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Explosionsverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen bei militärischen Einsätzen. Während die Auswirkungen von Splittern, die als sekundäre Explosionsverletzungen eingestuft werden, durch die modernen ballistischen Körperschutzsysteme der Polizei und des Militärs minimiert werden konnten, stellen die Auswirkungen der Stoßwellenausbreitung im Körper als Teil des primären Explosionstraumas nach wie vor eine ernsthafte Bedrohung dar. Zusätzlich zu einzelnen einsatzbedingten Lastfällen liegt ein wissenschaftlicher Fokus auf besonders exponiertem Personal, z.B. aus den Einsatzbereichen „Taktische Zugangstechnik“, „Präzisionsschützenwesen“ oder Steilfeuerwaffen (Mörser). Repetitive mild traumatic brain injury (mTBI) können gesundheitliche Langzeitschädigungen wie und chronic traumatic encephalopathy (CTE) erzeugen.
Um einen Beitrag zur Erforschung der primären Explosionswirkungen zu leisten, hat die Bundeswehr in Zusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein interdisziplinäres wehrmedizinisches Sonderforschungsvorhaben eingerichtet. Ziel der geplanten Untersuchung ist die Entwicklung einer multidisziplinären Methode zur Analyse des Stoßwellenverhaltens in verschiedenen generischen Gewebesimulanzien, sowie Schutzmaterialien unter möglichst realitätsnahen und reproduzierbaren Bedingungen.
Für die Erzeugung reproduzierbarer Stoßwellen wurde ein Autoklav
(Druckbehälter) entwickelt, mit dem durch die detonative Umsetzung eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches gut reproduzierbare Druckwellen unter Freifeldbedingungen erzeugt werden können. Vorteile dieser Methode sind unter anderem die kurzen Rüstzeiten zwischen Versuchsdurchgängen, die Minimierung störender Einflüsse im Vergleich zu Stoßwellenrohren und die geringeren Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur Anwendung von konventionellen Sprengstoffen. Das generische Torso-Modell besteht in seiner einfachsten Form aus einem mit Druck- und Beschleunigungssensoren instrumentierten Gelatineblock, welcher eine Simulanz für organisches Gewebe darstellt. Zur Untersuchung des Stoßwellenverhaltens wurden verschiedene Medien, wie Hohlkörper, Festkörper und Gewebesimulanzien differenter Dichte in das generische Torso-Modell eingebracht. Einen besonderer Untersuchungsschwerpunkt bildeten die Grenzbereiche zwischen den unterschiedlichen Medien. Des Weiteren wurde analysiert, wie sich verschiedene Schutzmaterialien auf das Stoßwellenverhalten auswirken und mit welchen veränderten Eigenschaften die Stoßwelle anschließend in die Gewebesimulanz einkoppelt.
Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen (sog. Composites) werden vielfältig zur Speicherung von Wasserstoff in und auf Fahrzeugen eingesetzt: auf Bus- und Zugdächern, im Pkw und auf für den Transport von Wasserstoff in sog. Batteriefahrzeugen. Alleine dort haben die neuen Composite-Speicher zu einer Gewichtsreduktion und damit Steigerung der Transporteffizienz von 10 auf 35 kg Wasserstoff pro Tonne Fahrzeuggewicht geführt.
Mit der dadurch gestiegenen Menge von Wasserstoff im Fahrzeug und auch der Anzahl der Fahrzeuge ist es hilfreich, die Risiko-Aspekte genauer zu betrachten. Die Druckwelle von Wasserstoff ist zwar bei gleichem Druck-Volumen-Produkt (pV-Produkt) von geringerer Konsequenz, aber absolut dennoch erheblich. Kombiniert man diese Betrachtung mit der Risikogrenze, wie diese in der GGR 021 auf Basis der Eintrittswahrscheinlichkeit und des pV-Produkts festgelegt ist, lässt sich das Risiko zukunftsfest steuern.
Zieht man als Beispiel den Schweitzer Ansatz zur Seveso-II- Richtlinie hinzu, kommt man z.B. über die Anzahl der Toten zu einer Obergrenze der Konsequenz, die unabhängig vom Risiko kritisch wird. Sobald im Katastrophenfall keine adäquaten Maßnahmen mehr ergriffen werden können, können die entsprechenden Konsequenzen zur mehr unter erheblichen Auflagen akzeptiert werden.
Da ein solcher Ansatz für den Gefahrguttransport von (zukünftigen) Massengütern wie Wasserstoff nicht akzeptabel ist, muss bei der Zulassung von Wasserstoffspeichern im Transport auf ein maximales pV-produkt von 1.5 Mio bar-Liter (Prüfdruck) bzw. 1 Mio bar-Liter (Nennbetriebsdruck) geachtet werden.
Diese Betrachtung hat bereits zu erheblichen Begrenzungen des Geltungsbereichs in Normungsprojekten geführt.
