מה ההבדל בין חומר נפץ הודף למרסק? איך זה שפצצות לא מופעלות מכל טלטול קטן או זיק חשמלי חולף? מדוע דשנים עלולים להתפוצץ? ואיך פועלת כרית אוויר? המדע של חומרי הנפץ

כולנו יודעים על קיומם של חומרי נפץ. הם מופיעים בשלל מקומות – החל בסרטי פעולה וכלה במחצבות וכמובן בכלי נשק בשימושם של צבאות וארגוני טרור. אך איך הם פועלים בעצם ומה מייחד אותם מחומרים בעירים אחרים? ומה קורה כשמתרחש פיצוץ?

חומרי נפץ מוגדרים כחומרים שמסוגלים לשחרר את האנרגיה הכימית האצורה בהם במהירות רבה. האנרגיה אינה חייבת להיות רבה במיוחד: העיקר הוא מהירות השחרור שלה. חומרי הנפץ משחררים בדרך כלל כמות קטנה יחסית של אנרגיה יחסית למשקלם. למעשה, בגרם אחד של חומרי הנפץ החזקים ביותר שאינם גרעיניים יש בערך מחצית מהאנרגיה שגוף האדם מפיק מגרם סוכר. אך חילוף החומרים בגופנו משחרר את האנרגיה הזו באיטיות ובהדרגה, בעוד שחומרי נפץ משחררים אותה בתוך חלקיק שנייה.

חומרי נפץ הודפים

אפשר לחלק את חומרי הנפץ הכימיים לשני סוגים עיקריים. הראשון הוא חומרי הנפץ ההודפים, אשר מורכבים מתערובת של דלק וחומר מחמצן שמגיבים כימית זה עם זה מהר מאוד לעומת בעירה רגילה. המהירות שבה השריפה מתפשטת בחומר עשויה להגיע לכמה מאות מטרים בשנייה – מהירות גבוהה, אך עדיין נמוכה בהרבה ממהירות הקול בחומר, שעשוייה להגיע לכמה אלפי מטרים לשנייה.

כשהחומר נשרף, מתרחש תהליך הקרוי דפלגרציה (deflagaration), מונח שנגזר מהמילה הלטינית שפירושה "להישרף". אפשר לתאר את התהליך כך: שכבה אחת של מולקולות החומר ההודף בוערת, וכתוצאה מכך נפלטים גזים רבים וחום. החום מחמם את השכבה הבאה, שעוברת גם היא תגובה כימית זהה, וכך התהליך מתפשט, כמו שורה של אבני דומינו. התהליך דומה למה שמתרחש כשחומרים רגילים נשרפים, אך מהיר הרבה יותר בחומרי נפץ הודפים. הגזים המצטברים גם מגדילים את הלחץ, שמאיץ עוד יותר את קצב התגובה הכימית.

החומרים ההודפים היו חומרי הנפץ הראשונים שהתגלו. כבר במאה התשיעית לספירה, ואולי אף קודם, גילו הסינים את אבק השריפה השחור, שהיה חומר הנפץ הראשון הידוע לנו. הם יצרו את האבקה השחורה הדליקה משלושה מרכיבים עיקריים: פחם, גופרית וחנקת האשלגן (KNO3). מסין הוא הגיע לעולם המוסלמי במאה ה-12 ולאירופה במאה ה-13.

 

 

לחומרי נפץ הודפים יש שימושים רבים, שכן במהלך הבעירה הם מייצרים במהירות כמות רבה של גזים, שאפשר לנצל להנעה אם הם מוצתים בחלל סגור. מכאן גם נגזר שמם - הם הודפים עצמים. כדורי רובה, פגזים וטילים מתבססים כולם על שריפה של חומרי נפץ הודפים לצורך הנעה. מעניין לציין שבעבר, לפני מאות שנים, היה צורך לדחוס שקיק של אבק שריפה לתוך קנה הרובה ורק לאחריו את הכדור. כיום הכדורים כבר מכילים חומר הודף בתוכם, כך שלרובים מוכנס הכדור בלבד. שימוש נוסף של חומרי הנפץ ההודפים הוא למשל בזיקוקי די-נור: הודפים הם הסיבה לכך שהזיקוק ממריא לשמיים וגם לכך שהזיקוקים מתפזרים על פני שטח נרחב בשמיים לאחר שניצתו.

מה אפשר לעשות עם פחם, גופרית וחנקת האשלגן? אבק שריפה שחור | צילום: פרטי, באדיבות אורי טייכמן
מה אפשר לעשות עם פחם, גופרית וחנקת האשלגן? אבק שריפה שחור | צילום: פרטי, באדיבות אורי טייכמן

חומרי נפץ מרסקים

הסוג השני של חומרי הנפץ הוא חומרי הנפץ המרסקים, שעוברים תהליך כימי שונה הקרוי בעברית נֶפֶץ (דטונציה). בדרך כלל מדובר בפירוק כימי מהיר ביותר של החומר, שבו המולקולה מתפרקת למולקולות קטנות ופשוטות בתהליך שמשחרר אנרגיה.

בדטונציה האנרגיה לא מתפשטת על ידי מעבר חום כמו בשריפה רגילה או בדפלגרציה, אלא באמצעות גל הלם שמתפשט בחומר. גל הלם הוא עלייה חדה ופתאומית בצפיפות החומר, המתפשטת במהירות רבה. כשחומר הנפץ מתחיל להתפוצץ, גל ההלם מגיע לשכבת המולקולות הבאה של חומר הנפץ, וכתוצאה מהעלייה החדה בצפיפות ובטמפרטורה הן מתפרקות ומשחררות אנרגיה נוספת, שתומכת בגל ההלם ומחזקת אותו. כך הגל ממשיך לשכבה הבאה.

גל ההלם הוא מהיר מאוד – הרבה יותר מהדפלגרציה ואפילו ממהירות הקול בחומר. רוב חומרי הנפץ המרסקים יוצרים גלי הלם שמהירותם כמה קילומטרים לשנייה, ובחומרי הנפץ החזקים ביותר היא יכולה להתקרב לעשרה קילומטרים לשנייה. הדטונציה היא תופעה מורכבת מאוד, וגם כיום יש בה היבטים שאיננו מבינים די הצורך.

בסרטון של The Slow Mo Guys אפשר לראות היטב את גל ההלם בהילוך איטי, מ-9:33 דקות: 

חומרי נפץ מרסקים נמצאים כמובן בשימוש צבאי בפצצות למיניהן, למשל ברימון: רימון יד מכיל חומר נפץ העטוף בשכבת מתכת, כך שכאשר חומר הנפץ מתפוצץ הוא קורע את המתכת ויוצר ממנה רסיסים רבים, אשר עפים במהירות גדולה מאוד וגורמים לפציעה. ההדף הנוצר מגל ההלם הרבה פחות קטלני מהרסיסים בדרך כלל, אם כי לעתים משתמשים גם בו, למשל בעת דיג לא חוקי עם חומרי נפץ, כאשר ההדף פוגע בדגים (ובכל שאר הסביבה הימית, באופן קשה). 

לחומרי נפץ מרסקים ישנם גם שימושים פחות אלימים: למשל, הם נפוצים בכרייה, בעבודות הנדסיות ובשימושים אזרחיים נוספים. עם חומרי הנפץ המרסקים הידועים נמנים TNT, ניטרוגליצרין (בעיקר בצורתו כדינמיט) ו-RDX, שהוא המרכיב העיקרי בחומרי נפץ פלסטיים רבים.

