DE2405134C2 - Verfahren zur Speicherung von Exergie in Form freier Enthalpie chemischer Verbindungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

2 Basis der Erfindung y

Im folgenden werden die Ursachen der heutigen Energiekrise technischer Systeme, ihre langfristigen Konse- JS

quenzen und Möglichkeiten zu ihrer Lösung, von denen eine in Form dieser Erfindung vorliegt, erläutert. %

Abschnitt 2.1. handelt von den energetischen Grundlagen biologischer Organismen, ;J>

Abschnitt 2.2. zeigt den Zusammenhang zwischen der Evolution und der Bereitstellung von Arbeitsfähigkeit S

(Exergie), fp

Abschnitt 2.3. beschreibt die Überlegungen, die zur vorliegenden Erfindung führen. |f

Die Abbildungen dieses Abschnittes stellen dar: "Λ

Fig. 1: Technische Exergieumsetzungen (fossile und nukleare Basis) im Vergleich zu biologischen ^;

Exergieumsetzungen m

Fig. 2: Aufhebung des biologischen Fließgleichgewichtes durch die Exergieumsetzung in technischen &

Systemen auf fossiler Basis ;2

Fig. 3: Graphische Darstellung der Exergiekrise jj|

Fig. 4: Exergieflußdiagramm der Erde %

Fig. 5: Biologische und technische Exergieumsetzungen (solare Basis)
Fig. 6: Exergieflüsse technischer Systeme (fossile Basis)

2.1.1. Damit ein biologischer Organismus leben, sich entwickeln und reproduzieren kann, müssen zwei Voraussetzungen über seine Umgebung erfüllt sein: Erstens, die Umgebung muß das Material enthalten, das der Organismus benötigt, um seine Struktur aufzubauen, zu ergänzen und zu reproduzieren, und zweitens, die s Umgebung muß die Arbeit zur Verfugung stellen, die den Organismus befähigt, Aufbau, Ergänzung sowie Reproduktion seiner Struktur vorzunehmen und selbst mechanische oder chemische Arbeit gegen äußere Kräfte zu verrichten.

2.1.2. Beide Voraussetzungen zusammen werden bei den zoologischen Organismen Mensch und Tier dadurch erfüllt, daß diese aus ihrer Umgebung nicht unmittelbar Arbeit, sondern gespeicherte Arbeit -Arbeitsfähigkeitentnehmen. Arbeitsfähigkeit oder Exergie wird in diesem Fall über die Nahrung in Form freier Enthalpie chemischer Verbindungen aufgenommen. Nahrung hat damit eine Doppelfunktion, sie ist materieller Träger für Exergie und Baumaterial für die Struktur des Organismus.

Warmblütige Organismen nehmen Wärme zur Stabilisierung der Körpertemperatur bei geringerer Umgebungstemperatur auf. Hierbei wird Exergie zusätzlich, in diesem Falle über einen nicht-materiellen, energetischen Träger, zugeführt.

2.1.3. Die Fähigkeit eines Organismus, Exergie sowohl über materielle als auch über energetische Träger aufzunehmen (oder abzugeben) kennzeichnen diesen Organismus im Sinne der Thermodynamik als ein offenes System. Im Unterschied zu den zoologischen Organismen als offenen Systemen ist ihr Lebensraum, die Erde, kein offenes System. Der Transport der Materie zwischen der Erde und dem umgebenden Raum ist vemachlässigbar gering, so daß kein materieller Träger für Exergie zur Vefügung steht. Exergie wird ausschließlich über einen energetischen Träger, in diesem Falle elektromagnetische Felder, von der Sonne eingestrahlt. Die Erde ist im Sinne der Thermodynamik ein geschlossenes System.

2.1.4 Es ist ein grundsätzliches Problem, wie zoologische Organismen als offene Systeme auf der Erde, mithin in einem geschlossenen System, über sehr viele Generationen ohne Vorräte an Exergie existieren können. In der Natur wird dieses Problem primär durch eine zweite Kategorie offener Systeme, die Pflanzen, gelöst. Pflanzen als botanische Organismen übertragen Exergie von einem energetischen auf einen materiellen Träger; sie speichern Strahlungsenergie durch Photosynthese als freie Enthalpie chemischer Verbindungen vornehmlich aus den Atomen des Kohlenstoffs (C), des Sauerstoffs (O) und des Wasserstoffs (H), die sie der Luft und dem Wasser entnehmen.

Die Speicherung von Exergie ist möglich, weil die gebildeten Kohlenwasserstoffe metastabil gegen O2 sind; um beide zur Reaktion zu bringen, muß zunächst Exergie zur Aktivierung bereitgestellt werden.
2.1.5. Bei kontinuierlicher Exergieeinstrahlung kann eine Koexistenz zwischen den zoologischen und den botanischen Organismen für beliebig lange Zeit bestehen, wenn zwischen ihnen ein stationärer Zustand eingestellt und aufrechterhalten wird.

Der interne Bedarf an Exergie, der allen Organismen eigen ist (um etwa den Stoffwechsel zu ermöglichen), bewirkt im Fall der Pflanzen, daß nur ein geringer Anteil der aufgenommenen Exergie in Struktur und Früchten gespeichert wird. Nur diese gespeicherte Exergie steht bestenfalls den zoologischen Organismen Mensch und Tier als Nahrung zur Verfugung, da der Eigenbedarf der Pflanzen nicht rückgewinnbar weil irreversibel verbraucht ist.

Während sich daher die in das geschlossene System Erde eingestrahlte Exergie im Verlauf der zahlreichen Umsetzungen grundsätzlich nur verringern kann - was die einseitige Abhängigkeit der zoologischen von den botanischen Organismen bedingt -, bleibt die Materie erhalten. Sie, nicht die Exergie, bestimmt daher in ihrer Eigenschaft als materieller Träger den stationären Zustand der Koexistenz in Form eines Fließgleichgewichtes.

Es können in der Zeiteinheit nur so viele COr und ^O-Moleküle in den Pflanzen mit Exergie beladen, das bedeutet zu Kohlenwasserstoffen und O2 umgebildet werden, wie diese in Menschen und Tieren und durch andere Ereignisse von Exergie entladen, das bedeutet zur Reaktion gebracht und zu CO2 und H2O zurückgebildet werden.

2.2.1. Der stationäre Zustand in der Koexistenz zwischen den botanischen und den zoologischen Organismen bezieht sich stets auf die Gesamtheiten; er bedeutet weder, daß das Fließgleichgewicht der materiellen Exergie- so träger auch ein Fließgleichgewicht für den individuellen Organismus nach sich zieht, noch, daß eine Gleichverteilung an Exergie erreicht wird. Auf dem Ungleichgewicht zwischen den verschiedenen biologischen Organismen, das heißt auf dem Zwang, optimal an der beschränkten Exergiezufuhr teilzuhaben, basiert im wesentlichen die Evolution. Sie ist durch das Erscheinen von Organismen mit zunehmend komplizierter (d. h. anpassungsfähiger) Struktur gekennzeichnet.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Weiterentwicklung, die Grenzfälle darstellen. Die phylogenetische Evolution besteht darin, eine Struktur nach Änderung ihres Bauplanes in Einzelheiten verbessert zu reproduzieren.

Hierbei lernt nicht das Individuum, sondern das Kollektiv von Generation zu Generation. Bei der ontogenetischen Evolution wird dagegen nicht der Bauplan der Struktur verändert, sondern die (natürliche) Unordnung der Struktur verringert Der Fortschritt hängt jetzt vom Individuum ab; es kann sich grundsätzlich in sehr vielen Lernschritten im Laufe eines Lebens weiter entwickeln. Die ontogenetische Evolution wird vorwiegend von den menschlichen Individuen (in geringerem Maße von den tierischen) verwirklicht; der Teil ihrer Struktur, der sich durch eigene Arbeit in Richtung auf zunehmende Komplexität verändern läßt, befindet sich im Gehirn.

2.2.2. Die menschliche Entwicklung läßt bisher zwei unterschiedliche Phasen erkennen, von denen die erste in

der Mitte des 18. Jahrhunderts beendet wird. In dieser Phase ist die Gesamtheit der menschlichen Individuen Teilmenge der zoologischen Organismen; das bedeutet, die menschliche Existenz unterliegt grundsätzlich allen Einschränkungen, die sich aus der stationären Koexistenz zwischen botanischen und zoologischen Organismen ereeben. In der zweiten Phase hat sich ein kleiner Teil der menschlichen Individuen von diesen einschränken-

den Bedingungen teilweise gelöst: In Europa gelingt es nicht nur die bisher bekannten Heizsysteme entscheidend zu verbessern, sondern technische Arbeitssysteme iiif der Basis fossiler Brennstoffe zu entwickeln, die menschliche Kräfte zur Verrichtung von Arbeit um viele Größenordnungen verstärken.

Die Konsequenzen sind im wesentlichen zweifach: Einerseits beschleunigt ein sehr kleiner Anteil der Menschheit die eigene Evolution in bisher unbekannter Weise (vorwiegend auf technisch-wirtschaftlichem Gebiet). Das sich dadurch verstärkende Ungleichgewicht zwingt zu weltweiten Konfrontationen. Andererseits wird die stationäre Koexistenz der biologischen Organismen insgesamt aufgehoben.

2.2.3. Heutige technische Arbeitssysteme sind so konstruiert, daß sie Exergie - Arbeitsfähigkeit - aufnehmen, die auf materiellen Trägern gespeichert ist. Ihre Versorgung ist analog zu der zoologischer Organismen

ίο organisiert. Während aber die zoologischen Organismen bisher in einem stationären Zustand mit den botanischen Systemen koexistierten, gilt dies nicht mehr für die technischen Systeme. Auch sie verwenden noch heute zu 95% Exergie fossiler Brennstoffe, das heißt Exergie, die von botanischen Organismen in Form von Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff gespeichert wurden; aber sie entnehmen diese Exergie Vorräten, die sich im Laufe vieler Millionen Jahre angesammelt haben. Diese Exergieversorgung ist notwendigerweise zeitlich begrenzt.

2.2.4. Die Gesamtheit aller botanischen Organismen benötigt zur Produktion von Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff einen solaren Exergiefiuß von rund 40 · i0ⁱ² W. Die technischen Systeme verbrauchen heute einen Exergiefluß von 6 ■ 10¹² W. Wenn die heutige Menschheit von 4 ■ 10⁹ Individuen den gleichen Pro-Kopf-Bedarf wie die Bevölkerung der USA im Jahre 1970 von 10 kW/Individuum hat, verbrauchen die technischen Systeme

?Q genauso viel an Exergie wie die botanischen Organismen zur Photosynthese aufnehmen. Zu diesem Zeitpunkt fallen also bereits zehnmal so viel entladene Exergieträger CO2 und H2O an, wie von den Pflanzen insgesamt bei einem Wirkungsgrad von 10% beladen werden können. Es gibt kein Fließgleichgewicht mehr, die entladenen Träger stauen sich in der Atmosphäre. Fig. 2

Die Vorräte an den fossilen Exergieträgern Kohle, Erdöl und Erdgas betragen nach heutiger Schätzung 200 ■ 10²¹ Ws. Das bedeutet, sie könnten einen Bedarf von 40 · 10¹² W für 5 · 10' s decken; das sind etwa 158 Jahre. Steigt die Erdbevölkerung auf 15 ■ IQ⁹ Menschen, wie bis zum Jahr 2050 angenommen wird, und läßt sich im besten Fall die Hälfte des Vorrates an fossilen Brennstoffen abbauen, reduziert sich die Zeit auf 21 Jahre. Fig. 3

2.2.5. Um die menschliche Evolution mit Hilfe der technischen Arbeits-, Wärme- und auch Informationssysteme in Zukunft weiterzuführen, muß erstens das Fließgleichgewicht zwischen den biologischen Organismen wiederhergestellt und zweitens die Exergieversorgung der technischen Systeme langfristig gesichert werden.

Nukleare Exergieträger Uran (U), Plutonium (Pu), Deuterium (D) erfüllen beide Bedingungen zusammen nicht. Der Vorrat zumindest an D ist im geschlossenen System Erde fast unerschöpflich, doch müssen alle entladenen Träger, das sind die Spaltprodukt von U und Pu sowie Tritium (T), auf der Erde gespeichert werden, da sie nicht mehr beladbar sind. Ihre Akkumulation bedeutet die Zunahme der Wahrscheinlichkeit einer radioaktiven Verseuchung der biologischen Kreisläufe und damit eine tödliche Störung des Fließgleichgewichtes.
Eine technische Exergieversorgung, aufgebaut nach dem Vorbid botanischer Organismen, die solare Exergie auf einem materiellen Träger als einem möglichst universell verwendbaren, das biologische Fließgleichgewicht nicht beeinträchtigenden Treibstoff speichert, erscheint als einzige Lösung des Problems. Selbst 15 · 10' Menschen mit einem Bedarf von 10 kW/Individuum benötigen nur einen Bruchteil der eingestrahlten Solarexergie von etwa 173 · 10¹⁵ W. Diese solare Exergieversorgung ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 und 5

2.3.1. Beide, die zoologischen Organismen sowie die technischen Arbeits- und Wärmesysteme nehmen Exergie fast ausschließlich über materielle Träger auf, und ihre interne Organisation stellt diese Exergie den Organen und Teilsystemen als den Verbrauchern zur Verfügung. Beide, die zoologischen Organismen sowie die technischen Arbeits- und Wärmesysteme haben im Verlauf ihrer Evolution für diese Aufgabe die gleichen zwei Möglichkeiten entwickelt: Exergie wird einerseits in gespeicherter Form verteilt und am Ort nach Bedarf freigesetzt, und Exergie wird andererseits in Form elektrischer Energie bereitgestellt, übertragen und ist längs der Leitungsbahnen unmittelbar verfügbar.

Materielle Träger für Exergie haben die Funktion von Speichern, zu ihrer Entladung ist Arbeit aufzubringen. Ein höheres Kohlenwasserstoff beispielsweise ist eine exergöniäche chemische Verbindung, die sich unter normalen Bedingungen als metastabil gegenüber O2 als Reaktionspartner erweist. Die Arbeit zur Entladung eines Trägers, die in vielen Fällen über einen endlichen Zeitabschnitt akkumuliert werden muß, besteht in der Erhöhung seiner Reaktionsfähigkeit (zur Überwindung der metastabilen Schwelle). Bei Anwesenheit eines Katalysators läßt sich diese Aktivierungsarbeit vermindern.

Elektromagnetische Felder werden als energetische, nichtmaterielle Träger von Exergie auch in technischen Systemen verwendet; sie transportieren bei geringen Frequenzen, geführt durch metallische Leitungsbahnen, elektrische Energie, die an beliebiger Stelle ohne Aktivierung entnommen werden kann. Der sehr begrenzten (und nur in Sonderfällen ausnutzbaren) Speicherfähigkeit der Feldenergie steht die unmittelbare Verfügbarkeit gegenüber; die Zugriffszeit für die Exergie auf einem energetischen, nichtmateriellen Träger ist notwendigerweise null.
2.3.2. Im vorliegenden Stadium ihrer Entwicklung nehmen die technischen Arbeits- und Wärmesysteme Exergie über verschiedene Kohlenwasserstoffe auf, deren Beladung je Masseneinheit etwa gleich groß ist, deren (thermodynamische) Phase und Aktivierungsarbeit durch den unterschiedlichen H2-Gehalt bestimmt werden. Kohle als Festkörper hat den geringsten H2-Anteil von rund 7,5% und erfordert die höchste Aktivierungsarbeit, während Erdöl als Flüssigkeit mit einem Hj-Anteil von 15% wiederum eine höhere metastabile Schwelle als

Erdgas mit 33% H2-Anteil aufweist. Die Exergiezufuhr verteilt sich auf diese drei Träger zu je einem Drittel. (Beispiel USA: 1970).

Bisher ist es nicht möglich, diese Exergie anders als über thermische Aktivierung freizusetzen; die stationäre Verbrennung erfordert im Durchschnitt 35% der gespeicherten Exergie. Das bedeutet gleichzeitig, daß die Aktivierung nicht ohne Akkumulation an Arbeit eingeleitet werden kann. Kohle benötigt die längste, Erdgas die geringste Zündzeit und ist damit am schnellsten verfügbar.

