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Vortrag "Chemie im Einsatz:
Wissenschaft bei der Brandbekämpfung"

[Einleitung]
[Genaueres Verständnis des Brandverlaufs]
[Chemische Vorgänge bei speziellen Bränden]
[Löschmittel]
[Analyse der Rauchinhaltsstoffe]
[Resümee]

0. Einleitung:
Berührungspunkte Feuerwehr-Wissenschaft

Heutzutage sind zahlreiche Berührungspunkte des Feuerwehrwesens mit verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen gegeben:

• Physik (Retten aus Höhen und Tiefen, Verkehrsunfälle, Strahlenschutz)
• Biologie (Einsätze mit infektiösen Stoffen - MKS, Milzbrand)
• Mathematik (Löschwasser-Bedarfsberechnung, Reibungsverluste)
• Chemie (Gefahrgut-Einsätze)

Aber auch im "klassischen" Bereich der Feuerwehrarbeit, der Brandbekämpfung, hat die Wissenschaft Einzug gehalten.

1. Genaueres Verständnis des Brandverlaufs

Wissenschaftliche Untersuchungen haben insbesondere in den letzten Jahrzehnten ein wesentlich genaueres Verständnis des Brandverlaufs ermöglicht. Dieses Wissen hilft nicht nur mit, die Brandbekämpfung effizienter zu gestalten und dadurch die Schäden durch Löschmittel so gering wie möglich zu halten. Bei Effekten wie Flash Over oder Backdraft geht es in erster Linie um die Sicherheit der Einsatzkräfte.

1.1. Flash Over

Der Effekt Flash Over wird im deutschsprachigen Raum als "Rauchdurchzündung" übersetzt. Bevor die genauen Mechanismen dieses Effekts erforscht wurden, war bei zahlreichen Schadensereignissen ungeklärt, wie sich ein Brand so rasch ausbreiten konnte. Beispiele: U-Bahn-Station "Kings Cross", London, 1987 (31 Tote), Flughafen Düsseldorf, 1996 (17 Tote). Beispiele aus Österreich: Möbelhaus Leiner, St. Pölten, 1989; Palmers-Hochhaus, Wiener Neudorf, 1993.

Eine Voraussetzung für das Entstehen eines Flash Over ist Sauerstoffmangel bei der Verbrennung. Häufig kommt es zur unvollständigen Verbrennung, wenn der Brennstoff sehr rasch abbrennt und dadurch das Nachströmen der stöchiometrisch benötigten Menge an Sauerstoff unmöglich wird. In diesem Fall entstehen große Mengen von Rauchgasen, die weiterhin selbst brennbar sind (combustible gases).

Immer öfter hat man es gerade bei Wohnungsbränden mit solchen rasch abbrennenden Stoffen zu tun, die im Brandfall in großer Menge brennbare Gase freisetzen - dazu zählen insbesondere zahlreiche Kunststoffe.

Auf Grund thermischer Effekte sammeln sich die entstehenden Rauchgase unterhalb der Raumdecke. Läuft die Verbrennung in ähnlicher Intensität weiter, so entsteht binnen kurzem eine dichte Schicht brennbarer Rauchgase im oberen Bereich des Brandraumes. Durch die Hitze des Brandes wird diese Rauchschicht immer weiter aufgeheizt.

Schließlich wird durch die andauernde Erwärmung der Zündpunkt der brennbaren Gase erreicht - es kommt in der gesamten Rauchschicht zum Flash Over, also zur Rauchdurchzündung. Eine weitere Voraussetzung für diesen Effekt ist das Vorhandensein einer ausreichenden Menge an Sauerstoff - erst dadurch kann die Durchzündung voll zur Geltung kommen. (Bei Sauerstoffmangel käme es zu einem Backdraft - siehe Punkt 1.2.)

Binnen Sekunden steht nun die gesamte Rauchschicht in Flammen. Die Temperatur steigt dadurch im gesamten Raum schlagartig an, und in kürzester Zeit ist im Rauminneren kein Überleben mehr möglich. In Versuchen wurden zum Zeitpunkt des Flash Over Temperaturen von deutlich über 1000 °C gemessen!

Im Innenangriff gibt es ein Vorzeichen eines drohenden Flash Over, nämlich die so genannten "dancing angels". Dabei handelt es sich um Feuerzungen, die in der Grenzschicht entstehen und in die Rauchdecke hineinreichen. Der Effekt der "dancing angels" tritt auf, wenn die Temperatur der Rauchdecke noch knapp unter der für den Flash Over nötigen Temperatur liegt.