פיצוץ של 450 טונות TNT בניסוי צבאי אמריקאי, 1965. אפשר לראות את גל ההלם מתפשט על פני המים וענן התעבות באוויר | צילום: Naval Historical Center, נחלת הכלל
פיצוץ של 450 טונות TNT בניסוי צבאי אמריקאי, 1965. אפשר לראות את גל ההלם מתפשט על פני המים וענן התעבות באוויר | צילום: Naval Historical Center, נחלת הכלל

חומרי נפץ פלסטיים הם חומרי נפץ בעלי מרקם גמיש, דמוי פלסטלינה, שנוצרים על ידי ערבוב של כמות קטנה יחסית של תוספים עם חומר נפץ מרסק. חומר נפוץ במיוחד שיכול להפוך לחומר נפץ מרסק הוא אמוניום ניטראט (NH4NO3) – אותו דשן שגרם ב-4 באוגוסט השנה לפיצוץ אדיר בנמל ביירות. החומר משמש בין השאר כדשן בחקלאות, אך בתנאים מסוימים הוא עשוי להתפוצץ כחומר נפץ לכל דבר, ובמיוחד אם ערבבו אותו עם חומר אורגני כמו סוכר או סולר. גם דשנים אחרים עשויים לשמש כחומרי נפץ או כחומרי מוצא לחומרי נפץ.

 דשן שהוא גם חומר נפץ. הרס בנמל ביירות למחרת הפיצוץ העז של אמוניום ניטראט | צילום: Nady Sokhn, Shutterstock
דשן שהוא גם חומר נפץ. הרס בנמל ביירות למחרת הפיצוץ העז של אמוניום ניטראט | צילום: Nady Sokhn, Shutterstock

לא רק פצצות

ההבחנה בין שני סוגי חומרי הנפץ אינה מוחלטת: יש חומרים רבים שבדרך כלל רק יבערו, אך בתנאים מסוימים הם עלולים להתפוצץ ולעבור דטונציה. דוגמה לכך היא תערובת של בנזין ואוויר או גזים דליקים ואוויר, שעשויה להתפוצץ בריכוזים מסוימים. לחלופין, יש חומרי נפץ מרסקים שאם מדליקים אותם הם בוערים בלי להתפוצץ.

מאחר שכמעט כל המנועים מנצלים את השריפה של דלק, חשוב למנוע בהם את האפשרות שתערובת הדלק והאוויר תעבור דטונציה, שכן היא עלולה לפגוע במנוע. חוקרים מנסים כיום לפתח מנועים שינצלו דווקא את הדטונציה של הדלק והאוויר ויתוכננו בהתאם. למנועים כאלה יש פוטנציאל להיות יעילים יותר ממנועי הבעירה הפנימית, אך הם עדיין בשלבי פיתוח.

לחומרי נפץ יש שימושים רבים: חומרי נפץ הודפים מייצרים כוח להנעה בזכות כמות הגזים הגדולה שהם משחררים במהלך הבעירה. בשריפה מהירה שלהם בחלל קטן וסגור נוצרים גזים רבים, שהם דחוסים וחמים מאוד עקב האנרגיה הרבה המשתחררת והתהליך המהיר. כשהגזים הללו משתחררים בכיוון מסוים, נוצר כוח בכיוון ההפוך לפי החוק השלישי של ניוטון, שקובע כי כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף אחר, הגוף השני מפעיל עליו כוח שווה בעוצמתו אך מנוגד בכיוונו.

כך אפשר לדחוף כדורי רובה ופגזים מתוך תרמיל, בתהליך שבו השריפה היא קצרה מאוד, או להניע טילים, שבהם השריפה היא מתמשכת והדחף נמשך לאורך זמן. חומרי נפץ הודפים הם המקור לדחף כמעט בכל המקרים הללו, אם כי יש גם טכנולוגיות אחרות שנמצאות בפיתוח ואינן מתבססות עליהם, למשל תותח חשמלי.

גם לחומרי נפץ מרסקים יש שימושים רבים מעבר להיבט הצבאי של פצצות, מוקשים, פגזים ורימונים: ראשית, הם משמשים לכריית מחצבים – כדי לפנות אדמה באמצעות פיצוץ או כדי לרסק סלעים גדולים לסלעים קטנים שקל יותר לפנות. כמו כן הם משתמשים בחומרי נפץ בהנדסה, למשל לצורך הריסה מתוכננת של מבנים. 

