Fajerwerki przyszłości

Fajerwerki narodziły się w starożytnych Chinach ok. VIII w. Tamtejsi alchemicy, eksperymentując z mieszanką siarki, węgla drzewnego i saletry (azotanu potasu), przypadkowo odkryli proch czarny. Ta łatwopalna substancja, zamknięta w bambusowych rurkach i podpalona, generowała głośne wybuchy, które miały odstraszać złe duchy. Pierwsze sztuczne ognie były więc raczej prymitywnymi petardami, ale dały początek sztuce kojarzonej z pokazami świetlnymi. W kolejnych wiekach technologia produkcji fajerwerków ewoluowała. Alchemicy Państwa Środka zaczęli testować kolejne składniki chemiczne, co pozwoliło im uzyskać różne kolory i efekty wizualne, wzbogacające święta oraz ceremonie. Chińskie tradycje szybko rozprzestrzeniły się na Bliski Wschód dzięki jedwabnemu szlakowi, a następnie dotarły do Europy, gdzie znalazły liczne grono entuzjastów.

W Europie, zwłaszcza we Włoszech, pirotechnika osiągnęła nowy poziom. Włoscy rzemieślnicy wprowadzili bardziej złożone konstrukcje i eksperymentowali z nowymi związkami chemicznymi, dlatego uzyskali intensywniejsze kolory, takie jak czerwony, zielony i niebieski. Dzięki temu fajerwerki zaczęły uświetniać królewskie ceremonie, parady wojskowe oraz ważne święta. Rozwój tej sztuki trwał nieprzerwanie, a kolejne innowacje w XIX i XX w. dały możliwość przeprowadzania spektakularnych pokazów, przypominających dzisiejsze. Współczesne sztuczne ognie są więc nie tylko owocem chińskiej pomysłowości, ale także europejskiej kreatywności i naukowej precyzji, co uczyniło je nieodłącznym elementem widowiskowych celebracji na całym świecie.

Chemia pod kontrolą

Działanie fajerwerków opiera się na starannym doborze składników umożliwiających wzlot, eksplozję, a także intensywnie kolorowe rozbłyski na niebie. Podstawowym elementem jest paliwo, najczęściej proch czarny, zapewniające energię niezbędną do wzlotu i wybuchu. Proch zawiera azotan potasu, węgiel i siarkę – te trzy składniki spalają się intensywnie, wytwarzając dużą ilość gazów wyrzucających fajerwerk w powietrze. Wysoka temperatura, generowana podczas spalania, pozwala zadziałać innym składnikom, a także inicjuje reakcje chemiczne odpowiedzialne za kolory.

Utleniacze, takie jak azotany, chlorany czy nadchlorany, są dodawane w celu dostarczenia tlenu (z rozpadu ich cząsteczek) potrzebnego do szybkiego i intensywnego spalania paliwa. Dzięki nim reakcje zachodzą efektywniej i intensywniej, a materiały mogą palić się mocnym płomieniem. Bez utleniaczy spalanie byłoby słabsze, a wybuch – mniej widowiskowy. Pomagają one także w kontrolowaniu tempa spalania, co jest kluczowe, aby fajerwerki wybuchały na odpowiedniej wysokości.

Najważniejszym elementem odpowiedzialnym za wizualny efekt są specjalne barwniki – sole metali, np. stront tworzy intensywną czerwień, bar – kolor zielony, a miedź – niebieski. Dodatkowo wspomniane wyżej chlorany i nadchlorany wzmacniają intensywność niektórych barw, zwłaszcza bardziej nasyconych, jak zielona i niebieska. W zależności od rodzaju soli i ich rozmieszczenia w kapsułkach wewnątrz fajerwerków możliwe jest tworzenie różnorodnych wzorów, w tym rozbłysków w kształcie pierścieni, wachlarzy czy kaskad.

