Blitzableiter

Blitzableiter an einer Statue auf dem Gebäude des Bayerischen Landtags

Als Blitzableiter wird eine Einrichtung zum Schutz von Gebäuden vor Blitzeinschlägen bezeichnet. Damit stellt der Blitzableiter einen Teil des Blitzschutzsystems eines Gebäudes dar.

Dringt ein Blitz in ein Haus ein, entsteht meist erheblicher Sachschaden, da nahezu alle elektrischen Geräte und Anlagen zerstört werden. Durch die hohe Temperatur (mehrere 1000 °C) besteht die Gefahr eines Brandes.

Ein Blitzableiter ist ein bis an eine exponierte Stelle geführter, geerdeter elektrischer Leiter, der dank seines großzügig bemessenen Querschnitts über einen hohen elektrischen Leitwert verfügt. Er soll den Blitzstrom an der Außenseite des zu schützenden Objekts entlang sicher zum Erdboden ableiten.

Funktion

Weltraumzentrum Guayana: Startrampe mit vier Blitzableitertürmen

Eine Blitzschutzanlage vermeidet in erster Linie, dass ein Blitz in das geschützte Gebäude einschlägt. Der Einschlag findet stattdessen in der Blitzschutzanlage statt. Im Falle eines Einschlages bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom einen definierten, niederohmigen Strompfad, womit Beschädigungen am geschützten Objekt vermieden werden sollen.

Die eigentliche Blitzschutzeigenschaft entsteht durch den Spitzeneffekt und die niedrige Impedanz des geerdeten Blitzableiters:

• Durch den Spitzeneffekt bildet sich knapp über der Spitze des Ableitsystems eine hohe elektrische Feldstärke. Erreicht die elektrische Feldstärke die Durchbruchfeldstärke für Luft, dieser Vorgang kann auch über mehrere Stufen wie eine Koronaentladung erfolgen, wird die Luft in der unmittelbaren Umgebung ionisiert und damit elektrisch leitfähig. Damit setzt die elektrische Entladung in den Blitzableiter ein. Ein Blitzableiter stellt eine Fangeinrichtung für atmosphärische elektrische Entladungsvorgänge dar.
• Zudem fließen elektrische Ladungen immer über den Weg mit dem geringsten elektrischen Widerstand, und der Blitzableiter hat im Regelfall einen niedrigeren Widerstand als der Rest des Gebäudes – und befindet sich näher an der Quelle des Blitzes als der Rest des Gebäudes.

Durch die gute elektrische Leitfähigkeit der Blitzschutzanlage bleiben die Raumbereiche unterhalb bzw. innerhalb der Blitzschutzanlage bis kurz vor der Entladung fast feldfrei. Für die Ermittlung des Schutzraumes unter einem Blitzableiter kommt das Blitzkugelverfahren zur Anwendung, welches in der Norm IEC 62305-3 spezifiziert ist: Dabei wird der Radius einer gedachten Kugel durch den Boden und die Spitzen der Blitzschutzanlage begrenzt. Der Raumbereich unterhalb der Blitzschutzeinrichtung und außerhalb der Blitzkugel ist als Schutzraum festgelegt, Bereiche innerhalb der Kugel stellen mögliche Blitzwege dar. Kann die gedachte Kugel außer dem Erdboden und dem Blitzschutzsystem auch zu schützende Gebäudeteile berühren, ist ein Blitzschutz nicht gegeben. Bei dem Blitzkugelverfahren kommen dabei vier verschiedene Schutzklassen zur Anwendung: Schutzklasse I stellt die höchste Anforderung und Schutzklasse IV die geringste.

Bei einfacheren Berechnungen geht man von einem Fangbereich von 45° aus. Das heißt, dass alles, was in einem Winkel von 45° unterhalb einer Fangleitung oder Fangstange eines Blitzableiters ist, durch diese Einrichtung geschützt sein sollte.

Blitze und elektrische Geräte

In elektrischen Geräten, die in der Nähe des Blitzableiters positioniert sind, können die starken durch den Blitz entstehenden elektrischen und magnetischen Felder jedoch dennoch Schäden verursachen, indem sie in den Leitungen des Gerätes Spannungen und Ströme induzieren. Die Intensität elektrischer und magnetischer Felder nimmt im Nahfeld, also unter der Annahme, dass der Verursacher unendlich lang ist (was in der Nähe des Blitzes der Fall ist), allerdings linear mit der Entfernung von der Quelle, bei ausreichender Entfernung sogar mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle, ab.

Auch weit entfernte Blitzeinschläge in bzw. nah bei Strom- und Kommunikationsnetzen (Telefon, Kabelfernsehen etc.) können den Geräten im Haus gefährlich werden. Hierfür werden verschiedene Filter angeboten, die verhindern sollen, dass die Überspannung das betreffende Gerät beschädigt.

Geschichte

Künstlerische Darstellung von Benjamin Franklins Experiment des Jahres 1752, in welchem er angeblich einen Drachen an einem Draht in eine Gewitterwolke aufsteigen ließ

Zeichnung des im Oktober 1782 errichteten Bilitzableiters auf dem Turm des Schlosses Hainewalde

„Hemmersche Fünfspitze“ auf Wohnhäusern in Frankfurt, Gemälde von Johann Ludwig Ernst Morgenstern, 1793

Als Erfinder des Blitzableiters gilt Benjamin Franklin (1706–1790), der sich in den 1740er Jahren stark für Elektrizität interessierte. Nach seiner 1749 geäußerten Theorie, Blitze seien nichts anderes als Funken in riesigem Maßstab, schlug er im Juni 1752 ein Experiment vor, das im Aufbau einem Blitzableiter gleicht: Während eines Gewitters sollte ein Drachen an einem Metalldraht aufsteigen und von einem Blitz getroffen werden, der Metalldraht sollte die Ladung auf den Boden weiterleiten, wo sie beispielsweise mit einer Leidener Flasche festgestellt werden konnte. Franklin bewies mit dem Versuchsaufbau, dass Blitze elektrische Ladungen darstellen. Ob Franklin genau dieses Experiment selbst durchführte oder gar persönlich einen Drachen aufsteigen ließ, wie später kolportiert wurde, ist stark umstritten. Er war sich der Gefährlichkeit des Experiments sehr wohl bewusst. Nach seinen Experimenten im Jahr 1752, bei denen er an seinem Haus und der von ihm gegründeten Akademie von Philadelphia Blitzableiter installierte und mithilfe deren er auch die Polarität von Gewitterwolken untersuchte, stellte er 1753 in seiner Zeitschrift Poor Richard's Almanack auch der Öffentlichkeit sein auf Wirksamkeit überprüftes Verfahren zum Gebäudeschutz vor Blitzschlag vor. In den Folgejahren musste Franklin jedoch noch Fehler ausbessern, er hatte etwa die Bedeutung der korrekten Erdung zunächst unterschätzt.

Auch in Europa wurde das Phänomen von Blitzen eifrig untersucht. So starb 1753 etwa Georg Wilhelm Richmann während eines Versuchs am Blitzschlag. Davon erfuhr auch der böhmische prämonstratensische Ordensbruder Prokop Diviš, der seit längerem eigene Theorien zur Elektrizität verfolgte. Er errichtete 1754 in seinem Pfarrgarten in Přímětice ein Gerät zur Gewitterverhinderung. Mit seiner „Wettermaschine“ verfolgte Diviš jedoch das Ziel, möglichst großmaßstäbig Gewitter ganz zu verhindern; als tatsächlicher Blitzableiter war das Projekt des Pfarrers nicht gedacht. Divišs Theorien wurden auch durch andere Wissenschaftler verworfen, die ihn als Phantasten abtaten; mangels Unterstützung durch Kirchenoberen und den Wiener Hof, an den er sich wandte, musste Diviš seine Experimente um 1760 aufgeben.

Von Grenzwissenschaftlern werden gelegentlich bis heute überholte Theorien verbreitet, dass bereits antike Kulturen Blitzableiter errichtet hätten. Hierbei handelt es sich in der Regel um Fehlinterpretationen von Inschriften oder den Überresten der fraglichen Monumente. Ferner stattete der russische Adlige und Metallmagnat Akinfi Nikititsch Demidow den von ihm zwischen 1721 und 1735 erbauten Schiefen Turm von Newjansk mit einem bis in den Boden durchgängigen Eisengerüst und Metalldach aus, welches in Kombination mit einer vergoldeten, metallenen Hohlkugel auf der Turmspitze auch die Funktion eines Blitzableiters besaß - ob diese Eigenschaft jedoch beim Bau bewusst eingesetzt wurde und somit Franklins Erfindung vorwegnahm, ist heute umstritten.

Im 18. Jahrhundert machte sich in Europa vor allem Giambatista Beccaria in Italien um die frühe Verbreitung von Blitzableitern verdient.

In den Anfangszeiten der Elektrizitätsforschung war man der Meinung, dass Blitzableiter nicht nur am höchsten Punkt des zu schützenden Objektes angebracht, sondern auch besonders spitz sein müssen. Die Grundannahme, dass Metallspitzen bessere Konduktivität besäßen, war etwa auch der Hauptirrtum von Diviš. Die Form des höchsten Punktes hat jedoch keinerlei Einfluss auf die Funktion. Der erste Blitzableiter in Deutschland wurde auf der Hamburger Hauptkirche St. Jacobi 1769 installiert. 1779 wurde die niedersächsische Universitätsstadt Rinteln mit einem Kranz von insgesamt sieben frei stehenden Blitzableiterstangen umgeben, die die Stadt komplett schützen sollten. 1787 wurde auf der Villa Lindengut in Winterthur, heute das Heimatmuseum der Stadt, der erste Blitzableiter der Schweiz errichtet.