Etwa ein Drittel der aufgenommenen Exergieträger wird im Falle der technisch hochentwickelten Gesellschaften in Kraftwerken entladen; dabei werden 35% für die thermische Aktivierung und weitere 35% für die anschließende Umwandlung in elektrische Energie aufgebraucht; der Wirkungsgrad von Kraftwerken beträgt somit etwa 30%. Das bedeutet, daß hier insgesamt rund 10% der Primärexergie als elektrische Energie unmittelbar zur Verfugung am Netz stehen, während rund 43% bei den einzelnen Verbrauchern, bei Bedarf freigesetzt, verwendet werden können. Fig. 6.

Die Kosten für den Transport von elektrischer Energie und von gasförmigen, flüssigen sowie festen Kohlenwasserstoffen verhalten sich wie 20:5 : 1:10, die Kapazitäten heutiger Transporteinrichtungen wie 1:25 :500:1. Beide zusammen, die mäßige Aktivierungsarbeit und die weitaus größte Transportfähigkeit der flüssigen Exer- is gieiräger im Vergleich zu den anderen, bestimmen daher die Evolution der technischen Arbeits- und Wärmesysteme: Die im Gang befindliche Umstellung dieser Systeme von festen auf flüssige (und teilweise auch gasförmige) Exergieträger als universell einsetzbare Treibstoffe ist nicht rückgängig zu machen. Sie zwingt zu Überlegungen, wie Erdöl, das mit weniger als 5% an den fossilen Vorräten beteiligt ist, etwa durch flüssigen Wasserstoff (Hydrogen economy) als zukünftigen universellen Treibstoff substituiert werden kann.

2.3.3. Alle lebenden Organismen haben im Verlauf ihrer sehr unterschiedlichen Evolution die gleiche interne Organisation zur Verteilung und Bereitstellung der aufgenommenen Exergie entwickelt; das Prinzip dieser Organisation ist offenbar so vollkommen, daß eine Weiterentwicklung nicht mehr möglich ist. Es kann durch die fügenden Regeln (soweit heute bekannt) gekennzeichnet werden:

1. Als langfristige Speicher für Exergie und zur Übertragung von Exergie zwischen den botanischen und zoologischen Organismen dienen allein höhere Kohlenwasserstoffe.

2. Als kurzfristiger Speicher und für die Verteilung der Exergie innerhalb aller Organismen wird ein einziger Träger verwendet; das ist ATP (Adenosintriphosphat).

3. Exergie der Kohlenwasserstoffe und des ATP wird in Form elektrischer Energie freigesetzt; umgekehrt werden Kohlenwasserstoffe, ATP und andere zur Verrichtung nicht-elektrischer Arbeit erforderliche Stoffe durch Zufuhr elektrischer Energie synthetisiert; Die Hemmung des exergonischen (ersten) Vorganges wird durch spezielle Katalysatoren aufgehoben.

Die Umsetzung der solaren Exergie in botanischen und zoologischen Organismen sowie ihre Kopplung über _3S die Kohlenwasserstoffe läßt sich mit Hilfe der drei Regeln wie folgt darstellen:

Die entscheidende Rolle spielt ATP als der einheitliche, universell verwendbare Exergieträger, der in flüssiger Phase transportiert wird, und dessen Exergie unmittelbar in elektrische Energie umgesetzt wird; (hier ist verwirklicht, was als Fernziel der Entwicklung technischer Systeme gilt und durch zunehmende Verwendung flüssiger Treibstoffe in Ansätzen begonnen wird).

Die Kopplung der botanischen und zoologischen Organismen über Kohlenwasserstoffe und nicht direkt über ATP ist dadurch bedingt, daß der Luftraum für den Rücktransport der leeren Träger verwendet werden muß, die Reaktionsprodukte ADP (Adenosindiphosphat) und P (als freie Phosphatgruppe) hierfür nicht geeignet sind, wohl aber CO2 und H2O als stabile Verbindungen. Es kommt hinzu, daß die Exergieträger für biologische Organismen gleichzeitig Baustoffe zur Ergänzung der Struktur sind; ein breites Angebot unterschiedlichster Kohlen- _4S Wasserstoffe ist unter dem Aspekt der Struktur lebenswichtig.

2.3.4. Zweckmäßig soll also die Exergieversorgung auf solarer Basis erreicht werden, und zwar so, daß sich die bisher entwickelten technischen Arbeits- und Wärmesysteme daran anpassen können. Die grundlegende Idee ist es, das Prinzip der internen Organisation biologischer Organismen, wie es durch die drei Regeln gekennzeichnet ist, soweit erforderlich, zu übernehmen.

Da die Exergieträger technischer Systeme nicht auch gleichzeitig Baustoffe für die Struktur sind, ist die direkte Kopplung der technischen Arbeits- und Wärmesysteme mit den neu zu schaffenden Exergietransformen über einen zum ATP analogen, einheitlichen und universell verwendbaren, flüssigen Exergieträger möglich. Fig. 5

Dieser universelle Treibstoff muß so beschaffen sein, da Regel 1 in technichen Systemen (noch) keine Bedeutung hat, daß die Reaktionsprodukte über den Luftraum zurückgeführt werden können; sie dürfen dabei die Koexistenz der biologischen Organismen nicht stören. Stickstoff N2 ist neben CO2 der einzige Bestandteil der Luft, der, weil ausreichend vorhanden, als Grundsubstanz für die technischen Exergieträger berücksichtigt werden kann. Stickstoff wasserstoffe scheinen daher geeignet, die Rolle des universellen technischen Treibstoffes zu übernehmen; die einfachste Verbindung (NH2)2 (Hydrazin) ist unter normalen Bedingungen flüssig, ist hoch exergonisch, metastabil und reagiert mit O2 oder mit (OHh zu H2O und N₂ wie gefordert.

Hydrazin ist eine Verbindung, die wegen des großen Elektronenumsatzes bei der Reaktion mit O2 oder (OH)2 auch als Treibstoff für Brennstoffzellen zur Entladung seiner Exergie in Form elektrischer Energie geeignet ist; gelingt es, die Umsetzung großtechnisch zu verwirklichen, ist die völlige Analogie zu ATP erreicht mit der Konsequenz, daß die Übertragung elektrischer Energie über Netze entfallen kann. Es gilt für den Elektronenumsatz:

(NH₂)2 aq + 4 OH- —> 4e + N₂ + 4 H₂O.
Hydrazin und Wasserstoffperoxid sind während des 2. Weltkrieges in Deutschland ausführlich untersucht und

durch Auffinden geeigneter Stabilisatoren als hoch-energetische Treibstoffe für Düsentriebwerke erprobt und eingesetzt worden. Wasserstoff-peroxid kann auch allein, etwa in Walter-Turbinen, verwendet werden, da die Reaktionswärme be^;-n Zerfall in H2O und O2 positiv ist. Die Forderung, konventionelle Energiewandler mit dem zukünftigen universellen Treibstoff und seinem Sauerstoffträger ohne große Anpassung zu betreiben, ist somit im großtechnischen Rahmen bereits erfüllt worden.

Hydrazin ist des weiteren schon heute Ausgangsstoff für sehr viele chemische Produkte, unter anderem Medikamente; polymere Stickstoffverbindungen, insbesondere Polyamide, spielen eine wesentlichen Rolle in der Kunststoffchemie und -technik. Man könnte daran denken, Erdöl als Rohstoff für die chemische Industrie durch Hydrazin weitgehend zu ersetzen.

2.3.5. Alle biologischen Organismen ergänzen fortlaufend große Teile ihrer Struktur durch steten Auf- und Abbau; sie sichern daher die Zuverlässigkeit der Funktion der Struktur in zweifacher Weise. Die laufende Ergänzung bedeutet Austausch der Teilsysteme vor dem wahrscheinlichen Versagen, also Schutz vor probabilistischen Fehlern, die laufende Fertigung weitgehend gleichartiger Teilsysteme bringt die deterministischen Fehler weitgehendst zum Verschwinden. Das ausgedehnte Nervensystem sorgt für eine kontinuierliche Überwachung.

Die technischen Arbeite- und Wärmesysteme sind im Unterschied zu den biologischen Organismen, aber auch zu den technischen Informationssystemen anders organisiert. Hier handelt es sich weitgehend um Einzelfertigungen mit einer langen Lebensdauer; probabihtusche Fehler können kaum definiert werden. Die Methoden zur Vermeidung deterministischer Fehler bestehen neben ausgedehnten Kontrollen vornehmlich in ausreichenden Dimensionierungen.

Die rapide Zunahme des Exergiebedarfs läßt erwarten, daß wenn in einer Übergangszeit nukleare Exergie verwendet werden sollte, der Bedarf wegen der genannten Fertigungs- und Sienerheitsphilosophie nicht gedeckt werden kann; es wäre notwendig, allein in der EG pro halbe Woche ein 1000 MW Kernkraftwerk in Betrieb zu nehmen.

Die Exergietransformer gemäß der Erfindung werden auch hier nach dem biologischen Vorbild ausgeführt und kontrolliert.

3 Kurzbeschreibungen von Ausführungsformen der Erfindung

Die folgende Beschreibung zeigt einen Weg zur Realisierung der eingangs genannten Aufgabe. Sie hat zum Gegenstand sowohl das Verfahren zur Exergietransformation als auch die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und betrifft die Versorgung der technischen Arbeits- und Wärmesysteme sowie der Systeme zur unmittelbaren Umwandlung chemischer in elektrische Energie mit Exergie (oder Arbeitsfähigkeit) über einen materiellen Träger für die Exergie. Die beschriebenen Elemente umfassen u. a.

3.1. eine Anordnung, genannt Exergietransformet, Exoigit. vorzugsweise in Form von Sonnenstrahlung innerhalb der Lufthülle in Höhen bis zu etwa 30 km aufnimmt und diese Exergie zunächst in elektrische Energie umsetzt und dann auch N2 und H2O als Bestandteile der Luft speichert, so daß die flüssige Verbindung (N^h als eigentlicher materieller Exergieträger entsteht sowie die weitere flüssige Verbindung (OHh als Sauerstoffträger und/oder Sauerstoff O2 zur Versorgung der genannten technischen Arbeits- und Wärmesysteme sowie von Brennstoffzellen zur Bereitstellung elektrischer Energie in weitgehender Analogie zur Bildung der Verbindung Adenosintriphosphat (genannt ATP) als dem einheitlichen internen Exergieträger aller biologischen Organismen.

3.1.1. und wo Nj und H2O als Ausgangsstoffe der genannten Exergiespeicherung gleichzeitig die Produkte der Reaktion von (NH2)2 mit O2 oder (OH)2 sind und als leere Träger, die über den Luftraum von den verbrauchenden technischen Systemen und Brennstoffzellen zu den Exergietransformern transportiert werden, biszeichnet werden können (wiederum in weitreichender Analogie zu CO2 und H2O als den leeren Trägern der Exergieversorgung biologischer Organismen),

3.1.2. ohne daß dabei die Fließgleichgewichte der technischen Systeme mit (NHih sowie (OHh als beladenen und N2 und H2O als leeren Trägern für Exergie und uör biologischen Organismen mit Kohlenwasserstoffen als beladenen und CO2 und H2O als leeren Trägem einander beeinflussen oder stören,

3.1.3. und ohne daß dabei durch die Absorption der Sonnenstrahlung und durch die Abgabe der thermodynamisch wertlosen Wärme Klimaveränderungen auf der Erdoberfläche in Erscheinung treten, weil die absorbierte Solarexergie größtenteils dem in den Raum zurückgestrahlten Anteil entnommen und zum Teil durch die Abwärme des Prozesses im Exergietransformer ersetzt wird,

3.2. wobei sich jeweils mehrere, in Form von Bausteinen gestaltete Exergietransformer mit ihren Eingängen für Wärme im Temperaturbereich bis zu 800 K im Brennpunkt eines parabolischen Spiegels befinden, der aus verspiegelten Folien gespannt und von einer schaumverstärkten, mit Wasserstoff H2 gefüllten und einen Auftrieb bewirkenden Struktur gehalten ist, und wo die Ausgänge dieser Exergietransformer im Temperaturbereich von etwa 220 K innerhalb des Halmes oder Stengels liegen, der auf der Erdoberfläche verankert, der zahlreiche derartiger auftrieberzeugender Spiegel nebst Exergietransformer in der gewünschten Höhe hält und gegen Abtrieb durch Höhenwind sichert,

3.2.1. ebenfalls aus gespannten Folien aufgebaut wird unter Verwendung stabilisierender Schaumstrukturen und kräfteübertragender Einlagen in der Weise, daß viele parallele, miteinander verbundene Rohre aus den genannten Folien durch den Überdruck eines in ihnen befindlichen, möglicherweise auftrieberzeugenden Gases entstehen, und entweder in Halmachse orientiert oder als Spirale gewickelt den innen hohlen Halm bilden, durch regelmäßig verteilte Schotten stabilisiert,

3.2.2. und der die Funktion eines Wärmerohrs übernimmt zur Förderung großer Luftmengen von der Erdoberfläche zwecks Kühlung der Exergietransformer durch Abfuhr ihrer thermodynamisch wertlosen Wärme, und

zwecks Gewinnung von H2O und Nj als leeren Trägern für die Exsrgiespeicherung, 3.2.3. in dem die Förderung der Luft gegen die Schwerkraft in die Höhe von etwa 30 km durch die Exergie ermöglicht wird, welche die am Erdboden eintretende Luft gegenüber der Luft in der genannten Höhe besitzt und durch die Exergie, die bei der Kondensation des Wasseröampfes der im Wärmerohr geforderten Luft frei wird, und an dessen innerer Oberfläche das durch Unterkühlung während der Entspannung der Luft auf den Druck in einer Höhe vou 30 km auskondensierte Wasser in den teilweise mit dochtähnlichem Material ausgefüllten Einbuchtungen des Stengels sich sammelt und abläuft,

3.3. wobei das Wasser H2O, das zu einem großen Anteil für andere Zwecke als die Exergiespeichemng verwendet werden kann, und der Stickstoff N₂, der durch physikalische Methoden aus der auf etwa 200 K während der Entspannung abgekühlten Luft abgetrennt wird, durch drei verschiedene Prozesse innerhalb des Exergietransformers mit Exergie beladen und dabei zu (NH2>2, (OHh und O2 synthetisiert werden, derart, daß der erste Prozeß die Umwandlung der durch Spiegel aufgefangenen SolarstrabJung in elektrische Energie über ein magneto-hydro-dynamisches Verfahren mit einem flüssigen Arbeitsmittel umfaßt, der zweite Prozeß diesem ersten Prozeß unmittelbar überlagert ist und aus dem genannten MHD-Arbeitsmittel durch Verwendung eines Teiles der während des MHD-Prozesses verfügbar gemachten elektrischen Energie das eine Endprodukt (NH₂)J synthetisiert, während im dritten Prozeß der Rest der verfügbar gemachten elektrischen Energie, nach ihrer Auskopplung aus dem eigentlichen Exergietransformer, zur Gewinnung von H₂ als Zwischenprodukt der (NH2)2-Synthese und zur Gewinnung von (OH>2 und möglicherweise O2 aus H2O verwendet wird,

3.3.1. so daß die solare Exergie im ersten Prozeß auf das Arbeitsmittel übertragen wird, zu einem Teil in kinetische Energie der flüssigen Phase dieses Arbeitsmittels, welches vorzugsweise Li(NHj) und Li ist, umgesetzt wird, um dann durch die Wechselwirkung mit einem äußeren magnetischen Wanderfeld in Form elektrischer Energie für alle weiteren Prozeßschritte zur Verfugung zu stehen,

3.3.2. derart, daß etwa ein Drittel dieser elektrischen Energie im frei fliegenden, magnetisch geführten Li(NH2)Li-Strahl selbst verbraucht wird zur Elektrolyse des Li(NH2>, wobei zugesetztes fein verteiltes Fe als bipolare Elektroden wirkt, in der Absicht, die (NH₂)-Gruppen abzutrennen und sich paarweise zu (NH₂)₂ kornbinieren zu lassen, und eine Lösung von Li(NH₂) und metallischem Li zurückbleibt,

3.3.3. und daß weiterhin die restlichen zwei Drittel der verfügbaren elektrischen Energie über die Erregerwicklungen des externen magnetischen Feldes ausgekoppelt und einem anderen System, das von dem beschriebenen hinsichtlich der Stoffströme völlig abgetrennt ist, zugeführt werden, um dort den chemisch völlig analogen Vorgang, die Elektrolyse von LiOH über bipolare Elektroden zwecks Abtrennung der OH-Gruppen zur nachfolgenden (OH)₂-Bildung oder O₂-Bildung durchzuführen, so daß schließlich metallisches Li abtransportiert und an anderer Stelle des geschlossenen Kreislaufes mit H₂O zur Freisetzung von Hi zur Reaktion gebracht werden kann,

3.4. wobei der erste Prozeß, der die Solarenergie in elektrische Energie umformt, einen möglichst geringen Anteil der zugeführten Exergie als Eigenbedarf verbrauchen sollte, was durch besondere Gestaltung der einzelnen Prozeßschritte im Vergleich zu den bekannten Flüssig-Metall-MHD-Prozessen geschieht derart, daß nicht nur flüssige und gasförmige Phase unterschiedliche Stoffe sind in der Absicht, einen optimalen Wirkungsgrad der Beschleunigung durch Wahl der Massenanteile und der Dichten zu gewährleisten, sondern, daß die flüssige Phase durch Zumischen fein verteilten Eisens ferromagnetisch gemacht wird, was erlaubt, auf die einzelnen Tröpfchen der flüssigen Phase am Ende der Entspannung Kräfte auszuüben zwecks Zusammenführung zu einem kompakten frei fliegenden Strahl und damit verbundenen Separieren der gasformigen Phase, und was weiterhin die Führung des Strahles und seines Zusammenhaltes während der Abbremsung wesentlich vereinfacht,

3.4.1. derart, daß vorzugsweise Nj die gasförmige Phase bildet, einerseits weil chemisch inert in bezug auf die Mischung Li(NH₂) und Eisenpulver, andererseits weil das Dichteverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase bei einer Entspannungstemperatur von 800 K etwa 10~² beträgt, was nach Erfahrung bei Massenverhältnissen um 0,5 zu Düsenwirkungsgraden höher als 0,7 führt,

3.4.2. derart, daß die ferromagnetische!! Tröpfchen der flüssigen Phase, wenn sie nach der Entspannung in fokussierenden Düsen weiterfliegen und in der Nähe des Konvergenzpunktes durch ein radialsymmetrisches staik inhomogenes magnetisches Feld fliegen, ein Eigenfeld bilden entgegengesetzt zu dem angelegten Feld durch Induktion eines Kreisstromes im Tröpfchen, so daß sie wie ein diamagnetischer Körper in Richtung abnehmenden Feldes gedrängt werden und einen kompakten Strahl bilden können, wobei eine gleiche Wirkung durch eine andere Anordnung erreicht werden kann, die aus einem Ringseperator, ebenfalls in der Nähe des Kovergenzpunktes befindlich, besteht und einen Teil der flüssigen Phase separiert, der über eine Coandalippe an der Unterkante des Ringseperators abfließt und einen geschlossenen Hohlstrahl bildet, durch den ein axialer Strom zur Erzeugung eines fokussierenden Theta-Pinches über den Ringseperator als eine Elektrode geschickt werden kann,

3.4.3. so daß in beiden Fällen nach der Entspannung in den Düsen stark verdünnte und von den Tröpfchen quasi entkoppelte Gasphase, selbst wenn die Entspannung nicht weiter geführt wird, in der Laufstrecke zwischen Düsenende und den genannten Einrichtungen zur endgültigen Strahlfokussierung aus dem konvergenten Tröpfchenstrahl zum größten Teil ausdiffundieren und in die Kühlstrecken eintreten kann, während die letzten Bruchteile der Gasphase bei der magnetischen Fokussierung herausgedrückt werden, bis sich ein kompakter, ferromagnetischer Freistrahl mit hoher kinetischer Energie und hoher magnetische! Reynoldzahl gebildet hat, der jetzt während der Abbremsung zwecks Energieauskopplung über ein externes magnetisches Feld eben durch dieses auch geführt und weiterhin zusammengehalten werden muß, was vorteilhaft durch ein radialsymmetrisches Wanderfeld, durch konzentrische Spulen erzeugt, geschieht, da dieses nach dem Betatron-Prinzip den Strahl in die Lage geringster potentieller Energie in der Spulenmitte zwingt, andererseits die im Strahl rückgeführten axial verlaufenden Feldlinien bei der Strahlaufweitung infolge Abnahme seiner Geschwin-

digkeit einen Zug in Richtung der Strahlachse auf die Flüssigkeit ausüben, der unter bestimmten Bedingungen diese den Stahl auseinandertreibenden Kräfte kompensiert, so daß der Strahl kompakt am Ende der Energieauskopplung in einen Einfang trifft, wo seine restliche kinetische Energie zur Rückführung in die Wärmequelle infolge der Druckerhöhung dient,

3.5. wobei das eigentliche System zur Prozeßführung konstruktiv so gestaltet werden muß, daß zum einen die Ausgangsstoffe H2O und N2, aber auch das Zwischenprodukt H2 eintreten und die Endprodukte (NH2>2, (OH)2 und O2 austreten können, ohne die Zuverlässigkeit des gesamten Systems zu beeinträchtigen, und daß zum anderen die Logistik des gesamten Exergietransformers auf die Reduzierung der probabil'Stischen Fehler durch Einführung des Modul-Konzeptes durch Serienproduktion in der Fabrik mit strengster Qualitätskontrolle, durch eingebaute Redundanz, durch fortlaufenden Ersatz der Systeme nach relativ kurzer Betriebsdauer, durch kontinuierliche Überwachung aller Teilsysteme und Prozeßverläufe ausgerichtet wird unter der Nebenbedingung, daß keine Engpässe bei Fertigung und Montage die Deckung des rapide anwachsenden Bedarfs verhindern,

3.5.1. derart, daß auch die Synthese von Li(NHj) aus metallischem Li und N2 sowie H2 ausschließlich über is verallgemeinerte thermodynamische Kräfte, letztlich über Ungleichgewichte erfolgt und keine mechanisch bewegten Teile auch in diesem Teilschritt erforderlich werden (wie der Umweg über die NH3-Synthese sie erfordern würde), was zu erreichen ist, wenn N2 und H2 direkt in die Wärmequelle eingespeist werden und dort mit dem in Li(NPb) gelösten metallischen Li reagieren, wobei das fein verteilte Fe jetzt als Katalysator wirkt, andererseits das neu gebildete (NFhh aus dem Raum zwischen Freistrahl und Spulensystem abgesaugt und an anderer Stelle kondensiert und abgelassen werden kann,

3.5.2. weiterhin derart, daß die Transformersysteme, in denen die Exergiespeicherung abläuft, in Modul-Leichtbauweise für eine Produktion in sehr großen Stückzahlen ausgebildet werden, was die Beschränkung auf Stanzteile und Rohre und Spulen einfachster Geometrie bedingt, realisierbar durch Übergang auf die den Wirbeltieren eigenen Skelett-Bauweise mit elastischen mehrfachen Häuten etwa in der Weise, daß ein Stützgerüst aus Rohren, durch Schotten in regelmäßigen Abständen versteift und unterteilt, einerseits die inneren und äußeren Kräfte aufnimmt, andererseits den Flüssigkeitstransport übernimmt, und zumindest zwei Mantel, von denen der innere durch ein Wellblech versteift ist, das Arbeitsmittel gegen die Umgebung abschließen, wobei der innere Mantel in der Hauptsache korrosionsfest ist, während der äußere Mantel die Druckkräfte, weil auf geringerer Temperatur, aufnehmen kann, während der freie Raum zwischen den beiden Mänteln, durch das Wellblech des Innenmantels aufrechterhalten, geringeren Druck einmal zur thermischen Isolation, zum anderen zur permanenten Leck-Kontrolle beider Mantel aufweist und auch sämtliche Sensoren und Leitungen einschließlich einer elektrischen Begleitheizung enthält, um eine dauernde Kontrolle aller Betriebszustände aller Module über die Analyse der Rauchsignale durch Prozeßrechner zu ermöglichen, so daß bei probabilistischen Fehlern für sofortigen Austausch aus Lagerbeständen gesorgt werden kann,

3.5.3. daß weiterhin diese Leichtbausteine und alle anderen technischen Teilsysteme bis auf den Halm und die Spiegel serienmäßig gefertigt, getestet und zur Probe im Werk betrieben werden, um eine Baustellenmontage auszuschließen, was die Beschränkung des Gewichtes und der Abmessungen in bezug auf den Lufttransport bedingt, während die Halme und Spiegel ebenfalls im Werk aus Folien geschnitten, verformt und soweit vorfabriziert werden, daß nur geringe Schweißarbeiten sowie das Ausschäumen der Struktur, das Spannen der Folien durch Gasdruck und das Füllen mit H2 übrig bleiben, wobei dieses H2 gleichzeitig die erste Füllung der als Speicher dienenden auftriebserzeugenden Hohlkörper darstellt,

wobei abschließend zu erwähnen ist, daß die solare Exergiespeicherung als Endziel eine bevorzugte Form der Ausführung darstellt, der Exergietransformer bei Wegfall der Spiegel auch an Fusionsreaktoren oder Brutreaktoren oder andere Wärmequellen in einer Übergangsphase angekoppelt werden kann.

4 Kurze Beschreibung der graphischen Darstellungen

Die Fig. 1 bis 6 zeigen in Form von Diagrammen die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen des Exergietransformers.

so Die Fig. 7 bis 12 enthalten einige der wissenschaftlichen Grundlagen der Erfindung, und zwar im Hinblick auf die chemischen Vorgänge der Exergiespeicherung,

während die Fig. 13 bis 16 einige der wissenschaftlichen Grundlagen der Erfindung, und zwar im Hinblick auf die physikalische Seite der Exergiespeicherung darstellen.

Die Fig. 17 bis 29 enthalten die wesentlichen Informationen über die technologische Gestaltung der MHD-Bausteine des Exergietransformers in Form verschiedener Schnitte und Detailzeichnungen,

während die Fig. 30 bis 38 die konstruktive Gestaltung der Hohlspiegel des Halmes sowie die Verankerungen des Halmes zeigen.

Die Fig. 39 ist eine maßstäbliche Gesamtansicht des solaren Exergietransformers für nördliche Breiten.

Im einzelnen bedeutpn die verschiedenen Figuren folgendes:

Fig. 1 vergleicht technische Exergieumsetzungen auf fossiler und nuklearer Basis mit biologischen Energieumsetzungen

Fig. 2 zeigt die Aufhebung des biologischen Fließgleichgewichtes durch die Exergieumsetzung in technischen Systemen auf fossiler Basis

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Exergiekrise als Funktion der Zeit

F i g. 4 zeigt die Aufteilung der solaren, auf die Erde eingestrahlten Exergie und den geschätzten technischen Exergiebedarf für das Jahr 2050

Fig. 5 vergleicht die biologische Energieumsetzung mit der zukünftigen technischen Exergieumsetzung auf solarer Basis gemäß der Erfindung

Fig. 6 zeigt die Exergieflüsse der technischen Systeme auf fossiler Basis in den USA im Jahr 1970 F i g. 7 stellt den Exergiebedarf der Hydrazinsynthesc, aufgeteilt auf die Schritte Wasserstoff-Bildung, Amid-Bildung und Di-Amid-Bildung dar

Fig. 8 stellt den Exergiebedarf der Wasserstoff-Peroxid-Bildung, aufgeteilt auf die Schritte Wasserstoff-Bildung und Peroxid-Bildung dar

Fig. 9 stellt ein Exergieflußbüd des isenthalpen-isobaren Prozesses für ein thermo-fluid-dynamisches Arbeitsmittel dar

Fig. 10 zeigt den Exergiebedarf der Li-amid-Bildung aus den Elementen unter Verwendung eine:; Katalysators Fig. 11 zeigt die freie Enthalpie der Bildung von Alkali-Amiden als Funktion der Temperatur Fig. 12 zeigt die freie Enthalpie der Bildung von Hydrazin und Peroxid in zwei miteinander gekoppelten Prozessen

Fig. 13 zeigt die Aufgaben der verschiedenen Arbeitsmittel im MHD-System des Exergietransfonners Fig. 14 zeigt die Exergieübertragung bei der Beschleunigung mehrphasiger Strömungen Fi g. 15 ist ein Exergieflußbild des isenthalpen-isobaren Prozesses für das thermo-fluid-dynaxnische Arbeitsmittel des MHD-Systems im Exergietransformer Fig. 16 zeigt den MHD-Prozess des Exergietransfonners in einem Temperatur-Entropie-Diagramm Fig. 17 ist eine Detailzeichnung des MHD-Bausteines und stellt das Längsschott und Querschott dar Fig. 18 ist eine Detailzeichnung des MHD-Bausteines und stellt den Aufbau des Stützgerüstes dar Fig. 19 ist eine Detailzeichnung umi zeigt eine weitere Ausfuhrungsform des Querschottes Fig. 20 zeigt das Prinzip der Ummantelung des Stützgerüstes des MHD-Bausteines Fig. 21 ist ein Schnitt durch eine Gruppe von MHD-Bausteinen Fig. 22 ist ein Längsschnitt durch die Abteile A, B bis G des MHD-Bausteines in nuklearer Ausführung Fig. 23 ist ein Längsschnitt durch die Abteile A bis G des MHD-Bausteines für die solare Ausführung Fig. 24 z-eigt einen Längsschnitt durch die Abteile F, G bis L des MHD-Bausteines entlang der Linie a-a, b-b, (^c

Fig. 25 ist eine Detailzeichnung des ringförmigen Separators mit Coandalippe für die mehrphasige Strömung

F i g. 26 zeigt einen Längsschnitt durch die Abteile M, N bis R des MHD-Bausteines entlang der Linie e-e,f-f F i g. 27 ist eine Detailzeichnung einer Übergangsleitung aus miteinander verschweißten, gepreßten Blechen Fig. 28 ist ein Längsschnitt durch die Abteile. Q, R bis U entlang der Linie d-d Fig. 29 ist ein Längsschnitt durch die Abteile S, T bis Y des MHD-Bausteines

Fig. 30 zeigt einen Schnitt durch einen aus Folien gebildeten, durch Druckdifferenzen stabilisierten Hohlspiegel

Fig. 31 zeigt eine andere Ausfuhrungsform des Hohlspiegels

Fig. 32 zeigt das Prinzip der Anordnung sehr vieler Hohlspiegel auf einem gemeinsamen Halm

F i g. 33 zeigt die elastische Verbindung zwischen Spiegel und Halm zwecks Ausrichtung des Spiegels auf die Sonne

Fig. 34 zeigt einen Querschnitt durch den Halm

Fig. 35 zeigt eine andere Ausführungsform des Halmes in Form eines Querschnittes

Fig. 36 zeigt einen Längsschnitt durch das untere Ende des Halmes mit der Verankerung im Boden mit den zugehörigen Räumen für die Luftführung und Hilfsbetriebe

Fig. 37 zeigt das Prinzip der Verankerung des Halmes durch Aufweiten von Kanälen Fig. 38 zeigt den Effekt der Aufweitung der Kanäle auf den Halm

Fig. 39 ist eine maßstäbliche Gesamtansicht des solaren Exergietransformers für den Einsatz in nördlichen Breiten.

5 Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

5.1.1. Das bevorzugte Beispiel des Exergietransformers ist die solare Ausführung; der solare Exergietransformer fängt Exergie, die in nuklearen Prozessen auf der Sonne freigesetzt wurde, auf und speichert sie in Form freier Enthalpie der beiden metastabilen flüssigen Verbindungen (NHah und (OH)2.

Der Prozeß der Exergietransformation und die Auslegung des Transformers werden durch die Größen am Eingang und am Ausgang des Transformers bestimmt. Eingangsgrößen sind die spektral verteilte spezifische Exergie der solaren Strahlung sowie die Flrßdichte der Strahlung; Ausgangsgrößen sind die spezifischen freien Enthalpien der beiden Verbindungen und das Verhältnis der beiden Massenströme, bzw. der gespeicherten Exergie.

5.1.2. Die spezifische Exergie der Strahlung hängt ab von ihrer Wellenlänge; sie ist kontinuierlich über das Spektrum verteilt etwa zwischen den Grenzen λ = 0,8 · 10"⁶ mim UR und λ = 0,3 · 10~⁶ m im UV. Die spezifische Exergie e_s der Strahlung liegt somit im Bereich

150<€i<400kWs/mol
wenn sie auf die Einheit mol der Teilchenmenge bezogen wird; sie berechnet sich aus:

e_s= Na ■ h c/λ

mit N_A = 6,02 · 10" l/moi (Avogadro-Konstante), h = 6,63 ■ 10"³⁴ Ws² (Planck'sche-Konstante), c = 3 · 10⁸ m/s (Lichtgeschwindigkeit).

Die Flußdichte der Strahlung q_s, definiert als die je Zeit- und Flächeneinheit senkrecht insgesamt auftreffende :

Exergie, beträgt ohne Berücksichtigung von Absorptionsvorgängen

q_s = 1,4 kW/m² I

Die Prozesse zur Synthese von (NH₂)₂ und (OHh können prinzipiell wie folgt in Einzelschritte zerlegt dargestellt werden. ;/

Synthese 1 [(NH₂): aus H₂O und N₂] gj

1.1: »Bildung von H₂ und O₂ aus H₂0« %

2 H₂O ► 2 H₂ + O₂ i.

1.2: »Anlagerung von N₂ an H₂ zur Amidgruppe« ,'^:

2 H₂ + N: ► 2 (NH₂) ^

1.3: »Kopplung zweier Amidgruppen zu Di-amid« fe

NH₂ + NH₂ > (NH₂)₂ fi-

insgesamt:

2 H₂O + N₂ > O₂ + (NH₂)₂

Synthese 2 [(OH)₂ aus H₂O]

2.1: »Bildung von H₂ und O₂ aus H₂0« '

2 H₂O >■ 2 H₂ + O₂

2.2: »Anlagerung von O₂ an H₂ zu Peroxid«

H₂ + O₂ > (OH)₂

insgesamt:

2 H₂Q > H₂ + (OH)₂ ;

'

Da die Schritte 1.1 und 2.1 identisch sind und bei der Synthese 1 als Restprodukt O₂, bei der Synthese 2 als Restprodukt H₂ entstehen, die gemäß Schritt 2.2 zu Peroxid vereinigt werden können, sind beide Synthesen im Exergietransformer gekoppelt; es exisitieren folgende Schritte, genannt »Bildung von ...«:

Die F i g. 7 und 8 zeigen die Änderung der freien Enthalpie g tür die einzelnen Schritte der Synthese i und 2. ist die Differenz \g (Produkt) - g (Edukt)] positiv, ist der Schritt endergonisch und kann nur durch Zufuhr von Exergie durchgeführt werden; Exergie wird gespeichert, sofern dieser Schritt rückgängig gemacht werden kann.

Ist die Differenz [g (Produkt) - g (Edukt)] negativ, ist der Schritt exergonisch und läuft freiwillig ab, denn es wird Exergie freigesetzt.

5.1.3. Eine kurze Abschätzung zeigt die Grundzüge der Arbeitsweise des Exergietransformers: Die ■

H₂- Bildung als Schritt 1 der miteinander gekoppelten Synthesen 1+2 erfordert eine spezifische Exergie von ^A'

zumindest 56,5 kcal/mol = 235 kWs/mol; die gesamte Hydrazinbildung benötigt mindestens 630 kWs/mol. g

Wollte man direkt die spezifische Exergie der solaren Strahlung für eine Photosynthese verwenden, kämen nur '; Quanten im UV-Bereich in Frage, der restliche Teil des Spektrums bliebe ungenutzt; auch sind mehrere Quanten simultan für die einzelnen Schritte erforderlich. Der Exergietransformer absorbiert daher die gesamte Exergie der Strahlung und überträgt sie in Form von Wärme auf ein inertes Gas (N₂) als dem thermo-fluid- _t

dynamischen (tfd) Arbeitsmittel für den Syntheseprozeß. Dazu ist es erforderlich, die Flußdichte der solaren Strahlung durch einen Hohlspiegel etwa um den Faktor 1000 zu steigern, damit die absorbierende Fläche am * Eingang des Exergietransformers gleichzeitig wärmeübertragende Fläche sein kann.

Das tfd-Arbeitsmittel des Exergietransformers entspannt isotherm; es verrichtet isenthalpisch Arbeit gegen innere Kräfte. Das bedeutet, daß die absorbierte Strahlung kontinuierlich die in Arbeit umgesetzte Enthalpie :}

12 it

Synthesen 1 + 2	gekoppelt:
1 4 H2O	► 4 H2 + 2 O2»H2«
2 2 H2 + 2 O2	► 2 (OH)2»Peroxid«
3 2 H2 + N2	* 2 (NH2)»Amid«
4 NH2 + NH2	> (NH2)2»Di-amid«
insgesamt:
4 H2O + N2	> 2 (OH)2 + (NH2)2

des Gases ersetzt; in jedem Stadium der Entspannung, also auch am Ende, ist daher die (enthalpische) Arbeitsfähigkeit des Gases gleich hoch. Vor der Verdichtung des Gases zum Zwecke der Zirkulation im Transformer muß diese Arbeitsfähigkeit dem entspannten Gas entzogen und dem bereits verdichteten Gas übertragen werden; dies geschieht durch einen rekuperativen Wärmetausch zwischen dem entspannten Gas, das beim Druck ρ = p_mm und der Temperatur T= T_ob„ eintritt, und dem verdichteten Gas, das beim Druck ρ = p_obai und der Temperatur T= T_mm eintritt.

Durch die beiden Forderungen nach isenthalpischer Expansion und nach isobaier Rekuperation ist der Prozeß des tfd-Arbeitsmittels bestimmt; das Exergieflußbild zeigt Fig. 9. Die vom Gas mit dem Massenstrom , verrichtete spezifische Expansionsarbeit -a^ muß gleich sein dem zugeführten Wärmestrom Q_n,:

dabei ist die spezifische Expansionsarbeit

wobei π = p_objpmim (Druckverhältnis des Prozesses), R = 8,3 Ws/mol K (Gaskonstante von N₂). Die spezifische Kompressionsarbeit ist

Sie sollte auf möglichst tiefer Temperatur T„,„< T_obm eingespeist werden, um den Arbeitsaufwand in Grenzen zu halten, denn die Differenz beider Arbeiten ist die spezifische Nutzarbeit:

- <W = - (<W - Okomp) W

= Jf (T. -T ^ 1 η ττ λ Vlohen 'warn) ^A" ^π

Die Forderung nach Rekuperation ergibt eine Bedingung für das maximale Druckverhältnis, denn es kann die Arbeitsfähigkeit des Gases, die im Wärmetauscher übertragen wird, nicht geringer sein als die Nutzarbeit des Prozesses:

ζ (T_obm - Τ_Μ) > R (T_ob„ - T_MB,) In π (5)

lni_maI = dp/R = x/x-l =3,5 (6)

wobei dp' = 29,1 Ws/mol K (spezifische Wärme von N₂), χ = 1,4 (Adiabaten-exponent von N₂). Es ergibt sich:

_x

x-1

W = c= 33 (7)

Der Wirkungsgrad η,_Η des Prozesses (ohne Berücksichtigung innerer und äußerer Exergieverluste) ist gleich dem Carnot-Faktor η_€, er hängt nur vom Temperaturverhältnis T_mm/T_obm ab:

Qzu T„bm

= _Vc (9) so

5.1.4. Für T_obm = 750 K, Τ_Μα = 250 K ist nach (8) η,, = 0,666. Die maximale spezifische Nutzarbeit ergibt sich nach (4) zu etwa 14 kWs/mol und ist etwa um den Faktor 50 geringer als für die Syntheseschritte erforderlich. Im Exergietransformer wird daher die Nutzarbeit des tfd-Arbeitsmittels umgesetzt in elektrische Energie und zwar durch Einführung eines zweiten Arbeitsmittels, das als magneto-fluid-dynamisches (mfd) Arbeitsmittels die Verrichtung elektrischer Arbeit zur Synthese ermöglicht; für eine Elektrosynthese sind Spannungen in der Größenordnung VoIi erforderlich. Die spezifische Arbeit, die an einer elektrischen Ladung verrichtet wird, wenn sie die Spannungsdifferenz von n Volt durchläuft, ist

Orf*= ne V= n · 1,6· 10-'» Ws (10)

oder, wenn sie auf die Einheit mol der Teilchenmenge bezogen wird, n ■ N_A · e - V = n ■ 100 kWs/mol.

Die Möglichkeit der Elektrosynthese der Verbindungen (NH₂)₂ und (OH)₂ in den genannten vier Schritten beruht darauf, daß beide gleiche Struktur haben, nämlich aus je zwei OH-Gruppen oder NH₂-Gruppen zusammengesetzt sind, und daß weiterhin beide Gruppen chemisch sehr nahe verwandt sind.

OH-Gruppen und NH₂-Gruppen entstehen in Form negativ geladener Ionen dadurch, daß sowohl H₂O als auch NH3 gleichzeitig Protonenakzeptor als auch Protonendonator sein können gemäß den folgenden (voneinander getrennten) Reaktionen der beiden flüssigen Lösungsmittel:

H₂O + H₂O ;=^ H₃ ⁺O + OH" (Ha)

NHj + NH₃ ^=^ NH⁺ + ΝΗΓ (lib)

Da die Protonenübergänge in beiden Fällen stark endergonisch sind, sind sie sehr unwahrscheinlich; wird dagegen ein einwertiges Metall wie Köder Li zugegeben, verlaufen die Reaktionen, da sie nun exergonisch sind, freiwillig, (d. h. mit einer Wahrscheinlichkeit nahe 1).

H₂O + K >H⁺K + OH" >H₂/₂ + K⁺ + OH" (12a)

NH₃ + Li >-H⁺Li + NHf >H₂/₂ + Li⁺ + NHF (12b)

Wird jetzt in beiden Fällen durch Anlegen eines elektrischen Feldes ein Elektronenübergang dadurch erzwungen, daß ein Elektron von der OH"- bzw. NH2'-Gruppe auf das K⁺- bzw. J ^:' .un transportiert wird, so kombinieren sich je zwei Gruppen unter geeigneten Bedingungen zu Di-hydioxid (Peroxid) bzw. Di-amid (Hydrazin); das ist möglich, weil sowohl die OH~-Gruppe als auch die NHi'-Gruppe eine abgeschlossene Elektronenschale mit 8 Elektronen aufweisen:

:N: = NHf · Überschußelektron

H:Ö: ξ OH~

Erst die Kombination zweier neutraler Gruppen führt wieder auf eine abgeschlossene Schale dank eir>e^r ko-valenten Bindung über ein gemeinsames Elektronenpaar:

H H

:N:N:
H H

:N:N: ξ (NH₂J₂ bzw. H:Ö:Ö:H = (OH)₂

Die Metastabilität beider Verbindungen liegt in der Tendenz, unter Abgabe der Η-Atome in Doppelbindungen überzugehen:

:N:::N: = N₂ bzw. :0::O: = O₂

5.1.5. Da H2O nach Voraussetzung Ausgangsstoff für die Exergiespeicherung im Exergietransformer ist, bestehen die beiden ersten Schritte der gekoppelten Synthese 1 + 2 in der Elektrolyse von H₂O, jedoch ohne den üblicherweise beobachteten (oder erwünschten) Zerfall des (OH)₂ über als Katalysatoren wirkende Verunreinigungen in

(OH)₂ > H₂O + O₂/2 ₍₁₃₎

Beide Schritte, 1 sowie 2, liefern gleichzeitig das für die beiden letzten Schritte 3+4 benötigte H₂. Im Exergietransformer wird der Weg über das NH₃ gemäß (12b) vermieden, weil die direkte Synthese von LiNH₂ aus den Elementen möglich ist, da diese Reaktion exergonisch ist. F i g. 10 zeigt die katalysierten Zwischenschritte der Li-amid-Bildung. Die freiwerdende Exergie bei 300 k ist jedoch beträchtlich hoch und kann normalerweise nicht für den letzten Schritt der Elektrosynthese verwerten werden. Da aber, wie in F i g. 11 gezeigt, die freie Enthalpie bei höheren Temperaturen etwa um 900 Kgegen Null strebt, sollte die Elektrosynthese des Di-amid bei diesen Temperaturen ablaufen.

F i g. 12 zeigt den Gesamtprozeß. Etwa 75% der in Form elektrischer Energie zugeführten Exergie werden bei der Elektrosynthese von (OH)₂ und der H2-Bildung gespeichert, die restlichen 25% werden für die Elektrosynthese des (NH;)2 aus Li-amid benötigt.
Die Aufgabe des solaren Exergietransformers besteht zusammengefaßt in folgendem:

1. Absorption solarer Exergie über das kontinuierliche Spektrum soweit erfaßbar nach Verstärkung der Flußdichte etwa um den Faktor 1000.

2. Bereitstellung elektrischer Energie (und damit Erhöhung der spezifischen Exergie der Strahlung) mit zwei diskreten Spannungen im Bereich einiger Volt.

3. Abtrennung von H₂O und N₂ als den beiden Ausgangsstoffen für die Exergiespeicherung aus der Kühlluft des Transformers.

4. Elektrosynthese von (OH)₂ zur Exergiespeicherung und Bereitstellung von H₂ für die zweite Synthese.

5. Elektrosynthese von (NH₂)₂ zur Exergiespeicherung nach vorhergehender Synthese von Li-amid aus N₂, H₂ und Li.

5.2.1. Im Exergietransformer wird die spezifische Nutzarbeit des thermo-fluid-dynamischen (tfd) Arbeitsmittels in elektrische Energie umgesetzt. Dies geschieht über ein zweites Arbeitsmittel, das ein flüssiges Metall ist, und dem fein verteiltes Eisen zugegeben wird, um ein elektrisch leitendes und auch ferro-magnetisches Arbeitsmittel zu erhalten. Dieses zweite Arbeitsmittel kann, wenn es in einem äußerer, magnetischen Feld bewegt wird, mit diesem über die Lorentz-Kraft in elektromagnetische Wechselwirkung treten; es wird im folgenden als magneto-fluid-dynamisches (mfd) Arbeitsmittel bezeichnet. Beide Arbeitsmittel bilden, wenn sie miteinander über Schleppkräfte in vikoser Wechselwirkung stehen, das zweiphasige MHD-Arbeitsmittel, wobei das tfd-Arbeitsmittel die gasförmige, das mfd-Arbeitsmittel die nicht-gasförmige meisi ausschließlich flüssige Phase darstellt.

Das Prinzip eines jeden MHD-Proezesses ist folgendes: Das tfd-Arbeitsmittel verrichtet während seiner (wie auch immer durchgeführten) Entspannung Arbeit; es verrichtet diese Arbeit jedoch nicht wie in konventionellen Systemen gegen äußere Kräfte, die über die notwendigerweise verschiebbaren Systemgrenzen wie Turbinenschaufeln oder Kolben übertragen werden, sondern am mfd-Arbeitsmittel. (Die dabei auftretenden inneren Kräfte beruhen auf lokale Ungleichgewichten, im Falle der viskosen Wechselwirkung auf Differenzen in den Geschwindigkeiten der Arbeitsmittel.) Erst das mfd-Arbeitsmittel verrichtet Arbeit gegen äußere Kräfte; aber auch diese werden nicht durch bewegte Systemgrenzen, sondern über ein äußeres magnetisches Feld (über die zweckmäßgierweise starren Grenzen) übertragen.

Die Inkonsequenz fast aller MHD-Prozesse liegt darin, daß die Zufuhr der Verdichtungsarbeit an das tfd-Arbeitsmittel über Kompressoren, also über bewegte Systemgrenzen, erfolgt.