In der Arbeit wird über Untersuchungen zur Bestimmung des Explosionsdruckes bei detonativ verlaufenden Gasreaktionen berichtet. Mit welchem Explosionsdruck bzw. mit welcher daraus resultierenden Beanspruchung der Rohr- bzw. Behälterwand bei detonativ verlaufenden Gasreaktionen gerechnet werden muss, hängt außer von der reaktionsfähigen Gasphase und dem Anfangsdruck auch ganz wesentlich von der Lage des Umschlagspunktes zur Detonation in dem jeweils betrachteten System ab. Bei Detonationen in Rohrleitungen müssen mit Bezug auf den Umschlagspunkt zur Detonation drei verschiedene Belastungsfälle beim Durchlaufen der Reaktionsfront und vier verschiedene Belastungsfälle bei der Reflexion der Reaktionsfront unterschieden werden, die zu unterschiedlich hohen Beanspruchungen an der Rohrwand führen. Bei Detonationen in Behältern müssen mit Bezug auf den Umschlagspunkt zur Detonation analog zu den vier Belastungsfällen bei Reflexion der Reaktionsfront am Rohrende vier verschiedene Belastungsfälle unterschieden werden, die zu unterschiedlich hohen Beanspruchungen an der Behälterwand führen. Zur Bestimmung des Explosionsdruckes bei Detonationen und den verschiedenen Belastungsfällen wurden drei verschiedene Messverfahren eingesetzt: - Bestimmung über die Verformung von Aluminiumblechscheiben und den für eine gleichgroße Verformungsarbeit erforderlichen statischen Vergleichsdruck (p"" nach der Berstscheibenverformungsmethode). - Bestimmung über die Verformung der Rohr- bzw. Behälterwand und den für eine gleichgroße Verformungsarbeit erforderlichen statischen Vergleichsdruck. - Bestimmung mit Hilfe einer Messkette aus Druckgeber, Verstärker und Speicheroszillograph. Die nach der Rohr- bzw. Behälterwandverformungsmethode bestimmten statischen Vergleichsdrücke sind die Explosionsdrücke, die für die Bemessung detonationsgefährdeter Rohrleitungen bzw. Behälter herangezogen werden können. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass bei Rohrleitungen DIN 20 und dem Belastungsfall "Durchlaufen einer stabilen Detonation bei stationären Bedingungen" der bei der Druckmessung ermittelte maximale Explosionsdruck pm' und der nach der Rohrwand- verformungsmethode ermittelte statisch Vergleichsdruck etwa gleichgroß sind. Stationäre Bedingungen bedeutet hier, dass der Zustand des Frischgases beim Eintreffen der Reaktionsfront nicht mehr durch die beim Anlaufvorgang erzeugten und in das Frischgas vorgelaufenen Druckwellen verändert ist, d. h. stationäre Bedingungen in Bezug auf den Zustand der Gasphase. Beim Belastungsfall "Reflexion einer stabilen Detonation bei stationären Bedingungen" ist - zumindest bei Rohrleitungen DN 20 - der bei der Druckmessung ermittelte maximale Explosionsdruck pm größer als der nach der Rohrwandverformungsmethode ermittelte statische Vergleichsdruck und beim Belastungsfall "Reflexion einer instabilen Detonation bei extrem instationären Bedingungen" ist er etwa dreimal so groß wie der nach der Rohrwandverformungsmethode ermittelte statische Vergleichsdruck. Die weitere Diskussion der Versuchsergebnisse deutet aber an, dass bei Rohrleitungen mit größeren Durchmessern auch beim Belastungsfall "Reflexion einer stabilen Detonation bei stationären Bedingungen" der bei der Druckmessung ermittelte maximale Explosionsdruck etwa genauso groß sein müsste, wie der nach der Rohrwandverformungs-methode ermittelte statische Vergleichsdruck p'"at. Hier müssten zur Ergänzung auch Versuche mit einer Verformung von Rohren mit größerem Durchmesser ausgeführt werden. Bei Behältern ist der bei der Druckmessung ermittelte maximale Explosionsdruck pma bei allen Belastungsfällen größer als der nach der Behälterwandverformungsmethode ermittelte statische Vergleichsdruck. Der Einfluss des Durchmessers auf den Explosionsdruck und die Beanspruchung von Rohrleitungen bei detonativ verlaufenden Gasreaktionen wird näher untersucht. Auf die Beanspruchung von Schlauchleitungen bei detonativ verlaufenden Reaktionen und die daraus resultierenden Kriterien für deren Dimensionierung wird am Beispiel von Schlauchleitungen für Hochdruck-Acetylen eingegangen. Die Diskussion der Versuchs- ergebnisse führt schließlich auch noch auf eine neue Hypothese für die Ursache des Spins bei detonativ verlaufenden Gasreaktionen in Rohrleitungen.