Der Blitzableiter wurde jedoch an vielen Stellen in Deutschland relativ zeitgleich eingeführt, so berichtet A. T. von Gersdorff in den Oberlausitzer Provinzialblättern von der Konstruktion eines Blitzableiters in Oberrengersdorf im Jahre 1772. Dies erfolgte im Rahmen der ausführlichen Beschreibung der Errichtung eines Blitzableiters für den Turm des Schlosses Hainewalde, welche im Jahre 1782 stattfand.

Im süddeutschen Raum entwickelte Johann Jakob Hemmer, Leiter des Physikalischen Kabinetts am Hof des Kurfürsten Karl Theodor in Mannheim, den „Hemmerschen Fünfspitz“. Ein Blitzschlag in den Marstall von Schwetzingen (1769) scheint hier Anlass gewesen zu sein, dass sich der bekannte Universalgelehrte Hemmer auch mit der Notwendigkeit des Blitzschutzes beschäftigte und den fünfstrahligen Blitzableiter, gekennzeichnet durch eine senkrechte Stange und ein waagrechtes Strahlenkreuz, erfand und einführte. Der erste Blitzableiter hemmerscher Art wurde am 17. April 1776 auf dem Schloss des Freiherrn von Hacke in Trippstadt/Pfalz installiert. Die weitere Entwicklung wurde durch eine Verordnung des Kurfürsten Karl Theodor beschleunigt, der 1776 bestimmte, dass alle Schlösser und Pulvertürme des Landes mit Blitzableitern auszurüsten seien. In den folgenden Jahren breitete sich ein weiter Elektrizitätstaumel in Deutschland aus, der dazu führte, dass die „Hemmerschen Fünfspitze“ mehr und mehr nachgefragt wurden. Ein Nutzen des waagerechten Strahlenkreuzes konnte jedoch nie nachgewiesen werden. Die Konstruktion blieb deshalb letztlich ohne Einfluss auf die technische Entwicklung des Blitzschutzes.

Ein radioaktiver Blitzableiter war eine besondere Ausführung eines Blitzableiters, bei dem eine radioaktive Substanz durch ihre Strahlung die Luft um die Blitzableiterspitze ionisieren und dadurch den Blitz auf diese lenken sollte. Als radioaktive Substanz enthielten sie typischerweise umschlossene Alphastrahler (Radium-226 oder Americium-241) mit einer Radioaktivität von ungefähr 0,030 bis 70 MBq pro Strahlenquelle. Mehrere dieser Strahlenquellen wurden auf einem Blitzableiter montiert. Radioaktive Blitzableiter mit Alphastrahlern wurden unter anderem in der Westschweiz, in Frankreich, und unter französischem Einfluss in einer Reihe von Staaten, so z. B. in Brasilien und in Spanien eingesetzt. In Serbien und in allen Staaten des früheren Jugoslawien wurden Gammastrahler und zwar ¹⁵²Eu, ¹⁵⁴Eu und ⁶⁰Co mit einer Aktivität von ca 4000 MBq bis 20000 MBq pro Strahlenquelle verwendet, wobei nur eine Strahlenquelle pro Blitzableiter verwendet wurde. Es konnte allerdings nie nachgewiesen werden, dass die Radioaktivität die Wirksamkeit verbessert. Alle Blitzableiter mit radioaktiven Strahlenquellen werden heute aus Umweltschutzgründen demontiert.

Literatur

• 1781: Nikolaus Anton Johann Kirchhof (teilweise Übersetzung) von James Fergusons Vorlesungen: Beschreibung einer Zurüstung welche die anziehende Kraft der Erde gegen die Gewitterwolke und die Nützlichkeit der Blitzableiter sinnlich beweiset. Nicolai, Berlin 1781 (Digitalisat)
• 1783: J. Langenbucher: Richtige Begriffe vom Blitz u. von Blitzableitern., Augsburg 1783
  • Verhaltungsregeln bey nahem Donnerwetter; 2te Aufl, mit einer Kupfer, Gotha 1775
• 1786: A. G. Wetzel: Abhandlg. über Electricität und Blitzableitung., 1786
• Dietrich Müller-Hillebrand: The Protection of Houses by Lightning Conductors. An Historical Review. J. Franklin Institute, 273, 1962, S. 35–44

Weblinks

 Commons: Blitzableiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Blitzableiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Johann Jakob Hemmer – Geistlicher, Sprachforscher, „erfolgreicher Physiker, Meteorologe und Vollender des Blitzableiters“
• Deutsche Welle: Blitzableiter erfunden