5.2.2. Fig. 13 zeigt die zentrale Stellung des tfd-Arbeitsmittels und seine Wechselwirkungen im Falle des Exergietransformers. Die Wechselwirkungen erstrecken sich nicht auf ein, sondern auf zwei mfd-Arbeitsmittel, angedeutet durch die Überlappung der Kreise. Sie sind dabei räumlich (und zeitlich) eng begrenzt und beziehen sich ausschließlich auf die beiden isothermen bzw. isenthalpischen Vorgänge, das sind die isotherme Entspannung in der Zweiphasendüse auf der oberen Arbeitstemperatur T= T_Obm und die isotherme Verdichtung auf uer unteren Arbeitstemperatur T = 7Ί««,.

Das tfd-Arbeitsmittel zirkuliert, ohne daß ihm dabei Arbeit über bewegte Systemgrenzen zu- oder abgeführt wird, und treibt die beiden mfd-Arbeitsmittel über Schleppkräfte an. Das tfd-Arbeitsmittel hat dabei weder Zugang zu dem eingangsseitigen noch zu dem ausgangsseitigen Wärmeübertrager. Die "Wechselwirkung zwischen dem tfd-Arbeitsmittel und den beiden mfd-Arbeitsmitteln ist daher nicht allein viskos, es tritt eine weitere (verallgemeinerte) thermodynamische Kraft in Form einer Temperaturdifferenz zwischen dem tfd- und den beiden mfd-Arbeitsmitteln auf; sie erzwingt die zur isenthalpen Entspannung bzw. Verdichtung erforderlichen Wärmeströme: Die mfd-Arbeitsmittel haben eine zweite Funktion, und zwar als Mittel zur Wärmeübertragung, d. h. als Wärmespeicher. (Diese Funktion ist für das mfd-Arbeitsmittel 2 vorrangig; die MHD-Pumpe dient im wesentlichen [außer während des Starts des Systems] nur zur Umwälzung dieses Wärmespeichers. Der Massenstrom ist wegen der Wärmeübertragung durch Verdampfen etwa um den Faktor 50 gei Inger als der des mfd-Arbeitsmittels 1.) Technisch ist dadurch erreicht, daß das System nicht nur starre Systemgrenzen aufweist, sondern auch, daß die Größe der Systemgrenzen keinen Einfluß auf den Prozeß des tfd-Arbeitsmittels ausübt; durch die nahezu homogene Vermischung der Arbeitsmittel steht eine sehr große Fläche für diesen Wärmeübergang zur Verfugung.

Das mfd-Arbeitsmittel 1 ist eine Lösung aus *°

Li und Li NH₂

(wobei letzteres ein ZwischenproduKt der Hydrazinsynthese ist), der ferro-magnetisches Material zugemischt ist. Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit dieser Lösung gestatten es, die Konzentration der solaren Rußdichte durch den Spiegel auf etwa 125 W/cm² voll auszunutzen.

Das mfd-Arbeitsmittel 2 ist in völliger Analogie gebildet und auf die tiefere Temperatur Tmm = 250 K abgestimmt. Es ist eine Lösung aus

Li und H NH₂

die in diesem Temperaturbereich ebenfalls eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und überdies mitgerissenes Li NH₂ lösen kann, so daß die kontinuierliche chemische Regeneration und Rückführung des »carry over« beispielsweise über Reaktionen mit Mg oder Ca möglich ist.

5.2.3. Die drei wesentlichen Eigenschaften der Wechselwirkung, auf denen dieser Prozeß beruht, sind am Beispiel der viskosen Wechselwirkung zwischen dem tfd- und dem mfd-Arbeitsmittel 1 in Fig. 14 gezeigt; gleiche Eigenschaften hat die elektro-magnetische Wechselwirkung zwischen dem äußeren magnetischen Feld und dem Eigenfeld des mfd-Arbeitsmittels.

Sie sind: Wechselwirkungen über Kräfte, die durch lokale Ungleichgewichte entstehen, haben einen Eigenbedarf an Exergie, der üblicherweise (weil für die Exergieübertragung verloren) als Exergieverlust bezeichnet wird.

Wechselwirkungen können »stark« oder auch »schwach« sein, abhängig vom Verhältnis der übertragenen Exergie zu der Gesamtexergie der beiden beteiligten Fluide oder Felder.

Die Stärke der jeweiligen Wechselwirkung kann durch Variation einiger Parameter auf die Erfodernisse des Prozesses eingestellt werden; dies gilt insbesondere auch für die Beendigung der Wechselwirkung.

Die Arbeitsfähigkeit - Oa_P des tfd-Arbeitsmittels wird im Verlauf der viskosen Wechselwirkung mit dem mfd-Arbeitsmittel 1 in die drei Anteile 1) Eigenbedarf (Verlust); 2) kinetische Energie des mfd-Arbeitsmittels und 3) (restliche) kinetische Energie des tfd-Arbeitsmittels umgesetzt Die Kräfte X₁ der Wechselwirkung entstehen

durch lokale Ungleichgewichte (Differenzen in den Geschwindigkeiten der beiden Fluide) und haben im Sinne der Thermodynamik irreversibler Prozesse verallgemeinerte Flüsse // (Impulsströme) zur Folge. Das Produkt aus Kräften und Flüssen ist gleich dem Eigenbedarf an Exergie:

S e^^cas = Σ Xr It (14)

Der exergetische Wirkungsgrad der viskosen Wechselwirkung in einer Zweiphasendüse ergibt sich zu:
φ Disc = = φ'M_x + φ"Du_x (15)

Die viskose Wechselwirkung im Exergietransformer ist so eingestellt, daß sie (im Unterschied zu MHD-Prozessen mit Plasmen oder Flüssig-Metall-Gas-Emulsionen als MHD-Arbsitsmittel) stark ist; die vom tfd-Arbeitsmittel an das mfd-Arbeitsmittel 1 übertragene Exergie ist so groß, daß beide Arbeitsmittel nach Beendigung der Wechselwirkung in der Düse vergleichbare spezifische kinetische Energie haben. Der entscheidende Parameter in Fig. 14 ist der relative Anteil χ des tfd-Arbeitsmittels, bezogen auf den Gesamt-Massenstrom:

X= ihrfd/mtfd + mmfi

= in" Im" + m' ⁽¹⁶⁾

Im Bereich 0,2 <x<0,3, also rechts vom Maximum der spezifischen kinetischen Energie ek«des mfd-Arbeitsmittels (der nicht-gasförmigen Phase des MHD-Arbeitsmittels), ist die Wech elwirkung am stärksten; sie strebt für χ —► ο (FM-Emulsions-Prozesse) und für χ —> 1 (Plasma-Prozesse) gegen Null.

Für die beiden Arbeitsmittel Li und N2 lassen sich im Temperaturbereich 750 < T_Obtn < 850 K und im Bereich der stärksten Wechselwirkung ein Verhältnis φ' = iaJxaap = 0,5; φ" = iüJxaap = 0,3 und damit ein exergetischer Wirkungsgrad ^m* = 0,8 erreichen.
Die getrennte Nutzung der kinetischen Energien eirund e£«beider Fluide ist die logische Konsequenz einer starken viskosen Wechselwirkung. Da das tfd-Arbeitsmittel die maximal mögliche Exergie übertragen hat und somit »abgearbeitet« ist, hat es (im Unterschied zu MHD-Prozessen mit schwacher viskoser Wechselwirkung) keinen Sinn, beide Fluide durch das externe magnetische Feld zu fuhren. Die Fluide müssen räumlich separiert werden; dann kann die spezifische Energie eündes tfd-Arbeitsmittels zur eigenen isothermen Verdichtung auf der unteren Arbeitstemperatur T- Tmun verwendet werden, während die spezifische kinetische Andes mfd- Arbeitsmittels 1 durch die elektrodynamische Wechselwirkung als elektrische Energie ausgekoppelt wird. Fi g. 15 zeigt den Transport der Verdichtungsarbeit.

5.2.4. Im Exergietransformer wird die Seperation in zwei Schritten vollzogen. Der erste Schritt besteht darin, daß die homogene Verteilung der beiden Fluide - wie sie in einer Zweiphasendüse in etwa vorliegt - im Raum hinter der Düse gestört wird. Das geschieht durch den parallelen Betrieb vieler Düsen, die auf einen gemeinsamen Konvergenzpunkt gerichtet sind. Die nicht-gasförmige Phase mit ihrer sehr viel höheren Dichte und damit Triishci· irharrt in der ursprünglichen Bewegungsrichtung; sie konzentriert sich zunehemend um die gemeinsame Mittelachse von Düsensystem und Konvergenzpunkt, während die gasförmige Phase den Raum um den sich formenden mfd-Freistrahl erfüllt. Innerhalb des Freistrahles strebt χ —* ο, außerhalb des Freistrahles strebt χ —> 1, in beiden Bereichen nimmt die Stärke der viskosen Wechselwirkung laufend ab. Daß sich ein kompakter flüssiger mfd-Freistrahl freiwillig nicht bildet, liegt an den Querkomponenten der Geschwindigkeit des konvergierenden Strahles und an der - wenn auch schwachen - Wechselwirkung beider Fluide; dadurch, daß die gasförmige Phase zwangsläufig in Richtung auf ihren Absaugekanal einen größeren Querschnitt vorfindet, entspannt sie weiter.
Der zweite Schritt der Separation geschieht bereits durch die elektro-magnetische Wechselwirkung. Kinetische Energie des mfd-Arbeitsmittels wird ausgekoppelt und in Form elektrischer Energie zurückgespeist; dadurch werden Kräfte auf die einzelnen Tröpfchen ausgeübt und Arbeit zur Koagulation sowie gegen die Querbewegung verrichtet.

Der Bereich des Exergietransformers, in dem die elektro-dynamische Wechselwirkung stattfindet und in deren Verlauf dem mfd-Arbeitsmittel 1 kinetische Energie entzogen und in Form elektrischer Energie (über die Systemgrenze) ausgekoppelt wird, ist der MHD-Wandler. Er besteht aus einer Anzahl ringförmiger Spulen, die konzentrisch zur Mittelachse des Transformers angeordnet sind und das zu einem Freistrahl zusammengefaßte mfd-Arbeitsmittel 1 umhüllen. Der Anfang des Spulensystems liegt kurz vor dem Konvergenzpunkt der Düsenströmung in einem Bereich, in dem das mfd-Arbeitsmittel noch keinen kompakten Strahl bildet. Der Abstand der Spulen verringert sich in Strömungsrichtung, während der Durchmesser zunimmt. Die Spulen sind in kammartige Statorblöcke eingelegt, um einerseits das magnetische Feld außerhalb des Freistrahles zu führen, und um andererseits die Kräfte vom Freistrahl auf den Exergietransformer zu übertragen.

Das Spulensystem ist dreiphasig verschaltet, wird mit konstanter Frequenz/erregt und bildet zusammen mit Kondensatoren eine schwingfähige Anordnung. Elektro-magnetische Energie wird zwischen Kondensatoren und Spulensystem ausgetauscht; das magnetische Feld, das hierdurch in den Spulen auf- und abgebaut wird, bewegt sich in Form einer Welle mit der in Strömungsrichtung abnehmenden Phasengeschwindigkeit:

wobei λ ein MaB für den Abstand der Spulen ist, ω = 2π/" (Kreisfrequenz), Jt = -j (Wellenzahl).

Die elektrodynamische Wechselwirkung, die mit dieser Anordnung erreicht wird, ist ausschließlich eine Wechselwirkung zwischen wei Feldern, und zwar zwischen dem Feld der Spulen Ba,„ und dem Feld B^_n das vom mfd-Arbeitsmittel mit der (Strömungs-)Geschwindigkeit v_nyU transportiert wird. Auch die ausgetauschte s Exergie ist Energie des elekiro-magnetischen Feldes. DaB einerseits Spulen, andererseits ein Fluid mit in diese Wechselwirkung einbezogen sind, liegt an ihrer Funktion als Leiter für die elektrischen Ströme, die Quellen beider Felder sind. Das mfd-Afbeitsmittei schließlich speist die zur Wechselwirkung erforderliche Exergie auf Kosten seiner kinetischen Energie ein. Die Wechselwirkung beruht, - wie auch die viskose und thermische Wechselwirkung - auf einem lokalen Ungleichgewicht, und zwar auf der relativen Geschwindigkeit (yiiiäj - ^fen) zwischen beiden Feldern. Am Ort des zweiten Feldes, im mfd-Arbeitsmittel 1 entsteht (als Folge der Transformation der homogenen Feldgleichungen auf ein bewegtes Bezugs-System) eine elektrische Feldstärke £

E = [(^-w),Ä„„I (18) is

Sie stellt eine Kraft auf die Ladungsträger im Fluid dar, und sie - nicht die Lorentz-Kraft - ist die verallgemeinerte Kraft der Wechselwirkung. Der resultierende FIuB ergibt sich über die elektrische Leitfähigkeit σ des mfd-Arbeitsmittels als elektrischer Strom; seine spezifische Dichte/" ist (da die Vektoren der Geschwindigkeiten parallel sind):

T = ο E = -as fa**, B_altnd (19)

wobei -.S= (Vf₁₁₁U - ν«,«) / ν/*,» (Schlupf). Der spezifische Eigenbedarf der Wechselwirkung an Exergie ist:

4*. mm - (K E) = σ ^ vW B¹^_1n (20)

Exergie für die Auskopplung wird bei dieser Wechselwirkung durch das zweite Feld Β^_α übertragen. B^_n berechnet sich aus den inhomogenen Feldgleichungen mit/ als Quelle; B^_tm ist notwendigerweise um π/2 pha-

senverschoben zu B_mm. Das ist der Grund dafür, daß sich der Betrag \B^„ I aus dem Betrag \B_alm I errechnen läßt, ohne das resultierende Feld B_gem„

(21)

(mit./ als imaginärer Einheit) berücksichtigen zu müssen. Das Verhältnis beider Felder ist:

_{(22) 4o}

_5{)

= S-Rm

wobei R„ = α · μ · μ₀ · V₁^_x/ frais magnetische Reynolds-Zahl bekannt ist. μ₀ = 4π ■ /«r⁷ Vs/Am (Feldkonstante), μ = relative Permeabilität. Die Stabilität der Wechselwirkung verlangt:

±sR_mSl (23)

50 ±i Ä_m = 1 ist die Bedingung für die maximale Stärke der elektro-dynamischen Wechselwirkung; in diesem Fall ist \b^„\ = \B_alm I. die Energie des resultierenden Feldes ist proportional zu:

*.—, - B*_mm + B\_m (24)

= 2 Εβ_αιη

Der Leistungsfaktor der Wechselwirkung für ±s R_m S 1 ergibt sich aus:

(25)

Der größte Wert (in dieser groben Näherung) ist cos φ = 1 / VT= 0,705.

mhd und einem zweiten wesent- ?|

Der Exergiebedarf dieser Wechselwirkung besteht aus dem Eigenbedarf efe_i<n mhd und einem zweiten wesent- ₆₅ ?l

Hch größeren Anteil, der erforderlich ist, um das Ungleichgewicht und damit das Feld fl_nj„ über die Stromdichte J im mfd-Arbeitsmittel aufrechtzuerhalten. Der zweite Anteil errechnet sich aus der Kraftdichte, die das externe Feld auf die Stromdichte/ und damit auf das Fluid ausübt:

= IT, B_m„] (26)

Um das mfd-Arbeitsmittel 1 mit der Geschwindigkeit 7_nuid gegen dieses (rückwirkende) Kraft zu bewegen, ist die spezifische Arbeit 5

ÄL (27)

ίο der kinetischen Energie des Fluids zu entnehmen. Trägheitskraft und Lorentz-Kraft kompensieren einander. Die übertragene Nutzleistung der Wechselwirkung ergibt sich zu

(28) Omhd

wobei der exergetische Wirkungsgrad der elektro-dynamischen Wechselwirkung in MHD-Wandler sich ergibt zu:

1 - s

Die elektromagnetische Wechselwirkung in der beschriebenen Form umfaßt weder die Stabilisierung des Freistrahles - also die Fokussierung des mfd-Arbeitsmittels 1 zu einem kompakten Strahl, die Führung und Bündelung innerhalb des Spulensystems - noch die Elektrosynthese des Hydrazins. Alle diese Vorgänge sind endergonisch und erfordern Arbeit am Strahl; die Arbeit muß - da der Strahl frei fliegt - ebenfalls über die elektro-magnetische Wechselwirkung verrichtet werden. Es werden zu diesem Zweck zusätzliche verallgemeinerte Kräfte nach (18) durch lokale Änderungen des Schlupfes - ί und des externen Feldes B_almi hervorgerufen. Der exergetische Wirkungsgrad φ wandi* der tatsächlichen Wechselwirkung ist daher stets kleiner als φ mhd·, der sich auf ein unendlich langes ungestörtes Feld mit konstantem Schlupf bezieht.