Das Auftreten des Flash Over lässt sich zuverlässig verhindern, indem man dafür sorgt, dass die Rauchschicht aus dem Gebäude abziehen kann. Das Schaffen entsprechender Abzugsöffnungen sowie der Einsatz von Überdruckbelüftung können das Risiko also minimieren und stehen daher, wo möglich, immer vor dem Beginn eines Innenangriffs.

Wichtig ist in jedem Fall die richtige Ausbildung. Im Programm der NÖ Landes-Feuerwehrschule gibt es mehrere entsprechende Angebote, z.B. so genannte Fire-Training-Module, ein eigenes Abendseminar zum Thema "Flash Over" sowie ein Ausbildungsmodul "Der heiße Innenangriff". Diese Ausbildungen können im Ernstfall Leben retten!

1.2. Backdraft

Der Backdraft wird im deutschen Sprachraum üblicherweise als Rauchexplosion bezeichnet. Die Ursachen des Effekts ähneln jenen des Flash Over sehr stark: durch den Brand rasch brennender Materialien kommt es zu einer massiven Entwicklung brennbarer Rauchgase, teils durch unvollständige Verbrennung, teils durch thermische Zersetzung der Brennstoffe. Allerdings ist nun keine weitere Sauerstoff-Zufuhr gegeben. Daher kommt es zum Erlöschen des (Flamm-)Brandes, nachdem der gesamte Raum mit heißen Rauchgasen gefüllt ist.

Durch das langsame Abkühlen der Gase entsteht in diesem Raum nun ein Unterdruck. Dieser ist dafür verantwortlich, dass beim Öffnen einer Tür oder eines Fensters sofort frische Luft in den betroffenen Raum gesaugt wird. Es entsteht durch die Vermischung der Luft mit den brennbaren Rauchgasen eine explosionsfähige Atmosphäre. Diese entzündet sich oftmals am ursprünglichen Brandherd, wo nach wie vor ein Glutbrand vorliegt - es kommt zur Durchzündung des gesamten Raumes mit den entsprechenden Auswirkungen (Druckwelle, Folgebrände).

Leider gibt es für den Backdraft keine charakteristischen Anzeichen - solange nicht jeder von einem Brand betroffene Raum gründlich gelüftet ist, muss man weiterhin mit einem Auftreten dieses lebensbedrohlichen Effekts rechnen.

Einsatzbericht eines Feuerwehr-Einsatzes mit Auftreten eines Backdraft: Am 28. März 1994 wurde die New Yorker Feuerwehr zu einem Zimmerbrand in einem dreigeschossigem Gebäude gerufen. Der Einsatzleiter setzte einen Trupp zum Öffnen der Fenster und Dachluke im zweiten Stockwerk und einen Trupp zur direkten Brandbekämpfung im ersten Stock ein. Als die Tür zum Brandraum geöffnet wurde, schlug eine Stichflamme 6,5 Minuten lang in das Stiegenhaus. Diese Flamme tötete die drei im oberen Stockwerk befindlichen Feuerwehrmänner.

2. Chemische Vorgänge bei speziellen Bränden
(Metalle, Fette, Öle)

2.1. Metallbrände

In jeder Auflistung der Brandklassen sind sie unter dem Buchstaben D zu finden: Brände von Metallen. Es entspricht nicht unserer täglichen Erfahrung, dass Metalle brennen - dennoch sind fast alle Metalle unter bestimmten Umständen brennbar. Eine Einteilung in vier verschiedene Gruppen erscheint sinnvoll.

Leichtmetalle, die bereits in kaltem Zustand gefährlich mit Wasser reagieren. Zahlreiche Leichtmetalle (mit einer Dichte kleiner als 5 kg/m3) reagieren bei Kontakt mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff-Gas (H2), das seinerseits mit dem vorhandenen Sauerstoff der Luft hoch explosives Knallgas-Gemisch bildet und meist durch die bei der Reaktion entstehende Wärme entzündet wird. Zu dieser Gruppe gehören die Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium, Calcium, Strontium und Barium.

Leichtmetalle, die im kalten Zustand nicht mit Wasser reagieren. Die Metalle dieser Gruppe erreichen im Brandfall sehr hohe Temperaturen (über 2000 °C bis zu 3200 °C) und stellen daher eine besondere Gefahr dar. In diese Gruppe gehören die Metalle Beryllium, Magnesium, Aluminium und Titan.

Unedle Schwermetalle. Diese können ebenfalls in Brand geraten. Beispiele sind Eisen, Blei und Zirkon, das übrigens die höchste bei einem Metallbrand mögliche Temperatur erzeugt - unglaubliche 4660 °C!

