi Westben 2013-ban történt, 15 ember halálával járó raktárrobbanás is mutatja. A Bejrútból érkező első hírek szerint ezúttal is a műtrágyagyártáshoz használt alapanyag robbant, azonban egyes helyszíni fotókon Nitropill HD feliratú zsákok szerepeltek. Ez korántsem tekinthető hivatalos információnak, de Lance szerint ha igaz, az arra utal, hogy az ammónium-nitrátot nem deaktiváló anyagokkal vegyíthették, hanem éppen a robbanékonyságát fokozó vegyületekkel – a Nitropil ugyanis (egy l-lel írva) a szénbányászatban használt robbanószer. Az ominózus képet azonban csak nem túl meggyőző híroldalakon láttuk viszont.

Fotó: STR/AFP

Akár műtrágya-, akár robbanószer-alapanyag volt a bejrúti kikötőben tárolt ammónium-nitrát, valamilyen körülmény miatt meg akart szabadulni az oxigénatomoktól. A kémiailag instabil nitrát esetében a nitrogén- és oxigénatomok közötti kötések fizikai feszültségtől terheltek: a három oxigénatommal túltöltött NO3- szívesen lepasszol belőlük a szomszédainak, egy kis hő jelenlétében pedig különösen nagy ennek az esélye. Az NH4+ pedig kapva kap a lehetőségen – magyarázza Lance. 

Egészségügyi kockázatok

A bejrúti raktárban hat éven át tárolták megfelelő óvintézkedések nélkül a 2700 tonna ammónium-nitrátot, és ez egész biztosan egyike volt a körülményeknek, amelyek hozzájárultak, hogy egy mindennapos üzemi tűz ekkora tragédiához vezessen.

Az ammónium-nitrát robbanásakor nitrogén-oxidok keletkeznek óriási mennyiségben. A robbanás után terjengő füst vöröses színét például a kellemetlen szagú nitrogén-dioxid adhatta, amely nem véletlenül állandó tárgya a városi légszennyezettség-méréseknek: irritálja a légzőrendszert, nagy mennyiségben pedig különösen mérgező azok számára, akik valamilyen légzőszervi betegségben szenvednek. Az időjárástól függően napokig eltart, amíg a bejrúti levegő megtisztul a robbanásban keletkezett nitrogén-dixoidtól – írja da Silva.

Fotó: Mikhail Alaeddin/Sputnik via AFP

Lance hozzáteszi, hogy a vérvörös nitrogén-dioxid felszabadulása kis robbanás esetén narancssárga füstöt eredményez, egy olyan hatalmas detonációban viszont, mint amelyik Bejrútban történt, vörös füstoszlop száll fel. A tiszta égésű robbanószerek, mint amelyeket katonai célokra használnak, az orvosbiológiai mérnök szerint hófehér vagy halványszürke, homogén füstöt eredményeznek, míg a balesetek miatt bekövetkezett robbanások füstje nem olyan tiszta, hanem hamuval, elszenesedett anyagok darabkáival és egyéb mérgekkel szennyezett. Egy robbanásszakértőnek elég volt csak egy pillantást vetnie a bejrúti videókra, hogy tudja, ammónium-nitrát robbant.

Lökéshullám vagy nyomáshullám?

A robbanások hatásaira specializálódott Lance szerint a videókon látható, nyugtalanítóan egységes félgömb, amely végül minden kamerázót utolért és meglökött, maga a robbanás által kiváltott nyomáshullám. Nyomáshullám, és nem lökéshullám, utóbbi ugyanis a nagy erejű robbanóanyagok detonációját követi, és ilyenkor szó szerint egy másodperc törtrésze alatt nő meg a nyomás a nulláról az abszolút maximumra, mintha az ember szabadesésből érne földet. A lökéshullám lehagyja a robbanás hangját, a nyomáshullám előtt azonban, ahogy Bejrútban is történt, hallani lehet a figyelmeztető hangot. A nyomáshullámoknál a nyomás fokozatosan növekszik meg, tehát ezek szelídebbek, csak olyan erővel hatnak, mintha az ember legurulna egy meredek hegyoldalon és földet érne. Onnan is lehet tudni, hogy Bejrúton nyomáshullám söpört végig, hogy a vízpárával teli fehér kupola sebessége mérhető.

