A factual clarification and chemical-technical reassessment of the 1921 Oppau explosion disaster - the unforeseen explosivity of porous ammonium sulfate nitrate fertilizer

The Oppau factory was a chemical production facility constructed by the leading German chemical company BASF in the time period shortly before the First World War. The facility was located along the river Rhine, a few kilometers north of the town of Ludwigshafen in Germany. The purpose of the chemical manufacturing at Oppau was the production of nitrogen fertilizers on the basis of the then recently developed Haber-Bosch synthesis of ammonia. It was the first facility of its kind anywhere in the world. On the morning of 21 September 1921, hundreds of tons of ammonium sulfate nitrate (ASN) fertilizer, kept in a storage silo at the Oppau factory site, decomposed explosively when piles of hardened fertilizer material were broken up with the help of explosives. The event, referred to as the Oppau explosion disaster, killed more than five hundred people, wounded nearly two thousand more, and destroyed a large part of the factory site and surrounding residential area. The incident remains one of the worst industrial disasters and most iconic hazardous material events of all times. The Oppau explosion disaster is different from most other explosion disasters since it was not the result of an uncontrolled fire. The procedures leading to the disaster had actually been applied at the same facility thousands of times prior to the disaster. In spite of the exceptional assembly of notable experts summoned for the ensuing inquiries, the alleged causes of this industrial calamity – while partially identified – were never completely understood. The objective of the present report is to clarify actualities and to ascertain the chemical-technical causes of the tragedy at Oppau, with the highest degree of certainty possible. To that end, this investigation has involved two main approaches. The first is a historical-technical approach, comprising a detailed reassessment of the original investigation material in light of the current state of knowledge within the science of energetic materials. The second is a chemical-technical approach, involving computerized thermochemical modeling of ASN decomposition, in an attempt to shed light on the energetic potential of ASN mixtures. It is clarified how the understanding of energetic materials at the time of the accident was inadequate for an appropriate understanding of the phenomena involved. It is implied that the special physical characteristics imparted on the Oppau fertilizer material, by the application of a new spray-drying procedure some time prior to the accident, constituted an unforeseen disaster in waiting. The subsequent investigations thus struggled in their efforts to align experimental results and the conclusions extracted from these, with the theoretical framework of explosive materials then in existence. The presented account renders a prime example of the dangers confronted at the intersection of large-scale chemical manufacture and a, to some degree, incomplete scientific foundation. Moreover, it underscores the unpredictable behavior of ammonium nitrate materials.

Oppaufabrikken var et kjemisk produksjonsanlegg oppført av det ledende tyske kjemikonsernet BASF i tidsperioden like før den første verdenskrig. Anlegget var plassert langs elven Rhinen, noen få kilometer nord for byen Ludwigshafen i Tyskland. Ved Oppaufabrikken ble det produsert nitrogenholdige gjødseltyper på grunnlag av den da nyutviklede Haber-Boschsyntesen av ammoniakk. Anlegget var det første av sitt slag noe sted i verden. Om morgenen den 21. september 1921 eksploderte en lagersilo på fabrikkområdet, en bygning som inneholdt store mengder med gjødsel i form av ammoniumsulfatnitrat (ASN). Eksplosjonen inntraff da hauger bestående av hardnet gjødselmateriale ble brutt opp ved hjelp av sprengstoff. Eksplosjonsulykken i Oppau tok livet av mer enn fem hundre mennesker, skadet omtrent to tusen og ødela en stor del av fabrikkanlegget og omkringliggende boligområder. Ulykken er fortsatt et av de verste industriuhellene i historien. Eksplosjonsulykken i Oppau skiller seg fra de fleste andre eksplosjonsulykker ved at den ikke var et resultat av et ukontrollert brannforløp. Rutinene som førte til ulykken hadde faktisk vært anvendt tusenvis av ganger tidligere ved samme anlegg uten problemer. Til tross for at etterforskningsarbeidet ble ledet av fremstående eksperter, forstod man aldri årsakene til ulykken fullt ut, selv om viktige sammenhenger delvis ble klarlagt. Formålet med denne rapporten er å klarlegge hendelsesforløpet og fastslå de kjemisk-tekniske årsakene til ulykken i Oppau med størst mulig grad av sikkerhet. Undersøkelsen omfatter to typer tilnærminger til problemstillingen. Den første er en historisk-teknisk tilnærming der det opprinnelige etterforskningsmaterialet har blitt revurdert i lys av oppdatert kunnskap om energetiske materialer. Den andre er en kjemisk-teknisk tilnærming der maskinvarebasert termokjemisk modellering av ASN-dekomposisjon har vært anvendt i et forsøk på å belyse det energetiske potensialet til ASN-blandinger. Rapporten klarlegger hvordan forståelsen av energetiske materialer i den aktuelle tidsperioden var utilstrekkelig for å forstå de involverte fenomenene. Det er antydet at de spesielle fysikalske egenskapene til gjødselproduktet, som oppstod som et resultat av omlegginger i produksjonsmetoden kort tid før ulykken, i realiteten gjorde produktet langt farligere enn det hadde vært tidligere. Etterforskningen var ute av stand til å sammenstille konklusjonene fra de eksperimentelle resultatene med det teoretiske rammeverket som da eksisterte for energetiske materialer. Historien om Oppaueksplosjonen er et godt eksempel på de farene som kan oppstå i skjæringspunktet mellom kjemisk produksjon på industriell skala og et vitenskapelig fundament som i noen grad er ufullstendig. Historien fremhever dessuten den til tider uforutsigbare oppførselen til ammoniumnitratholdige stoffblandinger.