Der Schlupf- s im MHD-Wandler des Exergietransformers ist auch ohne Strahlstabilisierung nicht konstant;

sollen die Spulen gemeinsam mit konstanter Frequenz/erregt werden, muß die Phasenlage von Strom und

Spannung gleich sein. Das bedeutet, es muß auch | B_atm I = I ß_ei„ Iund damit - sR_m = 1 sein. Da aber R_n, propor-

tional zu V^₁₁₅,/ω ist und daher im Verlauf der Energieauskopplung aus dem Strahl abnimmt, kann die Bedingung cos φ = const nur durch Zunahme des Schlupfes in Strömungsrichtung erfüllt werden.

Die Strahlfokussierung am Eintritt des MHD-Wandlers geschieht durch Umkehr des Vorzeichens des Schlupfes und durch geeignete Ausbildung der Feldlinien von B_mm am Einlauf (sie kann durch einen Ober-

flächenseparator vor dem Einlauf begünstigt werden). Der Strahl läuft noch nicht übersynchron sondern über

einige wenige Wellenlängen untersynchron, es wird ihm Exergie zugeführt; die Verzerrung der Feldlinien bedingt fokussierende Kräfte 4.™ auf die in den zusammenhängenden Flüssigkeitselementen des Strahles fließenden Ströme. Zu diesem Zweck sind die erste oder ersten Spulen nicht zusammen mit den übrigen Spulen erregt; die Phasengeschwindigkeit der Grund- und Oberwellen des Einlaufes kann so im Prinzip beliebig ein gestellt werden.

Ähnliches kann für die Hydrazinsynthese vorgesehen werden; so ist es möglich, das letzte Stück des Spulensystems des MHD-Wandlers im Bremsbetrieb zu betreiben durch Umkehren der Richtung der Phasengeschwindigkeit. Auch diese Maßnahme setzt die getrennte Erregung des betroffenen Spulenabschnittes voraus. 5.2.5. Eine kurze Abschätzung zeigt die Grundzüge des MHD-Prozesses wie er im Exergietransformer abläuft in der Reihenfolge MHD-Wandler, Zweiphasendüse, Rekuperator und Diffusor.

Der Vorteil des Freistrahlwandlers mit radialem Feld ist, daß der Strahl in Richtung auf die Mittelachse des Spulensystems stabilisiert wird; die induzierten Ströme sind Ringströme und entgegengesetzt zu den Erregerströmen in den Spulen gerichtet. Es kommt hinzu, daß die Probleme der Seitenleiter und der endlichen Breite wie in MHD-Wandlern vom Kanaltyp entfallen. Schwierig ist, daß das externe Feld durch den Strahl geschlossen werden muß; die Flußdichte ist notwendigerweise sehr hoch. Aus diesem Grunde darf die Wellenlänge nicht groß sein, sie sollte im Mittel 0,1 m nicht überschreiten. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit führt damit zwangsläufig auf hohe Frequenzen im Bereich kHz. Die Spulen sind daher wegen der Eindringtiefe in Cu von rund 0,5 mm aus dünnen Rohren geformt, die von einem Kühlmittel durchströmt werden.

FürA_m,„_ri = 0,1 m, V/fta,,„,,„,/ = 250 m/s ergibt sich/= 2,5 kHz. Die Leitfähigkeit von Li ist bei 750 Ketwa σ = 10⁷ I/Qm, für die der Lösung aus Li-Li NH2 σ = 10⁶1/Qm angenommen werden. Es ergibt sich:

~R_m = μ · 4π ■ ΙΟ"⁷ · 10<> · 250 · ^il = 5 μ

2π

Da Tür Fe 100 <μ < 1000 gilt, kann der Zusatz mäßiger Mengen als Katalysator für die Li NH₂-Synthese und weiter als bipolare Elektrode für die Li N^-Elektrolyse auch das Problem der starken elektro-dynamischen Wechselwirkung im Freistrahl-MHD-Wandler des Exergietransformers lösen. Die spezifische Arbeit ümhd der Wechselwirkung (27) ist als Größe auf die Raumeinheit, die spezifische kinetische Energie des Fluids vn„j/2 auf

die Masseneinheit bezogen. Im stationären Betrieb muß die spezifische Arbeit der Wechselwirkung, integriert über das Volumen des Freistrahls, gleich sein der spezifischen kinetischen Energie des Arbeitsmittels vor und nach der Wechselwirkung, bezogen auf den Massenstrom in^.
Als erste grundlegende Bedingung für den Exergietransformer folgt:

Fm, O

df = Flächenelement normal zur Achse Freistrahl

dl = Linienelement parallel zur Achse Freistrahl

vo„ = Eintrittsgeschwindigkeit des Freistrahles

v'am = Austrittsgeschwindigkeit des Freistrahles

Fe_n = Eintrittsquerschnitt des Freistrahles

Fan = Austrittsquerschnitt des Freistrahles

L = Länge des Freistrahles

<F VenF„„ ~ d'V^> _maF_aus = tli

Massenstrom des mfd-Arbeitsmittels Γ Dichte (flüssig) des mfd-Arbeitsmittels 1

Die Bedingung (30) ist unter den folgenden Nebenbedingungen zu erfüllen:

30 35 4Γ)

Ve„ = 350 m/s

p'msd = 1,0 g/cm³ für Li-Li NH₂-Fe

Uta/F- = 0,2

kann der einzige noch freie Parameter μ, - die Permeabilität des mfd-Arbeitsmittels - bestimmt werden, er ergibt sich zu μ = 4,9.

Die Leitungsdichte der elektromagnetischen Wechselwirkung im Freistrahlwandler beträgt unter diesen Annahmen 2,56 kW/cm³, die mittlere magnetische Reynolds-Zahl ist R_n, = 25, der mittlere Schlupf- 's = 0,04, die mittlere Schlupffrequenz ist - s · / = 100 Hz; die mittlere Verlust-Leistungsdichte etwa lOO W/cm³ (sie entspricht der Leistungsdichte in den Randzonen eines schnellen Brutreaktors). Die spezifische kinetische Energie des Arbeitsmittels am Eintritt ist v£,/2 = 61,5 Ws/g. Ein Freistrahl mit einem Eintrittsdurchmesser von dan ⁼ 3 cm hat eine Strahlleistung von rund 15 M W und weitet sich auf dam 6,7 cm auf. Wegen - s -^ 1 ist φ mhd ^k1. Wird der tatsächliche Wirkungsgrad des Wandlers zu φ wandler = 0,75 angenommmen, ist in diesem Beispiel die elektrische Nutzleistung Ν_αΛιήίΛ = 11,2 MW.

Das induzierte Feld E_mmri ist nach (18) im Bremsbetrieb für sS 11 £„,„«■ I ^ 2,5 V/cm, ausreichend hoch für die

Li NH₂-Elektrolyse, deren spezifischer Exergiebedarf bei etwa 2,2 V liegt.

Die restliche kinetische Energie von tfd- und mfd-Arbeitsmitte! 1 wird zur Rückförderung nach dem Staustrahlprinzip über Diffusoren ausgenützt. Am Ende der viskosen Wechselwirkung ist nach (15) die gesamte kinetische Energie beider Fluide:

1. COS φ - 2. ω 3. \Bmm\- 5. -s<\	I	10	= const = const = const
Es folgt:		2,5
	Fen Μ + Fen χ vg, . mfd
μ" μο	Fa« Fa« 2 L
mit den Werten:
IßettOTil =	kG = 10-* Vs/cm2
!± 2π	kHz

nt · dun + m · Hin — nt" · aa_P - nt · ^_{gm wjtoJ} (32)

= (<p'düx + φ'όα*) ■ in ■ χ ■ dap

s Im MHD-Wandler wird dem mfd-Arbeitsmittel kinetische Energie nach (30) entzogen:

*ous

Das tfd-Arbeitsmittel ist durch die Vorgänge im MHD-Wandler nicht betroffen. Die Restenergien sind:

nt ihn {~z~> ~ Erst rfd (.Jja;

*ÜUS

nt · dun ⁼ Erest tfd (33b)

Das Staustrahlprinzip verlangt, daß die Restenergie des jeweiligen Arbeitsmittels gleich der Summe aus der theoretischen Verdichtungsarbeit, dem zusätzlichen Eigenbedarf für die Verdichtung und dem Bedarf für die Umwälzung im Kreislauf ist. Die zweite grundlegende Bedingung für den Exergietransformer ist:

Ttt ■ 4an " (-^⁵)² - m · (dicnrnp + degen komp + isgen wälim) ^ aus

ΤΠ · έύη - Tn · (diomp + ^gmkomp + £igm wälzm)

(34a) (34b)

Die Bedingung (34a) für das mfd-Arbeitsmittel 1 (die durch Grundlage für das Projekt MHD-Staustrahlrohr mit einem einkomponentigen MHD-Arbeitsmittel ist) läßt sich ohne größere Schwierigkeit erfüllen. Da das Fluid inkompressibel ist, errechnet sich die Kompressionsarbeit aus chmp - (Pobm - PunmVp'mfd- Für die oben genannten Daten ist der theoretische Staudruck etwa 28 bar, ausreichend, um sehr hohe Einfangsverluste zu tolerieren; die Restenergie ist das 0,04fache der kinetischen Energie des Fluids vor Eintritt in den MHD-Wandler.

Die Bedingung (34b) für das tfd-Arbeitsmittel entscheidet über die Verwirklichung des Exergietransformers. Bei isothermer Verdichtung des Fluids gilt nach (2) und (3):
35

Der nach der viskosen Wechselwirkung verbleibende Anteil der kinetischen Energie des Fluids wird nach (15) durch φ'ύύ, gekennzeichnet; werden die zusätzlichen Exergiebeträge in (34b) für Verdichtung und Umwälzung - also auch für die Reibungsverluste im rekuperativen Wärmetauscher - durch den Wirkungsgrad

a M ^m · (eagtnhimp
U :—~

berücksichtigt, lautet die Bedingung (34b):

It Il . T*

¹PDUSe tpStauarahl 'obm _ ι Junten

Im Exergietransformer wird diese Bedingung durch Einstellen der Stärke der viskosen Wechselwirkung über das Verhältnis x/(l-x) - rn^/m^d der beiden Fluide und über das Verhältnis der Dichten p'lp" beider Fluide (am Anfang der Entspannung) erfüllt. Wenn:
55

0,4 < φ'ίκ* < 0,45 (siehe F i g. 14)

bewegt sich χ etwa zwischen 0,2 und 0,3. Der zulässige Bereich für φ'^ααταω ist somit,wenn T_obm = 750 K und T_Mm = 250 K:

0,74 < φ"·_&ααΓΜ < 0,83

was durch konstruktive Maßnahmen zu erzwingen ist. Da:

τη ■ i_Un = m ■ (1 - x) ■ ^

~ m ■ χ ■

nt · äjan ~ m ■ χ

20

ergibt sich aus (32) für den Arbeitspunkt χ = 0,3; ^_06x = 0,40; φ'ύ^ = 0,43 (und die oben genannten Daten) die spezifische Expansionsarbeit a^p - 360 Ws/g, während sich die Endgeschwindigkeit v'J^ aus der spezifischen kinetischen Energie v'£J/2 = 155 Ws/g zu v^ = 557 m/s errechnet. Das tfd-Arbeitsmittel hat nach der Separation gerade die Schallgeschwindigkeit v^ = c = yx · R · T_obm erreicht.

Um die Reibungsverluste im rekuperativen Wärmetauscher in den Grenzen zu halten, die durch die zweite Bedingung (34b) bzw. (36) gezogen sind, wird die Geschwindigkeit des tfd-Arbeitsmittels durch adiabate Verzögerung in einem Diffusor herabgesetzt. Aus der Reynolds-Analogie fur Wärmestromdichte und Schubspannung errechnet sich der relative Eigenbedarf an Exergie für den rekuperativen Wärmetauscher näherungsweise zu:

/l_ot,_m ~ unim\ (37)

m ■ <&„ V₄^, e · AT

v" (Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher); ΔΤ (Temperaturdifierenz zwischen warmem und kauern is Fluid); c (Formfaktor der Wärmetauscherrohre). Dieser zweite Term aus (35) für φ'ήααπΛί sollte den Wert 0,1 nicht überschreiten; fur c = 0,81, ΔΤ = 50 K ergibt sich v" a 35 m/s.

Fig. 16 zeigt die Zustandsänderungen des tfd-Arbeitsmittels N2 und des mfd-Arbeitsmittels 1 Li-Li-NH2-Fe in einem Temperatur-Entropie-Diagramm. Das tfd-Arbeitsmittel wird nach der Separation vom mfd-Arbeitsmittel 1, jedoch vor der Rekuperation, adiabat verzögert; nach der Rekuperation wird es wiederholt beschleunigt. Die Temperaturzunahme durch die Verzögerung wird fur die Wärmeübertragung im Wärmetauscher ausgenutzt.

Das Druckverhältnis π ergibt sich aus dem Verhältnis der tatsächlichen Expansionarbeit α&_ρ = 360 Ws/g zur maximal möglichen Expansionsarbeit R · T_obm In n_max = 750 Ws/g:

25 Ιη^^ΐηπ^ (38)

zu π = 5,35; die spezifische Verdichtungsarbeit ist dUmp ⁼ 120 Ws/g. Das in den Diffusor einströmende tfd-Arbeitsmittel muß durch Verdampfen des NHj-Anteiles des mfd-Arbeitsmittels 2 im Bereich hoher Geschwindigkeit in seiner Temperatur abgesenkt werden. Da die viskose Wechselwirkung wegen des Dichteverhältnisses und wegen des geringen Anteiles an NH₃ schwach ist, dient das mfd-Arbeitsmittel 2 allein zur Kühlung; der Vorgang ist ähnlich wie in einem Wärmerohr. Der Arbeitsbereich des Prozesses muß dabei so gelegt werden, daß erst nach wesentlicher Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit lokaler Druck des N2 und Dampfdruck des NH₃ sich einander angleichen. Die Verdampfungskühlung wird dann durch Oberflächenkühlung an benetzten Oberflächen ersetzt.
Die Zustandsänderung des mfd-Arbeitsmittels 1 ergibt sich aus seiner Funktion als Wärmespeicher; es ist

rri ■ dp- ΔΓ = m" ■ χ ■ dap

dp = 4 Ws/gK (spezifische Wärme Li-Li NH2); ΔΤ (Temperaturbereich der Wärmespeicherung). Aus den oben genannten Daten errechnet sich ΔΤ = 38,5 K.

Der Wirkungsgrad des Prozesses im Exergietransformer, bezogen auf die Umwandlung der absorbierten Strahlung in elektrische Energie am Ausgang des Spulensystems, ist definiert unter Verwendung von (8): /V_ri ist die Ausgangsleistung des Wandlers. as

i Hl ' X ' dfxp

Vc SO'

Wird in den Wirkungsgrad ψ mhd nach (29) der Eigenbedarf für den Wandler eingesetzt und die Integration über den lokalen Schlupf berücksichtigt, ist der tatsächliche Wirkungsgrad φ wmua unter Verwendung der ersten grundlegenden Bedingung (30) definiert durch:

" <pim> ■ tf- dl = - Nd (40)

⁼ <PWmBer OhIHD * df" dl

Der Wirkungsgrad η,η ergibt sich unmittelbar aus (32), wenn die zweite grundlegende Bedingung (34 a+b) erfüllt ist:

n* = 9¹Da_x ■ φ**«« ■ (1- t^P) (41) „

Fau, ⁶S

Aus den oben genannten Werten errechnet sich 77,/, - 0,288; damit ist der (exergetische) Wirkungsgrad des Prozesses φρηχβ ~ 0,432, da 17,. = 0,666.