Lance a Guardian által közzétett videókon azonosítható helyek (például a robbanás középpontjától 885 méterre található La Mezcaleria tetőbár) távolsága és a nyomáshullám által igénybe vett idő alapján mérte le, hogy a hullám a robbanás után közvetlenül 312 m/s sebességgel terjedt, ami alatta marad a hang 343 m/s-os sebességének, és túl lassú egy bombához. 

Mire a bárig is eljutott a fehér kupola, már csak 289 m/s-mal haladt. Ez is elég volt ahhoz, hogy házakat romboljon le, üvegeket törjön, súlyos sérüléseket, pánikot és zűrzavart okozzon a robbanástól távolabbi városrészekben is, de mégis jobb, mintha lökéshullám szabadult volna el, ami miatt a legtöbb kamerázó a helyszínen meghalt volna tüdősérülés következtében.

Fotó: Houssam Shbaro/Anadolu Agency via AFP

Az 1917-es halifaxi robbanásban az epicentrumtól 2,5 kilométerre is történtek halálesetek, 1950 ember vesztette életét, és nyolcezren sérültek meg súlyosan –miután a kikötőben felrobbant hajók nagy erejű robbanószerekkel voltak tele, így lökéshullámokat keltettek. Bár Bejrútban a robbanástól 9 kilométerre is kár esett az épületekben, szerencsére csak nyomáshullám indult el, és így a halálesetek becsült száma a százas tartományban marad, még ha a felrobbant anyag mennyisége valamivel nagyobb is lehet, mint a halifaxi esetnél.

A robbanás erejének felbecsülésénél a kráter méretéből is ki lehet indulni: a légi fotók 120-140 méter átmérőjű krátert mutatnak a bejrúti raktár helyén, ehhez pedig 1700-5400 tonna TNT kellene. A németországi Oppauban 1921-ben történt ammónium-nitrát-robbanás nagyon hasonló, 120 méter szélességű üreget vájt a földbe, de ahhoz 4100 tonna NH4NO3-ra volt szükség. Ez a mérnök szerint arra utal, hogy Bejrútban is több robbanhatott, mint 2750 tonna.

Lehet biztonságosan is

Ausztrália nagy mennyiségű ammónium-nitrátot állít elő és importál, az alapanyagot leginkább a bányászatban hasznosítják – írja az Ausztráliában élő vegyészmérnök. Ammónia és salétromsav vegyítésével állítják elő, utóbbi egyébként maga is ammóniából készül. Az ammónium-nitrát veszélyes terméknek minősül, előállítását, mindenfajta használatát, szállítását és tárolását jobb helyeken szigorúan szabályozzák, Ausztráliában például évtizedeken át sikerült elkerülni a nagyobb baleseteket. A bejrúti tragédia tehát azt is megmutatja, mennyire fontos meghozni és betartatni ezeket a szabályokat.

Annál is inkább, mert a nitrogénalapú műtrágyák globálisan is uralják a piacot a kálium-, illetve foszfátműtrágyákhoz képest, de Európára különösen igaz ez: kontinensünkön a nitrogénműtrágyák a termelés 70, a felhasználás 68 százalékát teszik ki. Magyarországon az elmúlt évtizedben 70 százalékkal nőtt a hektáronként felhasznált műtrágya mennyisége, miközben az európai kereslet nagyjából stagnált az előző évtizedek csökkenése után. 

Az európai műtrágyapiacot egy norvég, egy orosz és két német vállalat uralja, de piaci szereplő a pétfürdői Nitrogénművek is, amely az Agrárszektor tavaly nyári összeállítása szerint 2018-ban 88 milliárd forintos árbevételt ért el – a norvég Yara International ugyanabban az időszakban 3466 milliárd forintnak megfelelő összeget termelt, ami elárulja, hogy Magyarország azért nem számít műtrágya-nagyhatalomnak. 

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: