Holtes in een explosief verkleinen het risico bij opslag

Techniek Amerikaanse onderzoekers hebben een 3D-geprint explosief ontwikkeld dat pas gevaarlijk wordt als er water ingegoten wordt.

Een beschadigde graansilo in de haven van de Libanese hoofdstad Beiroet, na de explosie van 2020.
Een beschadigde graansilo in de haven van de Libanese hoofdstad Beiroet, na de explosie van 2020.

Foto Fadel Itani/ANP

Opgeslagen explosieven kunnen onbedoeld afgaan, zoals de dodelijke explosie van ammoniumnitraat in Beiroet in 2020 liet zien. Of als het wel de bedoeling is, maar niet die van de eigenaars, zoals bij Russische munitiedepots opgeblazen door Oekraïense Himars-granaten.

Onderzoekers van Los Alamos National Laboratory publiceren nu in het vakblad Physical Review Letters een manier om explosieven veilig op te slaan, door ze te 3D-printen in een structuur met holtes. Pas als er water of een andere vloeistof in de holtes wordt gegoten, kunnen deze ‘schakelbare explosieven’ weer exploderen.

Explosieven bestaan uit een combinatie van een brandstof en een zuurstof-bevattende oxidator, die snel chemisch reageren tot hete verbrandingsgassen. Die gassen hebben een veel groter volume, waarmee ze letterlijk iets ‘opblazen’.

Er bestaan twee soorten: in het laagexplosieve buskruit, gebruikt in vuurwerk of patronen, verplaatst het verbrandingsfront zich onder de geluidssnelheid, wat een deflagratie oplevert: een verbrandingsreactie, aangejaagd door hitte.

Maar in nitroglycerine, TNT of het in munitie gebruikte HMX wordt de chemische reactie ontketend door een schokgolf, die zich sneller door het materiaal voortbeweegt dan het geluid. Bij zo’n detonatie komen de gassen sneller vrij, wat de schokgolf in stand houdt en de vernietigende kracht veel groter maakt.

Gestapelde slierten

De grens tussen deflagratie en detonatie hangt ook af van de afmetingen van de springstof. Met een 3D-printer stapelden de onderzoekers HMX kruislings in dunne slierten van 0,4 millimeter doorsnee, met daartussen zo’n 30 volumeprocent aan holtes.

Als het reactiefront zich door zulke slierten voortplant, verliezen de schokgolven energie op het grensvlak met de lucht, en in de holtes worden de golven verzwakt en afgeremd, waardoor er toch een deflagratie plaatsvindt. Pas als er een vloeistof in de holtes wordt gegoten, met een veel hogere dichtheid en lagere samendrukbaarheid dan lucht, kunnen de schokgolven zich behoorlijk voortplanten.

De onderzoekers testten hun schakelbare springstof met een aantal vloeistoffen, waaronder olie, water en een extra zware oplossing van een wolfraamzout in water. De explosieve kracht was bij lucht maar 2 procent van die van de watergevulde springstof.

Kogels en scherven

Dat dunne slierten niet naar behoren detoneren, is geen nieuw idee, zegt Antoine van der Heijden, explosievenexpert bij TNO Energetic Materials, „maar de combinatie met 3D-printen is dat wel”. Van der Heijden en collega Denise Meuken houden zich bezig met de veilige opslag van munitie, en ze vinden het ‘op scherp zetten’ met water een interessant idee.

„Het is een proof of principle, maar er zijn wel praktische vragen”, zegt Meuken. Zo is het vullen met water een extra stap, en is 3D-printen traag en weinig schaalbaar. „Ook is het de vraag wat zulke explosieven doen bij inslag van een kogels of scherven.”

En de hamvraag, aldus Van der Heijden: „Hoeveel explosieve kracht houd je over? Van militairen horen we altijd: als we maar wel de prestatie overhouden waaraan we gewend zijn.”