Blitzableiter: Wie sich Biltze und Gewitter zähmen lassen
Weil Blitze große Schäden anzurichten vermögen, versuchten Menschen schon immer, diese Naturgewalten zu "zähmen". Denn Blitze können durch ihre hohe Spannung Menschen und Tiere betäuben/töten, brennbare Gegenstände entzünden, Metallteile zum Schmelzen bringen, an unvorhersehbaren Orten einschlagen etc. Zwei Physiker reiften dabei zu den bedeutendsten "Gewitterzähmern" heran mit der Entwicklung der Blitzschutzanlagen.
Der Faradaysche Käfig und der erste Blitzableiter
Mit dem britischen Physiker Michael Faraday ist das Prinzip des Faradayschen Käfigs verbunden, der Schutz vor Blitzen bietet, die auf die Erde überspringen. Den Namen Faradays verbindet man auch mit weiteren Meilensteinen der Technik, wie Benzol im Leuchtgas, elektromagnetische Induktion, Selbstinduktion, Grundgesetze der Elektrolyse, elektrische und magnetische Kraftlinien und dem ersten Dynamo.
Mit dem Amerikaner Benjamin Franklin (1706 – 1790, Physiker, Staatsmann und Mitverfasser der amerikanischen Unabhängigkeitserklärung) ist die Entwicklung des ersten Blitzableiters verbunden. Er forschte zur Theorie der Elektrizität und Wärmestrahlung und erfand 1752 den Blitzableiter (er bewies am 15. Juni 1752 die Hypothese, dass bei Gewitter eine elektrische Spannung zwischen Wolken und Erde existiert): Er ließ bei Gewitter einen präparierten Drachen steigen mit Schlüssel am Ende der feuchten Drachenschnur. Als das Metall in die Nähe der Erde kam, sprühten Funken. Das war für ihn der Beweis, dass es sich bei einem Blitz um eine elektrische (Funken-)Entladung handelte.
Franklin hatte Glück, denn…
… er hätte leicht bei diesem Experiment getötet werden können (Stromstärke von Blitzen bis zu 100 000 Ampere bei Spannungen von mehreren Millionen Volt und Einschlagtemperaturen bis zu 30 000 Grad), es markierte jedoch den Beginn der neuzeitlichen Blitzforschung, die bis heute immer noch strittige Fragen offen lässt (Entstehen der Ladungsunterschiede, die zum Blitz führen etc.).
Um die Risiken zu minimieren, werden heute in der Blitzforschung verschiedene Verfahren zur Untersuchung von Blitzen eingesetzt, wie a) Blitztriggerung (Raketen werden abgeschossen, die einen metallischen Draht hinter sich herziehen, wodurch der Blitz zur Messstation geleitet wird), b) Wetterballons oder c) Messungen durch Flugzeuge.
Warum eine Blitzschutzanlage Sie schützen kann
Ein Blitzableiter wirkt schützend, weil er die Natur des Blitzes ausnutzt: dass dieser stets den bestleitendsten Weg wählt – in der Regel den Weg des Blitzableiters. Dieser entfaltet seine Wirkung (Faradayscher Käfig), indem er das Auto, die Eisenbahn etc. von allen Seiten von leitfähigem Metall umgibt, wo der Strom um den Innenraum herum in die Erde abgelenkt wird. Folglich dringt hier kein äußeres elektrisches Feld ein.
Der Blitzableiter an einem Haus verfügt über eine Auffangeinrichtung, wo der Blitz direkt einschlägt und eine Fangleitung, die die elektrische Entladung zur Gebäude- und von dort zur Erdleitung weiterleitet. Dafür sind aufgrund der hohen Stromstärken des Blitzes starke Leitungen erforderlich, die den Blitz ohne Schäden ableiten können. Ein Kupfernetz oder Platten ergeben die Erdleitung, die im besten Fall komplett im Grundwasser versenkt ist. Tritt der Fall ein, dass der Blitz in ein Gebäude (oder Umgebung) einschlägt, nimmt der Strom den Weg direkt in die Erde (bei noch angeschlossener Technik allerdings auch den Weg zurück mit Folgeschäden).
Welche Stoffe sollten Sie suchen, welche meiden?
Manche Stoffe leiten Blitze gut (Wasser, Metall), andere isolieren elektrisch gut und leiten Blitze nicht (trockenes Holz, trockener Beton). Es ist deshalb logisch, dass der Blitz eher in metallene Oberflächen einschlägt (Prinzip des Blitzableiters). Weil Metalle die Gefahr erzeugen, dass sie den Blitzstrom über größere Strecken weiterleiten, müssen Sie sich bei Gewitter von ausgedehnten Einrichtungen aus Metall (Zäune, Geländer) fernhalten.
Brandgefahr besteht dort, wo der Blitzstrom beim Einschlagen keinen elektrisch gut leitenden Weg zur Erde findet. Dann erhitzt er die vom ihm durchflossenen Materialien so stark, dass sie sich entzünden oder sogar explodieren (etwa Lager aus Heu, Stroh) können.
Welche rechtlichen Regelungen gibt es zu Blitzschutzanlagen (Deutschland)?
Es werden (laut Musterbauordnung) dauernd wirksame Blitzschutzanlagen vorgeschrieben und Einzelfallprüfungen (ob leicht Blitzschlag eintreten kann, etwa durch Lage und Ausdehnung des Gebäudes, was zu schweren Folgen, z. B. Personenschaden führen könnte). Für diese Prüfung bzw. Risikoabschätzung ist der Bauherr/Architekt in der Nachweisführung frei, soweit alle im Gesetzestext genannten Einflussgrößen (Lage, Bauart, Nutzung, Folgen) detailliert betrachtet werden.
Das aber erweist sich oft als schwierig (hoher Aufwand, erfordert Erfahrungen). Die Norm: EN 62305 (VDE 0185-305)-11 Teil 2 erfüllt vom Umfang die gesetzlichen Mindestanforderungen. Nach der Risikoermittlung folgen die eigentlichen Schritte zur Umsetzung der getroffenen Annahmen (ausgewählte Reduktionsfaktoren, Schadenfaktoren usw.).
Blitze können auch im Labor erzeugt werden
Und zwar zur Erforschung von Stromnetz-Einrichtungen bezüglich der Wirkung von Blitzeinschlägen.