שימוש אזרחי נפוץ אחר הוא בכריות אוויר ברכב: הן מכילות בדרך כלל חומר נפץ שיוצר כמות גדולה של תוצרים גזיים, בדרך כלל חנקן ולעתים גם פחמן דו חמצני, ואלו מנפחים במהירות רבה את כרית האוויר במטרה להגן על הנהג והנוסעים.

שימוש נוסף ונדיר יותר נעשה בחומרי נפץ לצורך ריתוך של מתכות. באמצעות פיצוץ אפשר להפעיל כוח חזק מאוד על פיסת מתכת אחת וכך לגרום לה להתחבר בחוזקה לפיסת מתכת אחרת. עם זאת, השיטה מוגבלת מבחינת סוגי המתכות שאפשר לרתך יחד בעזרתה והצורה שבה הפיצוץ יחבר אותן. קיימים גם חומרי נפץ שנעשים בהם שימושים רפואיים, למשל ניטרוגליצרין הוא תרופה להרחבת כלי דם ולמניעת תעוקת לב, אך ההשפעה הזאת קשורה לתכונות כימיות אחרות של החומר ולא לנפיצותו.

הריסה מתוכננת של מבנים: סרטון המתעד פיצוץ מבוקר של בניינים: 

היסטוריה של פיצוצים

אבק השריפה אומנם התגלה כבר לפני למעלה מאלף שנה, אך עד המאה ה-19 לא חלו בו שינויים רבים ולא התגלו כמעט חומרי נפץ אחרים. חומר הנפץ המרסק הראשון, שהיה גם חומר הנפץ הראשון שעלה בעוצמתו על אבק השריפה, היה הניטרוגליצרין, שהתגלה באמצע המאה ה-19. בעקבותיו פותחו חומרי נפץ הודפים ומרסקים נוספים, כמו הניטרוצלולוזה וה-TNT.

בצורתו הטהורה הניטרוגליצרין רגיש מדי ולכן נכנס לשימוש מעשי נרחב רק כעבור שנים, כשאלפרד נובל המציא את הדינמיט – צורה מיוצבת של ניטרוגליצרין. נובל עשה הון מהפיתוח הזה ומהמצאות אחרות שלו בתחומים קרובים ובצוואתו הוריש את כספו לקרן המעניקה מדי שנה את פרס נובל.

גם חומרים הודפים חדשים התגלו בתקופה הזאת. אבק השריפה הקלאסי, הנקרא גם אבק שריפה שחור, פולט 56 אחוז מהמסה שלו בתור תוצרים מוצקים, שנפלטים מכלי הנשק בצורת עשן שחור סמיך, שמקשים על הראייה ומסגירים את מקום הימצאו של היורה, ואף מותירים משקעים בכלי הנשק. לכן השימוש בו דעך מאוד מאז המחצית השנייה של המאה ה-19.

כיום החומר ההודף בכלי נשק רבים קרוי אבק שריפה נטול עשן. אבק השריפה המודרני מבוסס על הודפים אחרים ובעיקר ניטרוצלולוזה, ויתרונו הוא בכך שהוא לא משאיר אחריו כמעט שום תוצרים מוצקים אלא הופך כמעט כולו לגזים. היעדרם של מוצקים בתוצרי השריפה גם פתח את הדלת לייצורם של כלי נשק אוטומטיים, שבהם ההצטברות של משקעים אחרי כל ירייה פחותה משמעותית כשמשתמשים בהם בכדורים המבוססים על אבק שריפה מודרני. 

מעניין לציין שאחד מסוגי אבק השריפה נטול העשן, הקרוי קורדיט, היה מרכזי מאוד במלחמת העולם הראשונה עבור הבריטים, וייצורו דרש אצטון. חיים ויצמן, לימים נשיא המדינה הראשון, גילה דרך יעילה לייצור אצטון, על ידי תהליך תסיסה שעושים חיידקים, ותרם אותה לבריטים. בהמשך ויצמן ניצל את הקשרים הטובים שיצר בצורה זו כדי להשיג את הצהרת בלפור. כיום מיוצרים האצטון ואבק השריפה בתהליכים אחרים ומתקדמים יותר.