Edle Schwermetalle, wie Silber, Gold, Platin. Diese brennen nicht.Die Verbrennung von Magnesium soll hier als Beispiel herausgegriffen werden. Magnesium verbrennt bei Temperaturen von über 2000 °C. Erkennbar ist diese hohe Temperatur auch an der grellweißen Glutfarbe. Bei 2000 °C werden rund 10 % aller vorhandenen Wassermoleküle allein auf Grund der hohen Temperatur gespalten und setzen dadurch Knallgas frei.

Es läuft aber noch eine weitere Reaktion ab. Magnesium hat die Fähigkeit, sich den zur Verbrennung benötigten Sauerstoff auch aus dem Wassermolekül zu holen, also dem Wasser seinen Sauerstoff zu "entreißen". Dadurch kann Magnesium verbrennen, und es bleibt Wasserstoff zurück, der wiederum mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft ein Knallgas-Gemisch bildet.

Kohlendioxid (CO2) ist als Löschmittel ungeeignet, da es bei den hohen Temperaturen, die in Metallbränden vorherrschen, ebenfalls als Lieferant von Sauerstoff dient. Auch Stickstoff ist nicht zu gebrauchen, da mit den heißen Metallen eine Nitrierung auftritt.

Es bleiben daher nur wenige Möglichkeiten der Brandbekämpfung. Eine davon ist die Verwendung eigener Metallbrandpulver, wie sie in Betrieben mit entsprechendem Risikopotenzial oft auf Lager gehalten werden. Dabei handelt es sich um Salze wie Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, die auf dem Brandherd schmelzen und eine undurchlässige Schicht bilden, welche den Brand erstickt. Einen ähnlichen Effekt kann man durch die Verwendung von Zement erzielen, ebenso mit Grauguss-Spänen, und natürlich mit trockenem (!) Sand.

Vielen ist das Unglück von Enschede (Niederlande) im Mai 2000 noch in Erinnerung - in einem Feuerwerkslager war es zum Brand von angeblich bis zu 150 Tonnen (!) gelagerter Feuerwerkskörper, die bekanntlich Metallpulver enthalten, gekommen. Die traurige Bilanz: 18 Tote, darunter vier Feuerwehrmänner; drei Vermisste; 947 Verletzte. Rund 500 Wohnungen ausgebrannt; Schadenssumme: über 250 Millionen Euro. Drei Tanklöschfahrzeuge und eine Drehleiter ausgebrannt. Dauer der Löscharbeiten im völlig zerstörten Stadtviertel: zwei Tage.

2.2. Fettbrände

Während Metallbrände relativ selten vorkommen, handelt es sich bei Fettbränden um Ereignisse, die häufig im Haushalt auftreten und in zahlreichen Fällen Ursache für weiter reichende Zimmer- oder Wohnungsbrände sind.

Weithin bekannt ist, dass man Fettbrände nicht mit Wasser löschen soll. Unklarheit herrscht allerdings bereits über die Gründe für dieses Verbot - danach befragt, antworten die meisten Menschen, dass Fett auf Wasser schwimme und man daher den Brandherd vergrößern würde. Während diese Beobachtung bei Raumtemperatur korrekt ist, stimmen die Vorgänge bei Brandtemperaturen nicht mehr mit unserer üblichen Erfahrungswelt überein.Bei den Temperaturen, die in Fettbränden vorherrschen (weit über 400 °C) verdampft Wasser schlagartig. Es kommt zu einer so genannten Fettexplosion. Während der Begriff wissenschaftlich nicht ganz korrekt ist, sind die Auswirkungen ähnlich verheerend. Aus einem Liter Wasser entstehen in Sekundenschnelle rund 1.700 Liter Wasserdampf, der das brennende Fett mitreißt - leider oft auch in Richtung derjenigen Person, die sich für die falsche Löschmethode entschieden hat.

Leider zeigen andere Löschmittel ebenfalls ungenügende Ergebnisse, wenn auch nicht mit so dramatischen Folgen wie beim Einsatz von Wasser oder Schaum: Kohlendioxid löscht zwar die Flammen ab, die Abkühlung reicht aber üblicherweise nicht aus, um eine Rückzündung zu verhindern. Löschdecken können sich mit heißem Fett vollsaugen und bieten dem Feuer dann auf Grund der Dochtwirkung weitere Nahrung. Selbst Pulverlöscher versagen bei Fettbränden oftmals (abgesehen von anderen negativen Auswirkungen). Wegen all dieser speziellen Eigenschaften wird inzwischen die Schaffung einer neuen Brandklasse für Fettbrände (Brandklasse F) diskutiert.

3. Löschmittel(-zusätze)

3.1. Sonderlöschmittel für Fettbrände

Abhilfe scheint ein neues Löschmittel zu bieten, das die Firma Febbex auf den Markt bringt. Tauchen die so genannten SafeBalls™ in das brennende Fett ein, schmilzt die Wachshülle der Löschkugeln ab und gibt ein gelartiges Löschmittel frei. Das im Löschmittel gebundene Wasser entzieht dem brennenden Fett die Energie und kühlt ab.