Fajerwerki zawierają także spoiwa, takie jak dekstryna, które pomagają utrzymać całą mieszankę chemiczną w formie kompaktowej i umożliwiają w odpowiednim momencie kontrolowane spalanie. Substancje te wiążą poszczególne składniki w jedną masę, co zapobiega ich przypadkowemu rozsypaniu i pozwala na dokładne rozmieszczenie barwników w kapsułkach.

Czyste niebo

Fajerwerki wywołują emocje, radość i ekscytację. Mają jednak ciemną stronę. Nie tylko stanowią bezpośrednie zagrożenie w związku z tym, że są po prostu materiałami wybuchowymi, ale też zanieczyszczają środowisko, emitując gazy, drobne pyły, metale ciężkie oraz mikroplastik. W ostatnich latach więc chemicy i inżynierowie poświęcili wiele czasu i wysiłku, aby uczynić tę rozrywkę mniej uciążliwą ekologicznie.

W latach 90. XX w. każdego roku w parkach rozrywki Disneya wystrzeliwano około miliona sztuk fajerwerków, co generowało znaczne zanieczyszczenie powietrza. W trosce o środowisko firma przy współpracy z Los Alamos National Laboratory w stanie Nowy Meksyk opracowała niemalże bezdymne fajerwerki. Tradycyjne sztuczne ognie składają się z takich elementów jak kartonowe opakowania, węgiel drzewny w prochu czarnym, dekstryna jako spoiwo oraz organiczne wypełniacze, które przy spalaniu wytwarzają dużą ilość sadzy i innych zanieczyszczeń. W ramach innowacyjnego podejścia zastąpiono te komponenty związkami na bazie azotu, jak pochodne tetrazolu i tetrazyny, a także nitrocelulozą, która spala się szybko, całkowicie i w wysokiej temperaturze. Ta zmiana umożliwiła znaczne ograniczenie emisji sadzy i dymu.

Dodatkowo od 2004 r. Walt Disney Company stosuje systemy pneumatyczne do wyrzucania fajerwerków w powietrze zamiast tradycyjnych ładunków startowych bazujących na prochu czarnym. Dzięki temu rozwiązaniu zmniejszono emisję dymu i cząstek stałych związanych z fazą startową, co pozwala na przyjaźniejsze dla środowiska i czystsze pokazy. Disneyowskie podejście do sztucznych ogni pokazuje, że innowacje w tej dziedzinie są możliwe nawet na dużą skalę.

Pirotechnika w koszarach

W chemii fajerwerków nadchlorany (ClO₄^-) pełnią funkcję skutecznych utleniaczy i są szeroko stosowane w ich produkcji. Ale używanie tych substancji niesie znaczne zagrożenia dla środowiska i zdrowia publicznego. Początkowo w sztucznych ogniach wykorzystywano chlorany (ClO₃^-) – popularne od lat 30. XX w. – ale zachodzące z ich udziałem intensywne reakcje chemiczne prowadziły do powstawania niebezpiecznych dioksyn. Nadchlorany miały być bezpieczniejszą alternatywą, lecz ich obecność w środowisku okazała się również problematyczna.

Głównym odbiorcą nadchloranów była armia amerykańska, która wykorzystywała je m.in. we flarach i sygnalizatorach. Z biegiem czasu jednak specjaliści w okolicach wojskowych terenów treningowych odnotowali wysokie stężenia nadchloranów w wodzie pitnej. W przypadku spożycia nadchlorany mogą wpływać na funkcjonowanie tarczycy, gdyż zakłócają wchłanianie jodu, co prowadzi do zaburzeń wzrostu i rozwoju, zwłaszcza embrionów. Problem zanieczyszczenia środowiska nadchloranami skłonił więc rząd USA do wprowadzenia surowych limitów na ich obecność w różnych produktach. W odpowiedzi na te regulacje amerykańskie wojsko znacznie ograniczyło ich stosowanie, zastępując je bezpieczniejszymi utleniaczami, np. azotanami lub jodanami. Mimo to nadchlorany nadal są powszechnie używane w fajerwerkach dostępnych dla klientów na całym świecie. Wyeliminowanie ich z konsumenckiej oferty wymaga jednak dużych nakładów na badania i rozwój.