Daß Isenthalpen-lsobaren-Prozesse auch für MHD-Systcnie auf Wirkungsgrade fuhren können, die theoretisch in gleicher Größenordnung wie die konventioneller Prozesse in Kernkraftwerken liegen, ist bekannt. MHD-Systeme dieser Art zeigen jedoch eine schwache viskose Wechselwirkung, die im MHD-Wandler parallel zur elektro-magnetischen Wechselwirkung aufrecht erhalten werden muß und weisen damit auch eine schwache elektro-dynamische Wechselwirkung (Auskopplung von Gleichstrom bei R_n, < 1) auf. Sie benötigen bewegte Systemgrenzen (Turbinen und Verdichter) zur Prozeßführung.

Die wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades des MHD-Prozesses im Exergietransformer gegenüber den bekannten MHD-Staustrahlprozessen mit Kondensation des tfd-Arbeitsmittels wird durch die Ausnutzung der Restenergie beider Fluide erreicht; es kommt hinzu, daß die Rekuperation getrennt von der Entspannung in

ίο den Düsen vorgenommen wird. Wesentlich ist desweiteren, daß die elektro-magnetische Wechselwirkung die Trennung beider Fluide einschließt und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Frequenzen in einem frei fliegenden Strahl vorgenommen wird. Die Steigung der Ä_m-Zahl auf etwa 25 durch ferromagnetische Anteile am mfd-Arbeitsmittel 1 löstauch das Problem der Anpassung dertherniody.^;'. .chen Beschleunigung des tfd-Arbeitsmittels an die Energieauskopplung im Wandler, das bei allen irüheren Flüssig-Metall-MHD-Systemen nur unter sehr hohen Exergieverlusten zu lösen war. Es sei abschließend erwähnt, daß der Exergietransformer in einem technisch günstigen niedrigen Temperaturbereich arbeitet, der den genannten Systemen mit starker viskoser und elektro-magnetischer Wechselwirkung bisher verschlossen war.

η,ι, nach (41) ist nicht der Wirkungsgrad des Exergietransformers, das heißt der Speicherung solarer Exergie in Form freier Enthalpie der chemischen Verbindungen (OH^ und (NHjh- Dennoch gibt η,ι, einen guten Anhalt, weil der (exergetische) Wirkungsgrad chemischer Reaktionen im allgemeinen sehr hoch, der Eigenbedarf an Exergie gering ist. Daß der Eigenbedarf der Synthesen nicht in den Wirkungsgrad η,ι, eingeschlossen ist, dürfte keinen wesentlichen Fehler bedeuten. Die (OHh-Synthese hat technisch Wirkungsgrade von etwa 90% erbracht; die (NFhh-Synthese im letzten Schriil (Elektrolyse des Li-amid) erfordert rund 25% der gesamten elektrischen Leistung; selbst wenn der (nicht bekannte) Wirkungsgrad tiefer liegen sollte, ist d.e Auswirkung wegen des geringen Gewichtsfaktors gemildert. Eine Kompensation scheint dadurch möglich, daß Energie des im Freistrahl mitgeführten Feldes B^_n, teilweise für die Li-amid-Elektrolyse verwendet wird und daher nicin (wie sonst üblich) verloren geht.

5.3.1. MHD-Bausteine werden in sehr großen Stückzahlen in praktisch allen Teilen der Welt benötigt werden; MHD-Bausteine müssen daher einerseits am Fließband weitgehend vollautomatisch gefertigt und getestet werden, sie müssen andererseits für den Lufttransport geeignet sein. Die wesentlichen Bauteile der MHD-Bausteine sind aus diesen Gründen gleichartige Rohre sowie gleichartige gestanzte und verformte Bleche mit Wandstärken bis zu 3,0 mm, die durch Schweißen miteinander verbunden werden.

Der MHD-Baustein hat sechseckigen, über seine gesamte Länge gleichen Querschnitt, um den Parallelbetrieb vieler Bausteine zu ermöglichen. Der MHD-Baustein besteht aus Stützgerüst, den eigentlichen MHD-Komponenten, den Arbeitsmitteln sowie aus mehreren Mänteln. Die Mantel umschließen das Stützgerüst, die MHD-Komponenten und die Arbeitsmittel dicht mit einer Leckrate, die unter Betriebsbedingungen jahrelangen Betrieb ermöglicht.

Handelt es sich um MHD-Bausteine, die eingangsseitig Wärme nicht von außen aufnehmen, enthält der Baustein zusätzlich die nuklearen Spalt- und Brutstoffe.

Alle Kräfte, die innerhalb des Stützgerüstes wirken und die von außen über die Mantel übertragen werden, nimmt das Stützgerüst auf. Das Stützgerüst besteht in axialer Richtung aus einem einzigen Rohr größeren Querschnitts und/oder mehreren (hier sechs) parallelen Rohren geringeren Querschnittes, in der Richtung senkrecht dazu aus verformten und damit versteiften Blechen. Diese Bleche sind auf das oder die Rohre aufgeschoben und in gleichmäßiger Teilung fixiert; sie stützen die Rohre untereinander und gegen die Mantel ab.

5.3.2. Die Fig. 17 zeigt die Querbleche zur Ausbildung des Stützgerüstes und zur Abstützung der Mäntel von innen zwecks Aufnahme der von außen wirkenden Kräfte. 1 ist eine Ausführung mit maximalem freiem Querschnitt von im Prinzip beliebiger Länge, die als Längsschott wirkt. 2 ist eine andere Ausführung, die als Querschott wirkt, mit sechs Öffnungen 3 für die äußeren Rohre 8 geringen Querschnittes und einer Öffnung 4 für das zentrale Rohr 7 großen Querschnittes. Es sind zusätzliche Öffnungen 5 für Rohre kleinen Durchmessers vorgesehen, die bei Bedarf aufgebrochen werden können. Die Ränder 6 des Querschottes 2 sind aufgebogen, (ebenso wie die Bohrungen aufgebördelt sind) um eine Versteifung zu erreichen; sie dienen als Schweißlippe.

Fi g. 18 zeigt dte Befestigung der Querschotte 2 auf dem zentralen Rohr 7 und an den sechs parallelen äußeren

Rohren 8 und stellt den Übergang zwischen den beiden möglichen Ausführungen des Stützgerüstes dar. Die aufgebogenen Ränder 6 dienen als Schweißlippen zur Fixierung und Abdichtung der Querschotten durch die Schweißnaht 10.

Fig. 19 zeigt eine abgeänderte Ausführung der Querschotten 2, notwendig für die Abschließung des Stützgerüstes nach außen an den Querflächen des MHD-Bausteines. Querschott 11 unterscheidet sich von 2 allein durch die etwas größeren Abmessungen. Die Kappe 12 ist erforderlich, wenn die Öffnungen 3 für die äußeren parallelen Rohre 8 in allen Schotten und die äußeren Rohre 8 selbst verschlossen werden sollen. Diese Kappen werden aufgeschweißt; sie dienen auch zur Aufnahme von Meßfühlern und Stellorganen.

5.3.3. Fi g. 20 stellt in einem Beispiel die Umschließung des Stützgerüstes durch zwei Mäntel dar. Der Innenmantel besteht in axialer Richtung aus einem Blech 13 aus Material, das gegenüber dem Arbeitsmittel bei Betriebstemperaturen und Betriebsbedingungen bezüglich der Verunreinigungen zulässige Korrosionsraten aufweist. Dieser axiale Innenmantel ist mit einem aufgeschweißten Wellblech 14 versteift, das gleichzeitig die auf den Außenmantel 15 wirkenden Kräfte überträgt.

Der axiale Innenmantel 13 wird in Querrichtung durch ein Querschott 2 fortgesetzt; beide Teile sind an den umgebogenen Rändern 6 des Querschottes 2 miteinander verschweißt. Die Schweißnaht 16 wird abgeschliffen, wenn der Innenmantel beispielsweise für Reparaturen abgezogen und nach Beendigung der Reparatur wieder

aufgezogen werden soll. Die Öffnungen 3 sind durch Kappen 12 verschlossen, die entsprechend der wechselseitigen Bördelung nach innen und nach außen zeigen.

Der axiale Außenmantel 15 liegt lose auf dem Innenmantel 13 mit dem aufgeschweißten Wellblech 14 auf. Er wird durch ein Querschott 11 in Querrichtung fortgesetzt und ist mit diesem an den aufgebogenen Rändern verschweißt. Auch diese Schweißnaht 17 ist bei Bedarf auftrennbar und wieder verschließbar. Die Öffnungen 3 sind ebenfalls durch Kappen 12 verschlossen.

Das zentrale Rohr 7 wird durch einen zylindrischen Stopfen 18 mit aufgesetzter Kugel 19 verschlossen. Diese Kugel 19 dient beim Transport des Bausteines als Aufhängung und zur Justierung des Bausteines, wenn dieser mit mehreren anderen Bausteinen zu einer Gruppe zusammengefaßt ist.

5.3.4. Fi g. 21 zeigt einen Querschnitt durch eine Gruppe von Bausteinen 27; einer der Bausteine ist oberhalb eines inneren Querschottes 2 geschnitten und zeigt die beiden Mäntel 13 und 15 sowie das auf den Innenmantel 13 aufgesetzte Wellblech 14. Beide Mantel bestehen aus je drei Segmenten 22 und 23, die miteinander verschweißt sind. Die Schweißlippe 24 des Innenmantels ragt in den axialen Spalt 20 hinein und dient einerseits zur Justierung des Außenmantels 15, andererseits aber zur Fixierung von Meß- und Steuerleitungen oder Heizkabeln 26, die im Spalt verlegt zu den in den Kappen 12 befindlichen Sensoren führen. Die Schweißlippe 25 des Außenmantels 15 ist hier nach innen verlegt; sie kann aber auch nach außen verlegt sein oder bei Stumpfschweißung ganz entfallen.

Der Spalt 20 zwischen den beiden axialen Mänteln ebenso wie der Raum 21 an der Stirnseite dient vorrangig der Zuverlässigkeit des Systems; er ermöglicht die permanente Kontrolle des inneren und des äußeren Mantels über den Druck des im Spalt 20 und im Raum 21 befindlichen gasförmigen oder flüssigen Mediums über Sensoren.

Der Spalt hat eine wichtige zusätzliche Funktion abhängig davon, ob die eingangsseitig für den MHD-Prozeß benötigte Warme im Baustein durch einen nuklearen Spalt- und Brutprozeß oder von außen dem Baustein etwa «us einem Fusionsreaktor oder einem Spiegel als solare Strahlung zugeführt wird. Im ersten Fall muß der Spalt zur Vermeidung von Wärmeverlusten die Funktionen einer thermischen Isolation wahrnehmen; er wird daher mit einem Gas geringen Drucks gefüllt. Im zweiten Fall muß der Spalt bei Bedarf sehr gut wärmeleitend sein; die Füllung ist in diesem Fall ein flüssiges Metall.

5.3.5. Fi g. 22 zeigt die Eingangsseite eines MHD-Bausteines mit interner nuklearer Wärmequelle. Die durch die Querschotten gebildeten Abteile sind durch A, B, C... gekennzeichnet. Im zentralen Rohr 7 ist der Spaltstoff 28 in der Form der bekannten Nadeln angeordnet und über die bekannten Tragegitter 29 gehalten. Der Brutstoff 30 ist in Form der bekannten Elementbündel außerhalb des zentralen Rohres in den Abteilen A, B, C und D angeordnet und an den Querschotten 2 verankert. Das Kühlmittel 31, welches hier gleichzeitig das mfd-Arbeitsmittel ist, strömt zunächst durch den Brutstoff 30, wird dann durch die Schlitze 32 im zentralen Rohr 7 in dieses gelenkt und passiert die Spaltstoffnadeln 28 mit Tragegitter 29. Zur Strahlungsabschirmung in axialer Richtung dient eine vorzugsweise kugelförmige durchströmbare Packung 33 aus Neutronenabsorbern und zwar im Stopfen 18 sowie im zentralen Rohr 7 und in den Bereichen zwischen den äußeren Rohren 8 der Abteile E und F.

Der Spalt 20 und der Raum 21 sind im Bereich aller Abteile mit einem Schutzgas sehr geringen Druckes zur thermischen Isolation gefüllt. Der Außenmantel 15 ist im Abteil E unterbrochen und durch das kurze Stück 42 des Innenmantels ergänzt. Beide Schweißnähte 43 sind auftrennbar und ermöglichen die partielle Entmantelung des Bausteines, speziell zur Entnahme des nuklearen Materials. Durch das zusätzliche Querschott 2 im Abteil E ist der Spalt 20 unterteilt in einen nuklearen Bereich und einen nicht-nuklearen Bereich, so daß eine differenzierte Zuverlässigkeitskontrolle möglich ist.

F i g. 23 zeigt die Eingangsseite eines MHD-Bausteines für eine externe Wärmequelle, und zwar im bevorzugten Fall der Sonne. Hier üent der Spalt 20 im Bereich der Abteile A, B, C und D tagsüber zur Übertragung der auf dem Außenmantel absorbierten Solarstrahlung 35, nachts jedoch zur thermischen Isolation des Kühlmittels 31, welches hier gleichzeitig die nicht-gasförmige Phase des MHD-Arbeitsmittels ist, also vorzugsweise aus einer Lösung von Li in Li(NH2) mit zugemischtem fein verteiltem Eisen besteht.

Tagsüber strömt die nicht-gasförmige Phase des Arbeitsmittels 31 aus drei Rohren 8 im Abteil D in den Raum zwischen dem zentralen Rohr 7 und dem axialen Innenmantel 13 und nimmt in den Abteilen D, C, B und A die solare Strahlung 35 auf, die über ein Alkalimetall 36, vorzugsweise Na, im Spalt 20 übertragen wird. Die Flüssigkeit strömt dann durch Schlitze 32 in das Innere des zentralen Rohres 7, das nachts als Wärmespeicher dient, tagsüber die Flüssigkeit zu den anderen ΜΗΌ-Komnonenten in den Abteilen G, H ... leitet.

Ist nachts keine soiare Strahlung vorhanden, muß der Spalt 20 im Bereich der Abteile A, B, C und D zur thermischen Isolation vom flüssigen Metall geleert werden. Dies geschieht in diesem Beispiel selbsttätig dadurch, daß die Kugel 19 im Sonnenlicht liegt und mit einem inerten Gas 37 gefüllt ist, das über eine Leitung 38 mit einem Reservoir 39 im Abteil F für das flüssige Metall 36 verbunden ist. Sinkt der Druck in der Kugel 19 bei fehlender Einstrahlung, so verläßt das Metall 36 den Spalt 20 und strömt durch Schlitze 40 in die verschlossenen drei Rohre 8 in das Abteil F, das hermetisch abgeschlossen ist gegenüber den anderen Abteilen, weil die Querschotten 2 mit dem Innenmantel 13 verschweißt sind. Diese drei Rohre sind in Höhe des unteren Schottes ebenfalls duch eine Trennwand 41 abgetrennt.

Der übrige Spalt 20 entsprechend den Abteilen F, G usw. ist a priori thermische Isolation und daher mit einem Schutzgas sehr geringen Druckes gefüllt; er ist vom doppelt funktionsfähigen Spalt durch das zusätzliche Querschott 2 in Abteil E abgeteilt. Der Außenmantel ist hier unterbrochen und durch das kurze Stück 42 des Innenmantels ergänzt Beide Schweißnähte sind auftrennbar und ermöglichen die partielle Entmantelung des Bausteines.

5.4.1. Die Grundelemente zum Aufbau des Stützgerüstes sind Querbleche und Rohre und zwar im einzelnen: die Längsschotten 1 sowie die Querschotten 2 und das zentrale Rohr 7, die äußeren Rohre 8 mit geringerem Querschnitt sowie die kleinen Rohre 9 mit geringstem Querschnitt für zusätzliche Leitungen.