Der wirklich beachtenswerte Effekt ist allerdings chemischer Natur: im Löschgel enthaltene Inhaltsstoffe wandeln das brennende Fett nach dem Prinzip der Verseifung in nicht brennbare Seife um. Entstehender Schaum steigt an die Oberfläche und bildet eine trennende Schicht zwischen dem brennenden Fett und dem Sauerstoff der Luft.

3.2. Netzmittel - Light Water™

Bei Light Water™, oft auch als AFFF (aqueous film forming foam) bezeichnet, handelte es sich um ein Produkt der Firma 3M, die den Verkauf allerdings mittlerweile wieder eingestellt hat. Light Water™ verbesserte nach Firmenangaben die Wirksamkeit von Löschwasser, dem es in niedrigen Konzentrationen (0.1 %) zugesetzt wurde, auf das Dreifache. Die Wirkung beruhte auf dem Effekt von Netzmitteln, deren genaue Zusammensetzung als Firmengeheimnis bestens gehütet war.

Aufklärung bringen hier erst Informationen aus dem Internet über den Rückzug des Produkts - während sich 3M auf nicht näher genannte "Kundenwünsche" beruft, glauben andere den wahren Grund in den möglichen gesundheitlichen Auswirkungen des Haupt-Wirkstoffs, nämlich Perfluorooctanyl-Sulfonat (PFOS), erkannt zu haben.

3.3. Flüssiger Stickstoff

Bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Sonderlöschmittel handelt es sich um ein Verfahren, das mittlerweile bereits beinahe Standard ist. Für eine ganze Reihe von Brandereignissen ist flüssiger Stickstoff die optimale Lösung - hier zwei Beispiele:

Hamburger Papierfabrik, Pitten, 1999: Brand im Inneren von zwei Asche-Abscheidern in der geschätzten Größe von 2m x 2m x 6m. Öffnen der Bauteile hätte mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Aufwirbelung der Asche und danach folgender Staubexplosion geführt. Es wurde durch eine Spezialfirma rund 24 Stunden lang flüssiger Stickstoff eingeleitet, bis die Luft-Messwerte aus dem Inneren der Anlage das Ende des Brandes anzeigten.

HAK-HASch-HLW, Horn, 2002: Brand in einer Dehnfuge des Gebäudes. Größe des Brandherdes ca. 5m x 2m (gemessen mit Wärmebildkamera), Breite der Fuge knapp drei Zentimeter. Nach vergeblichen anderen Löschversuchen wurde mit Hilfe einer Löschlanze flüssiger Stickstoff eingebracht und der Brand auf diese Weise gelöscht.

4. Analyse der Rauchinhaltsstoffe

Zur Gasanalyse werden im Feuerwehr-Bereich derzeit zwei verschiedene Systeme verwendet. Für eine grobe Abschätzung bedient man sich handlicher Messgeräte (z.B. Draeger PacEx), welche mittels eingebauter Sensoren den Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft sowie das Erreichen der unteren Zündgrenze (Explosionsgrenze) bestimmen - letzteres mittels Platin-Katalysator.

Für genauere Messungen stehen bei Stützpunkt-Feuerwehren spezielle Prüfröhrchen mit Handpumpe zur Verfügung, deren Funktionsweise jener des Alko-Tests ähnelt. Als Beispiel sei der Nachweis von Kohlenmonoxid genannt, das in den meisten Fällen als "Leitgas" für das Vorhandensein weiterer giftiger Brandgase dient.

Dauer der Messung: 1.5 Minuten
Farbumschlag: von weiß nach braun, grün oder violett
Reaktionsprinzip: CO + I2O5 --> I2 + CO2
Anzeigeverhalten: Eine deutliche Anzeige ergeben [...] 5 ppm Kohlenmonoxid.
Querempfindlichkeiten: Es werden eine Vielzahl (aber nicht alle) leicht oxidierbaren Verbindungen angezeigt. Nicht angezeigt werden z.B. Methan, Ethan und Kohlendioxid.
(Gebrauchsanweisung Dräger Polytest Kohlenmonoxid)

5. Resümee

In den letzten Jahrzehnten hat die Arbeit vieler WissenschaftlerInnen dazu beigetragen, die Einsatztätigkeit der Feuerwehrmänner und -frauen sicherer und effizienter zu gestalten. Dieser Beitrag der Wissenschaft, insbesondere der Chemie, kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Man darf gespannt sein, welche Entdeckungen und Entwicklungen im Sektor "Brandbekämpfung" in den nächsten Jahren auf uns zukommen - offene Fragen gibt es noch viele...

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