Bez chlorków

Chlor jest wciąż istotnym składnikiem fajerwerków głównie ze względu na jego znaczenie dla jakości barw. Kolory niebieski i czerwony – uzyskiwane dzięki miedzi i strontowi – są bardziej nasycone, gdy metale te występują w postaci chlorków (tj. CuCl₂ oraz SrCl₂). Niestety obecność chloru prowadzi do powstawania rozmaitych szkodliwych dla naszego zdrowia substancji. Badania prowadzone po pokazach fajerwerków z okazji Dnia Niepodległości 4 lipca w Stanach Zjednoczonych wykazały znaczący wzrost stężenia związków organicznych chlorowanych wokół miejsc ekspozycji. Co więcej, analizy przeprowadzone w Szwajcarii w 2014 r., monitorujące emisję rakotwórczego heksachlorobenzenu podczas prezentacji sztucznych ogni z okazji Święta Narodowego 1 sierpnia, wykazały, że emisje w tym dniu mogą odpowiadać aż za 14% całkowitej ilości tego związku wydzielanego w skali całego kraju.

Niedawno badacze zaprezentowali pomysł na rozwiązanie tego problemu. Odkryli np., że dodanie urotropiny (heksametylenotetraminy) do tlenku strontu pozwala na uzyskanie czerwieni fajerwerków o intensywności porównywalnej do tej otrzymywanej przy użyciu chlorków. Okazuje się więc, że można opracować sztuczne ognie bez chloru. Choć analizy są na etapie laboratoryjnym, stanowią ważny krok w kierunku bardziej ekologicznych i bezpiecznych dla zdrowia pokazów pirotechnicznych, które mogłyby w przyszłości zastąpić tradycyjne.

Zamiast metali ciężkich

Metale są kluczowe, jeśli chcemy uzyskać intensywne barwy sztucznych ogni. Na szczęście większość kolorów można wytworzyć dzięki stosunkowo bezpiecznym pierwiastkom, takim jak wapń, sód i magnez. Producenci fajerwerków starają się również dodawać metale w jak najmniejszych ilościach, zarówno ze względu na ich koszt, jak i możliwe skutki zdrowotne. Ale intensywna zieleń – charakterystyczna barwa wielu fajerwerków – wymaga obecności baru, który w postaci rozpuszczalnych soli jest toksyczny.

Praca badawcza z 2014 r. wskazuje jednak, że ten sam intensywny zielony kolor można uzyskać dzięki formule opartej na trinitroetyloboranie oraz węgliku boru, co pozwala na eliminację toksycznego baru. To rozwiązanie stanowi duży krok naprzód w kierunku bardziej ekologicznych fajerwerków. Rozwój alternatywnych formuł barwiących, eliminujących toksyczne metale, pokazuje, że można tworzyć równie efektowne pokazy świetlne przy jednoczesnym ograniczeniu ryzyka związanego z obecnością szkodliwych substancji. Ostatecznym celem jest całkowite usunięcie metali ciężkich z pirotechniki konsumenckiej, co pozwoliłoby cieszyć się fajerwerkami bez negatywnego wpływu na zdrowie i środowisko.

Redukcja plastiku

Odpady z opakowań fajerwerków również stanowią duży problem (szczególnie dla osób odpowiedzialnych za sprzątanie po zakończeniu uroczystości). Chociaż większa część opakowań powstaje z kartonu, to i tak mogą się z niego uwalniać mikroplastiki i chemikalia pochodzące z etykiet i spoiw. Te zanieczyszczenia miewają długotrwały wpływ na środowisko, gdyż mikroplastiki rozkładają się bardzo powoli i mogą przedostawać się do gleby oraz wód.

