Supersone drukgolf in Beiroet

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen.

Deze week: het ammoniumnitraat in Beiroet was in feite een grondstof voor explosieven.

Still uit een video van de explosie die door het Britse Sky News online werd gezet.
Still uit een video van de explosie die door het Britse Sky News online werd gezet. Foto Sky News

Niet alle details van de rampzalige explosie in Beiroet hebben deze krant gehaald en er zijn nieuwe uitkomsten die het vermelden waard zijn. De tientallen video’s die van de explosie werden gemaakt hebben een wetenschappelijke analyse gekregen. Die werd een paar weken geleden gepubliceerd.

Op 4 augustus rond 18 uur lokale tijd (17 uur in Nederland) ontplofte 2.750 ton ammoniumnitraat die in loods 12 van de haven van Beiroet lag opgeslagen. Het was de lading van de onder Moldavische vlag varende Rhosus die al in 2014 van boord was gehaald. De Rhosus had in 2013 met technische moeilijkheden naar Beiroet moeten uitwijken en was aan de ketting gelegd. Achteraf is gebleken dat er al jaren angst bestond voor de partij nitraat.

Op 6 augustus postte de Libanese journaliste Dima Sadek foto’s van de opslag van de stof. Je zag dat het nitraat was verpakt in balen (afsluitbare ‘big bags’ ) van 1.000 kg die door het Georgische bedrijf Rustavi Azot waren geleverd. The New York Times had later foto’s uit dezelfde serie. De opslag maakt een belabberde indruk: meerdere zakken zijn kapotgescheurd en er ligt een dikke laag stof op. Ook staat er tegen alle regels in brandbaar materiaal omheen.

De tweet van Dima Sadek met foto’s uit de loods.

Foto Twitter

Reuters bracht op 11 augustus een reconstructie van de Rhosus-reis, inclusief een foto van het moment waarop het schip in 2014 werd gelost. Je ziet zakken nitraat in een verroeste lichter liggen. Belangrijk detail: de stof was bestemd voor Fábrica de Explosivos Moçambique (FEM), een springstoffabriek met afnemers in de open mijnbouw. FEM levert volgens haar website onder meer ANFO, dat is ammoniumnitraat (AN) waarin 6 procent dieselolie is opgezogen. Alleen AN dat in kleine poreuze korrels (‘prills’) wordt aangeleverd zuigt goed diesel op. De partij uit de Rhosus bestond inderdaad uit prills.

Aaneenkitten en vastkoeken

Dat is de kern van het drama: de kunstmest ammoniumnitraat is ook een uitstekend explosief. Onder bepaalde omstandigheden kan het door hitte of een schokgolf tot ontploffing komen, er hebben zich eindeloos veel ongelukken mee voorgedaan. Vanwege dit gevaar en mogelijk misbruik wordt AN als kunstmest tegenwoordig meestal gemengd met een inerte stof (calciumoxide, dus kalk, of een sulfaat of fosfaat). De opdruk op de gefotografeerde zakken vermeldt geen bijmenging. Toch zal de gevoeligheid voor een schokgolf destijds in 2013 misschien niet onacceptabel groot geweest zijn, het is de jarenlange opslag in loods 12 die funest was. AN is hygroscopisch en kan gaan herkristalliseren als voldoende water is opgenomen en de temperatuur varieert. De stof kent vier verschillende kristalvormen. Onder het herkristalliseren gaan de losse korrels aaneenkitten en vastkoeken: ‘caking’.

In deze toestand is het AN veel gevoeliger voor slag of stoot. Om vochtabsorptie en caking te voorkomen worden de prills wel gecoat, maar ook daarover zwijgt de zakopdruk. Het is aannemelijk dat FEM geen gecoate prills wilde. Eigenlijk lag in loods 12 dus een grondstof voor explosieven.

Wat er precies gebeurde die dinsdagmiddag is onbekend. Er waren laswerkzaamheden, er is brand ontstaan en er is een voorraad vuurwerk ontstoken. Na een inleidende explosie, die veel aandacht trok, detoneerde om 18.08 uur de hele voorraad ammoniumnitraat. Seismische stations in de buurt geven de explosie een magnitude 3,5, vergelijkbaar met de explosie van 1.100 ton TNT, de geijkte maat. De literatuur stelt 1 kg TNT gelijk aan 2,5 à 3 kg AN.

Vroeger werd de kracht van een explosie wel afgeleid uit de schade die ze aan ramen en ruiten toebracht. De meeste gewone vensterruiten breken bij een plotselinge overdruk van 8 à 10 kilopascal (80 à 100 millibar). Er zijn empirische formules die aangeven op welke afstand van een bepaalde explosie de opgewekte drukgolf (blast wave) die piekdruk nog haalt.

Kracht en snelheid

Onderzoekers uit Sheffield hebben er afgelopen maand in het tijdschrift Shock Waves een nieuwe methode aan toegevoegd. Er blijkt ook een redelijk beschreven relatie tussen de kracht van een explosie en de snelheid van de drukgolf die van haar wegloopt. Bij heel zware explosies kan die snelheid de eerste paar honderd meter ‘supersoon’ zijn, zeg: tweemaal de geluidssnelheid. Ze zakt snel terug naar de gewone geluidssnelheid (die in het warme Beiroet ongeveer 351 m/s was). De voortgang van de drukgolf is in veel van de bovengenoemde videofilmpjes te herkennen aan het breken van glas of bewegen van bomen of aan de knal die hij maakt als hij bij camera of telefoon arriveert. Veel van deze filmpjes laten ook heel precies het moment van de explosie zelf zien. Zie het artikel! De onderzoekers schatten de kracht van de explosie op 500 ton TNT met 1.120 ton als bovenwaarde.

De supersone periode van de drukgolf duurt maar heel kort en extreem hoog is de supersone snelheid niet. Het komt dus op onderdelen van een seconde aan. Dat was het probleem toen in september 2019 van AW-wege werd onderzocht of de explosie van een munitiedepot in Siberië een supersone drukgolf had opgeleverd. De meting schoot tekort.

Beiroet bood een herkansing. YouTube heeft een video die de explosie toont vanuit de Maverick-bar (annex Dog Palace) op 5,45 km ten zuidoosten van loods 12. De knal arriveert 14,8 seconden na de flits van de explosie. Reissnelheid 370 m/s. Dat is inderdaad supersoon.

Correctie (29 oktober 2020): In een eerdere versie van dit artikel stond dat kunstmest tegenwoordig meestal gemengd wordt met een inerte stof (calciumcarbonaat, dus kalk). Dat moet zijn: calciumoxide. Dat is hierboven aangepast.