מלחמות העולם של המאה ה-20 תרמו אף הן משמעותית לפיתוח חומרי נפץ רבים חדשים. גם בימינו כימאים ממשיכים לפתח חומרי נפץ חדשים ובעלי תכונות רצויות יותר, שיחליפו חומרים ישנים כמו TNT הסובלים מחסרונות כמו רעילות וזיהום סביבתי בייצור.

חומר נפץ זול ובטיחותי יחסית, אך רעיל ומזהם. לבני TNT | צילום: SPUTNIK / SCIENCE PHOTO LIBRARY
חומר נפץ זול ובטיחותי יחסית, אך רעיל ומזהם. לבני TNT | צילום: SPUTNIK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

הכימיה של חומר הנפץ

מרבית חומרי הנפץ המרסקים הם מולקולות אורגניות – תרכובות פחמן המכילות חלקים שמפחיתים את יציבות המולקולה. לקבוצות אטומים שיכולות להופיע במולקולות שונות קוראים קבוצות פונקציונליות. שתיים מהקבוצות הפונקציונליות הנפוצות ביותר בחומרי נפץ נקראות ניטרו וניטראט. TNT, למשל הוא ראשי תיבות באנגלית של "טולואן תלת-ניטרו" (tri-nitro toluene). הקבוצות הללו מכילות את היסוד חנקן, שנפוץ כמעט בכל סוגי חומרי הנפץ. עם זאת הקשר בין חנקן לתכונות של חומרי נפץ הוא חלקי בלבד, שכן תרכובות ביולוגיות רבות מכילות חנקן ואינן נפיצות כלל, וקיימים גם חומרי נפץ שאינם מכילים חנקן.

נהוג להוסיף לחומרי נפץ תוספים שמשפרים את תכונותיהם. לאבקות שריפה, למשל, מוסיפים חומרים סופחי לחות, וכן מייצבים ששומרים על יציבותן ומונעים מהן להתפרק. אפשר לחשוב על החומרים האלה כעל מעין "חומרים משמרים" שמונעים מאבק השריפה להתקלקל. תוספים אחרים מאפשרים עיבוד נוח של חומר הנפץ או מפחיתים את הרגישות שלו כדי שלא יתפוצץ בטעות.

במקרים רבים גם מערבבים יחדיו כמה חומרי נפץ שונים, כדי ליצור תערובת שתכונותיה עולות על אלה של כל מרכיב בנפרד. לדוגמה, אחד היתרונות הגדולים של TNT הוא שאפשר להתיך אותו ללא חשש ולצקת אותו לצורה הרצויה, אך RDX הוא חומר נפץ חזק יותר שמשחרר יותר אנרגיה. כשמערבבים את השניים נוצרת תערובת שאפשר לצקת ועוצמתה עולה על זאת של ה-TNT לבדו.

במקרים אחרים מערבבים חומרי נפץ שתוצרי הפיצוץ שלהם עשויים להגיב זה עם זה, לשחרר אנרגיה נוספת וכך להגביר את עוצמת הפיצוץ. בדרך כלל עושים את זה על ידי ערבוב של חומר נפץ המכיל מעט חמצן יחסית – תכונה שנכונה לרוב חומרי הנפץ – עם מחמצן, שלעיתים אפילו לא חייב להיות בעצמו חומר נפץ. דשנים רבים המכילים ניטראטים, כגון אמוניום ניטראט, עשויים לשמש בתפקיד המחמצן בתערובת כזאת.

ההרכב הכימי של RDX ומבנה המולקולה | איור: StudioMolekuul, Shutterstock
חומר נפץ חזק, המשחרר אנרגיה רבה. ההרכב הכימי של RDX ומבנה המולקולה | איור: StudioMolekuul, Shutterstock

ספונטני ורגיש?

