Auswirkungen von Maisstroh auf die Leistungsfähigkeit von sprengenden Brandmitteln zum Aufbrechen von Gestein

Aus landwirtschaftlichem Abfall sichere Aufbruchkraft gewinnen

Das Aufbrechen von Gestein ist für Bergbau, Tunnelbau und den Städtebau unerlässlich, doch herkömmliche Sprengstoffe können Erschütterungen verursachen, gefährliche Trümmerteile in Umlauf bringen und erhebliche Sicherheits- sowie Umweltprobleme aufwerfen. Diese Studie untersucht einen unerwarteten Helfer für dieses Problem: Maisstroh, ein weit verbreiteter landwirtschaftlicher Abfall, der häufig verbrannt oder entsorgt wird. Durch das Einmischen fein gemahlenen Maisstrohs in eine spezielle wärmeerzeugende Mischung zum Aufbrechen von Gestein zeigen die Forschenden, dass sich Aufbruchleistung verbessern, Kosten senken und landwirtschaftliche Abfälle gleichzeitig wiederverwenden lassen.

Warum Gestein einen sanfteren Stoß braucht

Bei vielen Ingenieurprojekten bohren Fachleute Löcher in Gestein und nutzen energiereiche Stoffe, um es zu spalten. Konventionelle Sprengstoffe arbeiten sehr schnell und erzeugen Druckwellen, die nahegelegene Bauwerke beschädigen und Sicherheitsrisiken darstellen können. Eine Alternative sind Brandmittel—Mischungen, die intensiv verbrennen statt detonieren. Solche Mischungen, oft aus Aluminiumpulver und Kaliumnitrat hergestellt, erzeugen hohe Temperaturen und sich ausdehnende Gase, die Risse im Gestein behutsamer auseinanderdrücken als eine Explosion. Die Herausforderung besteht darin, diese Mittel ausreichend stark und effizient zu machen und gleichzeitig Sicherheit und Nachhaltigkeit zu verbessern.

Vom Acker zum Bohrloch

Die Forschenden ersetzten einen Teil des Aluminiumpulvers in einer standardmäßigen Gesteinsaufbruchmischung durch fein gemahlenes Maisstroh, einen biobasierten Brennstoff, der reich an Kohlenstoff und flüchtigen Verbindungen ist. Sie testeten viele Rezepturen, indem sie kleine Ladungen aus einer Abschussvorrichtung abfeuerten und maßen, wie weit eine schwere Kappe geschleudert wurde – ein Maß für die nutzbare Arbeit der Mischung. Die leistungsstärkste Formel bestand aus 70 % Kaliumnitrat, 21 % Aluminium und 9 % Maisstroh – das heißt, fast ein Drittel des Metallbrennstoffs wurde durch Pflanzenmaterial ersetzt. Auf diesem Niveau erhöhte sich die Außenarbeitskapazität der Mischung um etwa 38 % und die geschleuderte Kappe legte rund 40 % mehr Weg zurück als mit der Originalformel, was zeigt, dass der landwirtschaftliche Abfall nicht nur Füllstoff, sondern ein effektiver Bestandteil des Energiesystems war.

Was passiert, wenn die Mischung erhitzt wird

Um zu verstehen, warum Maisstroh hilft, erwärmte das Team winzige Proben und verfolgte sowohl den Gewichtsverlust als auch die entweichenden Gase. Sie fanden heraus, dass die modifizierte Mischung in mehreren Stufen zerfällt. Zuerst verdampft im Stroh gebundenes Wasser. Danach zersetzen sich Komponenten des Strohs – wie Zellulose und Lignin – langsam und bilden Gase sowie kohleähnlichen Kohlenstoff (Char). Schließlich reagiert dieser Kohlenstoff bei hohen Temperaturen mit Kaliumnitrat und Aluminium, wodurch ein Schub von Gasen wie Kohlendioxid sowie feste Oxide entsteht. Im Vergleich zur Originalmischung verlor die Variante mit Maisstroh in diesen späteren Stadien mehr Masse und erzeugte mehr Gas, was bedeutet, dass mehr expandierendes Gas verfügbar ist, um Gestein aufzudrücken.

Kühlere Flammen, sicherere Handhabung, bessere Bruchbilder

Die Zugabe von Maisstroh verändert das Zünd- und Brennverhalten der Mischung. Da die Zersetzung des Pflanzenmaterials Wärme absorbiert, benötigt das modifizierte Mittel mehr elektrische Energie zur Zündung – seine Zündenergie stieg von etwa 201 auf 375 Joule pro Gramm. Diese höhere Schwelle macht es weniger empfindlich gegenüber unbeabsichtigten Auslösern und verbessert Lager- und Handhabungssicherheit. Gleichzeitig sinkt die Spitzenverbrennungstemperatur um etwa 41 %, von nahezu 1.000 °C auf unter 600 °C, was eine etwas mildere, aber weiterhin wirksame Verbrennung ergibt. In realen Aufbruchtests mit Betonblöcken erzeugte das biomasseverstärkte Mittel durchschnittlich etwa 29 % kleinere und gleichmäßigere Bruchstücke, ein deutliches Zeichen für verbesserte Rissbildung. Berechnungen zeigten außerdem, dass seine theoretische Gasproduktion mehr als doppelt so hoch war und etwa das 2,45‑Fache der Originalmischung erreichte.

Vom Abfallstroh zu smarterem Gesteinsaufbruch

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft einfach: Das Untermischen von gemahlenem Maisstroh in ein Brandmittel zum Gesteinsaufbruch hilft, Gestein effektiver auseinanderzudrücken, macht die Zündung sicherer und die Herstellung günstiger. Das Pflanzenmaterial erhöht die Gasbildung, verbessert das Bruchbild des Gesteins und erhöht die zur Auslösung notwendige Energie – und das, ohne ausschließlich auf teure Metallpulver angewiesen zu sein. Gleichzeitig wird ein landwirtschaftlicher Abfall zu einer brauchbaren Ressource. Mit weiterer Verfeinerung und Tests unter rauen Feldbedingungen könnte dieser Ansatz Bergbau- und Bauindustrien eine nachhaltigere, kontrolliertere Methode bieten, Gestein zu brechen – mit Energie, die sowohl vom Acker als auch aus dem Labor stammt.

Zitation: Xie, Q., Liu, L., Wang, M. et al. Effects of corn straw on the performance of rock-breaking incendiary agents. Sci Rep 16, 4968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35665-5

Schlüsselwörter: Biomasseenergie, Gesteinsaufbruch, Maisstroh, Brandmittel, nachhaltiger Bergbau