Niektórzy producenci fajerwerków próbują rozwiązać ten problem, opracowując w pełni spalające się w powietrzu tworzywa sztuczne, znikające w trakcie pokazu, lub korzystając z części biodegradowalnych. Przykładem jest firma Weco z Niemiec, która na swojej stronie internetowej podkreśla, że używa recyklingowanych materiałów oraz w 100% biodegradowalnych tworzyw do produkcji plastikowych części fajerwerków. Takie podejście pomaga ograniczyć ilość odpadów pozostających po pokazach pirotechnicznych i zmniejsza ilość plastiku dostającego się do środowiska.

Zimne ognie

W ostatnich latach rośnie zainteresowanie alternatywną formą rozbłysków, które mogą być równie efektowne, a jednocześnie mniej szkodliwe dla zdrowia i środowiska. W sylwestra 2020 r., gdy sprzedaż fajerwerków została ograniczona (m.in. w Polsce, choć w mniejszym stopniu niż np. w Niemczech), wiele rodzin sięgnęło po zimne ognie. Mimo że są znacznie mniejsze i wydają się bezpieczniejsze, one również niosą pewne ryzyko chemiczne, zwłaszcza w zamkniętych pomieszczeniach. Naukowcy ostrzegają przed ich używaniem w domu, ponieważ podczas spalania uwalniają się drobne ilości toksycznych metali. Większość komercyjnych zimnych ogni zawiera azotan baru jako utleniacz, a gdy się spalają, drobinki metalu mogą opadać na powierzchnie w przestrzeni, gdzie się znajdują. Nikt nie chciałby resztek baru w swojej kuchni czy na torcie, ponieważ rozpuszczalne sole baru są wysoce toksyczne. Zatrucie barem może zakłócić równowagę potasu w organizmie, prowadząc do hipokaliemii, która wpływa na funkcjonowanie mięśni i narządów.

Pokazy laserowe i dronowe

Alternatywną propozycją wobec tradycyjnych pokazów fajerwerków są pokazy laserów i dronów, które cieszą się coraz większą popularnością jako ekologiczne i nowoczesne sposoby celebrowania ważnych wydarzeń. Pokazy laserowe wykorzystują zaawansowaną technologię świetlną, pozwalając na tworzenie dynamicznych efektów wizualnych. Mogą być całkowicie bezgłośne, co czyni je idealnym rozwiązaniem w miejscach, gdzie hałas fajerwerków mógłby powodować dyskomfort, np. w okolicach zamieszkanych przez osoby starsze, lub z uwagi na los zwierząt.

Z kolei pokazy dronowe to technologiczne widowiska, w których dziesiątki, a czasem nawet setki dronów wyposażonych w diody LED tworzą w powietrzu niezwykle precyzyjne wzory, animacje, a nawet napisy. Każdy dron działa jako pojedynczy piksel, a ich zsynchronizowany ruch w przestrzeni pozwala na przedstawienie historii czy symboli związanych z obchodzonym wydarzeniem. Przykłady takich spektakli widzieliśmy m.in. podczas ceremonii otwarcia Zimowych Igrzysk Olimpijskich w Pjongczangu w 2018 r., gdzie 1218 dronów stworzyło w powietrzu kształt narciarza i olimpijskie koła.

Mimo swoich zalet oba rodzaje pokazów mają pewne ograniczenia. Laserowe wymagają odpowiedniego sprzętu oraz ciemnego tła, aby efekty były dobrze widoczne, co może być trudne do osiągnięcia w środowiskach miejskich z dużą ilością sztucznego światła. Natomiast dronowe zależą od warunków pogodowych – deszcz, mgła czy silny wiatr uniemożliwiają ich przeprowadzenie. Taki problem wystąpił np. podczas pokazu Intela 4 lipca 2018 r., kiedy zła pogoda wymusiła odwołanie wydarzenia.

Pomimo tych wyzwań pokazy laserowe i dronowe wskazują kierunek, w którym może zmierzać przyszłość obchodów. Oferują piękne widowiska przy minimalnym wpływie na środowisko, a jednocześnie eliminują ryzyko hałasu i zanieczyszczeń związanych z tradycyjnymi fajerwerkami.