אין קשר ישיר בין עוצמת חומר הנפץ, כלומר האנרגיה המשתחררת בפיצוץ, לבין הרגישות שלו, כלומר עד כמה קל ליזום פיצוץ שלו. יש חומרי נפץ חזקים מאוד ורגישים ואחרים שאדישים כמעט לכל גירוי שנעמיד בפניהם. באופן דומה, גם חומרי נפץ חלשים למדי עשויים להיות רגישים מאוד או אדישים.

הרגישות של חומרי נפץ משתרעת על פני קשת רחבה מאוד. יש חומרים שיתפוצצו ממכה, חיכוך חלש או אפילו מכת חשמל סטטי מהסוג שאנו מקבלים מדי פעם ביום חורף יבש. ניטרוגליצרין למשל יתפוצץ אפילו ממכה לא חזקה. אחרים יתפוצצו אך ורק אם יגיע אליהם גל הלם חזק שמקורו בפיצוץ של חומר נפץ אחר.

TNT הוא למשל חומר נפץ שימושי מאוד מכיוון שאפשר לחמם אותו ואף להתיך אותו לנוזל והוא לא יתפוצץ. ובמקרה של חומר הנפץ ניטרומתאן כל כך קשה ליזום פיצוץ שלו עד שעצם העובדה שהוא חומר נפץ התגלתה רק בעקבות תאונה שבה מכל שלו התפוצץ. 

כריות האוויר במכוניות, שהוזכרו לעיל, מופעלות על ידי זרם חשמלי: כאשר הרכב מעורב בתאונה ומאט את מהירותו באופן משמעותי (הרבה יותר מהר מאשר לחיצה חזקה על הבלמים למשל), מופעל מצת בתוך כרית האוויר המעביר זרם חשמלי בחומר הנפץ המאוחסן בה, וכך גורם לפיצוצו וליצירת כמות גזים גדולה במהירות רבה, כפי שהוזכר.

שינוי מהירות קיצוני גורם להעברת זרם חשמלי בחומר הנפץ. כריות אוויר במכונית | צילום: testing, Shutterstock
שינוי מהירות קיצוני גורם להעברת זרם חשמלי בחומר הנפץ. כריות אוויר במכונית | צילום: testing, Shutterstock

משיקולי בטיחות, רוב חומרי הנפץ שנמצאים בשימוש שגרתי, אזרחי או צבאי, אינם רגישים כמעט. כשרוצים שהם יתפוצצו, עושים זאת בדרך כלל על ידי פיצוץ מרחוק של כמות קטנה של חומר נפץ רגיש יותר, שאותו מגרים להתפוצץ למשל על ידי זרם חשמלי. הפיצוץ הקטן שנוצר מפעיל את מטען הנפץ הגדול.

יש חומרי נפץ יקרים מאוד וקשים לייצור, המשמשים בדרך כלל לצרכים ממוקדים, שבהם תכונותיהם הספציפיות חשובות במיוחד ומצדיקות את המחיר הגבוה. לעומת זאת, את מרבית חומרי הנפץ הנפוצים ביותר זול ופשוט למדי לייצר באמצעים תעשייתיים, אך לא בבית. קיימים גם סוגים של חומרי נפץ שקל יחסית לייצר באמצעים פשוטים. בדרך כלל משתמשים בהם ארגוני טרור וגורמים אחרים שמסוגלים לייצר אותם במעבדות ביתיות מאולתרות, אך אינם מסוגלים לייצר חומרי נפץ סטנדרטיים ואין להם גישה לתעשייה כימית. 

חומרי נפץ ביתיים כאלה נחותים בדרך כלל בתכונותיהם ובבטיחות השימוש בהם לעומת מקביליהם התקניים, ולכן הם אינם נפוצים במיוחד בתעשייה מלכתחילה. גם במקרים הפשוטים ביותר לכאורה תהליך הייצור שלהם מועד לתקלות ולתאונות קטלניות. מומלץ מאוד להימנע מכל התעסקות לא חיונית עם חומרי נפץ, במיוחד אם אינכם מומחים בנושא. והכי חשוב – אל תעשו את זה בבית!

 

0 תגובות