Alle diese Elemente sind auch wesentliche Bestandteile der Komponenten des MHD-Bausteines, wie sie in den Abteilen F, G, H bis S und T, U, V, W, X, Y in das Stützgerüst eingebaut sind. Wie beim Stützgerüst so gilt auch für die Komponenten, daß keine größeren Drehteile sondern nur gestanzte, verformte und gebördelte Bleche Verwendung finden.: oberstes Ziel ist die Serienfertigung in großen Stückzahlen. Eine einzige Ausnahme s von dieser Regel bildet der MHD-Wandler; hier müssen Spulen gewickelt, Blechpakete geschichtet und die Spulen in die Blechpakete isoliert eingelegt werden. Der MHD-Wandler als Einheit ist jedoch in ein zentrales Rohr eingebaut und kann beim Verschrotten eines Bausteines wegen Erreichen der zulässigen Betriebsstunden (durch die Korrosionsraten bestimmt) in gleicher Weise wie beispielsweise der nukleare Spaltstoff (im Falle eines nuklearen Bausteines) und das MHD-Arbeitsmittel (zusammengesetzt aus dem tfd- und den beiden mfd-Arbeitsmitteln) entfernt und nochmals verwendet werden.

Während der erste Schritt der Fertigung im Aufbau des Stützgerüstes besteht und der zweite im Lecktest des Stützgerüstes, ist der dritte Schritt der Einbau der Komponenten in das Stützgerüst Es hat sich bewährt, die Bausteine während der Montage, insbesondere für den Einbau der Komponenten, auf einem fahrbaren und drehbaren Montagegerüst zu iagem; dieses liegt auf dem fahrbaren Untersatz normalerweise horizontal und wird in senkrechte Position gebracht, wenn im vierten Fertigungsschritt der Innenmantel aufgezogen wird. Der fünfte Schritt, Lecktest Innenmantel und Einbau von Sensoren, Leitungen sowie Heizkabeln, geschieht wieder in horizontaler Position, während das Aufziehen der Außenmäntel senkrechte Lage erfordert. (Das fahrbare Montagegerüst ist nicht in einer Zeichnung gezeigt).
5.4.2. F i g. 24 schließt an die Abteile A, B bis F aus den F i g. 22 und 23 an und zeigt die Mischkammern 44 für das tfd- und das mfd-Arbeitsmittel, die Düsen 45 zur Beschleunigung beider Arbeitsmittel, die Strecke 46 zur Entkopplung beider Arbeitsmittel, sowie einen Teil des MHD-Wandlers, der als Einheit montiert wird. Der MHD-Wandler ist, wie bereits erwähnt, in ein Stück des zentralen Rohres 7 eingebaut; dieses Rohr ist mit den Längsschotten 1 verbunden und überträgt die sehr großen Trägheitskräfte des Freistrahles über die Längsschotten auf die äußeren Rohre 8 des Stützgerüstes. Die Umhüllung durch das zentrale Rohr schließt gleichzeitig den Wandler gegen das außen vorbei strömende »abgearbeitete« tft Arbeitsmittel 47 ab. Das zentrale Rohr 7 als Hülle des MHD-Wandlers ist zum Einlauf hin konisch verformt.

Der MHD-Wandler enthält als Teile die Blechpakete 48, die ringförmigen Spulen 49 sowie eine spezielle besonders erregte Spule 50 mit entsprechend geformten Polschuhen 51 zur magnetischen Fokussierung auf den Konvergenzpunkt 52. Der durch die Blechpakete gebildete Kanal 53 erweitert sich in Strömungsrichtung; er ist innen durch eine Membran 54, die möglichst schlecht elektrisch leitend sein sollte, gegen Blechpakete 48 und Spulen 49 und 50 abgeschlossen. Der freie Raum 55 zwischen Blechpaketen und Spulen ist vom Kühlmittel erfüllt, das N₂ ist und über eine nicht gezeigte Leitung dem tfd-Arbeitsmittel nach der isothermen Verdichtung entzogen wird. Ist das Kühlmittel erwärmt, strömt es durch Schlitze 56 in den Kanal 53. Der Kanal enthält auf einem Polster aus Resten des tfd-Arbeitsmittels das mfd-Arbeitsmittel als kompakten Freistrahl (der hier nicht gezeigt ist).

Fig. 25 zeigt als Detail einen Ringseparator 57 mit nachgeschalteter Coandalippe 58, der zur verbesserten Strahlfokussierung dient. Beide Teile sind zum besseren Verständnis verzerrt gezeichnet für eine parallel einströmende Zweiphasenströmung.
F i g. 26 zeigt im Abteil M das Ende des MHD-Wandlers mit dem Strahleinfang. Auch hier tritt eine Separation auf; die restliche gasförmige Phase 47, die den Freistrahl begleitet und die gleichzeitig (chemisch inertes) Schutzgas für das im Freistrahl gebildete Hydrazin ist, wird zusammen mit dem Hydrazin durch die Absaug· loüfe 5> uus dem MHD-Kanal abgeleitet. Die Schlitze 60 im Absaugrohr sind durch Kolben verschließbar; der Stellantrieb 61 für den Verschlußmechanismus ist vom internen Servo-Drucksystem gespeist und tritt in Funktion, wenn die nicht-gasförmige Phase nicht vollständig in den Einfang 62 trifft oder sich etwa beim Start des Transformers staut. Da möglichst wenig Partikel des mfd-Arbeitsmittels vom tfd-Arbeitsmittel mitgerissen werden sollen, sind die Schlitze 60 versetzt angeordnet.

Der Einfang 62 für den Freistrahl ist großen Kräften ausgesetzt und daher über zwei Schotten 63 mit dem zentralen Rohr verbunden. Der Innenraum befindet sich auf dem gleichen Druck, wie er am Ende des Strahleinfanges herrscht; der Strahleinfang hat durch geeignete Konturierung 64 die Funktion des Diffusors zur Ausnutzung der restlichen kinetischen Energie des Freistrahles. Der Einfang wird verstärkt durch die durchlaufenden Rohre 59 für die abgesaugte Gasphase + Hydrazin sowie durch die Ablaufrohre 65 für das mfd-Arbeitsmittel. Die im Prinzip gleichen Überleitungskästen wie bei den Düsen führen beide Phasen getrennt in die äußeren Rohre 8. Die Überleitungen 66 und 67 für die beiden Fluide sind überlappt paarweise angeordnet und dienen außerdem zur Aufnahme von Schubkräften.

5.4.3. Fig. 26 zeigt in den Abteilen N, O, P, Q und R weitere Beispiele für die Verwendung der drei Rohrarten 7,8,9, aber auch die Verwendung der Längs· und Querschotten 1 und 2 als Grundelemente. Der rekuperative Wärmetauscher ist wie auch der MHD-Wandler als Einheit in das Stützgerät integriert; sein Mantel 68 besteht an den Stirnseiten aus zwei Querschotten 2, die mit dem einen Längsschott 1 zu einem sechseckigen prismatischen Körper verschweißt werden. Vor dem Einschieben auf die Rohre 8 des Stützgerüstes wird der Wärmetauscher durch Einsetzen der Rohre 69 Tür das tfd-Arbeitsmittel mit geringem Druck fertiggestellt; diese Rohre sind von der gleichen Art wird die Rohre 9 für die zusätzlichen Leitungen. Die Querschotten 2 selbst und ein eingesetzter Boden in die Mittelöffnungen der Schotte sind durchlöchert, die Löcher sind nach außen gebördelt, die Kanten dienen zum Verschweißen der Rohre 69. Das bereits verdichtete tfd-Arbeitsmittel wird durch drei der äußeren Rohre des Stützgerüstes zugeführt und im Bereich des Wärmetauschers durch den Raum zwischen den Rohren 69 geführt. Die restlichen drei Rohre 70, in denen an sich das mfd-Arbeitsmittel 1 fließt, sind erst ab Abteil M (in Strömungsrichtung der Fluide) besetzt, dort liegt auch die Trennwand 41. In die leeren drei Rohre wird, wie bereits erwähnt, der restliche den Freistrahl begleitende Anteil des tfd-Arbeitsmittel nebst dem gebildeten Hydrazin geführt. Im Bereich des Wärmetauschers sind diese Rohre ebenfalls gekühlt; sie dienen daher

als Kondensator 71 für das Hydrazin und sind innen mit einem Netzwerk 72 zur Leitung des flüssigen Hydrazins und zur Vergrößerung der Kondensationsfläche versehen. Der Wärmetauscher wird Dach Fertigstellung auf das Stützgerüst geschoben und verschweißt.

Fi g. 27 zeigt im Detail die Technik der Fertigung von Komponenten aus gestanzten und verformten Blechen am Beispiel der Überleitungen 66 und 67. Das gleiche Prinzip wird auch für die Überleitungen 44 an den Düsen, s die gleichzeitig Mischkammem sind, verwendet die Querbleche 73 und 74 sind wie die Querschotten 2 am Rande und an den Bohrungen gebördelt und werden zunächst an den zu· und abführenden Rohren verschweißt; dann wird das nach der Seite abschließende Querblech 75, das die gleiche Aufgabe wie das Längsschott 1 hat, übergeschoben und verschweißt

Diffusor vor und Düse nach dem rekuperativen Wärmetauscher für das entspannte tfd-Arbeitsmittel werden durch Bleche 76 gebildet, von denen nur eins gezeigt ist Hierbei wird ausgenutzt, daß das tfd-Arbeitsmittel am zentralen Rohr als Außenmantel des MHD-Wandlers vorbeiströmt und beim Eintritt in das Abteil N wieder dec vollen Querschnitt vorfindet; die Düse entsteht durch die Verengung des Querschnittes im Abteil P auf den des Einlaufes in den gekühlten Diffusor. In dieses Abteil strömt auch der restliche Anteil des tfd-Arbeitsmittels, dem das Hydrazin durch Kondensation entzogen wurde, durch die Führungskästen 77 in den Hauptstrom. Das flüssige Hydrazin wird durch das Netzwerk 72 mit dochtähnlicher Struktur vor dem Mitreißen geschützt und sammelt sich im Reservoir 78, aus dem es durch die Leitung 79 entnommen wird.

5.4.4. Der Diffusor zur annähernd isothermen Verdichtung befindet sich in Abteil Q. Seine Wände 80 sind porös; das hier als Kühlmittel dienende mfd-Arbeitsmittel 2 (Li NH3), das sich im Reservoir 81 befindet, kann in den Diffusor einsickern. Die Oberfläche des Diffusors wird durch zusätzliches Netzwerk 82 mit dochtähnlicher Struktur vergrößert Das Kühlmittel wird über MHD-Pumpen, die nicht gezeigt sind, aber auch über Kapillarkräfte durch die drei nicht besetzten äußeren Rohre, die vom Hydrazinreservoir durch eine Trennwand 41 abgetrennt sind, zugeführt In diesen Rohren befindet sich der Regenerator 83 für das »carry over« in Form von Li NH2 des mfd-Arbeitsmittels 1. Er besteht aus Blechen oder Sinterkörpern aus Ca oder Mg und nimmt die im Li NH3 gelösten NH2-Gruppen auf. Damit erhöht sich laufend die Li-Konzentration.

Vorzugsweise nachts, wenn der Transformer mangels Exergiezufuhr nicht in Betrieb ist, kann das als Falle wirkende Metall regeneriert weden, beispielsweise durch thermische Zersetzung der Metallamide in NH3 und N₅.

Der Regenerator 83 mündet dann nicht nur in das Reservoir 81 sondern auch in die Leitung 34, die in den eingangsseitigen Wärmeübertrager in den Abteilen A, B, C, D mündet, denn der Regenerator muß nachts außerdem das durch die Regeneration entstandene überschüssige NH3 und das tagsüber angesammelte überschüssige Li dem primären Kühlmittel (mfd-Arbeitsmittel 2) entziehen und an die nicht-gasförmige Phase des MHD-Arbeitsmittels (mfd-Arbeitsmittel 1) zurückführen. Beide Anteile sind dabei gelöst und werden bei tiefer Temperatur durch die Leitung 34 flüssig transportiert; die Reaktion zu Li NH2 geschieht erst im eingangsseitigen Wärmeübertrager bei höherer Temperatur. Die Zufuhr von gasförmigem N2 und H2 von außerhalb für die Hydrazinsynthese wird dadurch nicht beeinträchtigt (und findet auch nachts nicht statt).

F i g. 28 zeigt die Separationskammer im Abteil R (und einen Teil des sekundären Kühlkreislaufes); auch sie ist aus den Grundelementen zusammengesetzt. Die Kammer lenkt das verdichtete tfd-Arbeitsmittel um und verteilt es auf die drei äußeren Rohre 8 des StützgerUstes. Sie besteht aus der Kammerwand 84, die durch ein Stück des zentralen Rohres 7 gebildet wird, und stellt mit den sie tragenden Querschotten 2 einen Teil des Stützgerüstes dar. In die Kammer ragen vom Boden 85 her Kühlfinger 86, die aus der gleichen Art von Rohren 9 bestehen, wie sie auch für den rekuperativen Wärmetauscher verwendet werden. Die Kühlfinger 86 werden von innen durch das sekundäre Kühlmittel ebenfalls durch Verdampfung gekühlt. Alle Oberflächen der Separationskammer sind mit einem Netzwerk 82 mit dochtähnlicher Struktur überzogen; das kondensierte primäre Kühlmittel sickert im Netzwerk zu den Absaugeöffnungen 87, durch die es zu den (nicht gezeigten) MHD-Pumpen in den freien Rohren 8 geführt wird. Die MHD-Pumpen pumpen dann die Flüssigkeit durch die Regeneratoren 83 in das Reservoir 81. Das verdichtete und vom NHj getrennte tfd-Arbeitsmittel strömt in die Ansaugerohre 88 und durch die Überleitung 89 in die rückführenden Rohre 8.

Das tote Ende 90 der Rückleitungen ist durch eine Trennwand 41 gegen die Abteile S, T... abgetrennt; es enthält die (hier nicht gezeigten) Ventile nebst Antrieben zum Absperren der Rückleitungen; auf diese Weise kön- so nen die Rückleitungen während der nächtlichen Pause als Druckspeicher dienen, denn gleiche Ventile sind in die Überleitungen 44 eingebaut, gekoppelt mit den Ventilen in der Zuführung der nicht-gasförmigen Phase (mfd-Arbeitsmittel 1) aus dem zentralen Rohr 7. Die Mischkammern 44 in Fig. 24, Schnitt a-a, zeigen die Faltenbälge 91 der Ventilsteuerung. Das System zur Druckgasversorgung ist nicht gezeigt.

Das zentrale Rohr 7, das in Abteil R die Separationskammer bildet, ist in das Abteil S fortgesetzt und enthält einen zylindrischen Einschub, der den Gasraum 92 des sekundären Kühlmittels bildet. Dieser Einschub ist nach oben durch den Boden 85 begrenzt, in den die Kühlfinger 86 in aufgebördelte Löcher eingesetzt und dort verschweißt sind. Der Einschub wird als Einheit in das zentrale Rohr 7 eingeschoben und verschweißt. Das flüssige Kühlmittel Li NH3 wird über die Leitung 93 aus den Abteilen T, U... zugeführt und auf die einzelnen Kühlfinger 86 verteilt; ein Seelenrohr 94 leitet das flüssige sekundäre Kühlmittel bis an die Spitze des Kühlfingers, wo es austritt, an der Wand des Kühlfingers entlangfließt und verdampft wird. Das gasformige Kühlmittel sammelt sich im Gasraum 92 und wird durch die Überleitungen 95 in die äußeren Rohre 8 in den Luftkühler geleitet.

5.4.5. Per freibleibende Raum 21 zwischen dem Gasraum 92 und dem Querschott 11 für die Befestigung des Außenmantels 15 steht mit dem axialen Spalt 20 in Verbindung. Da der Außenmantel 15 sich nicht unbedingt gleich stark dehnt wie der Innenmantel 13, ist das abschließende Querschott 11 nicht fest mit dem Stützgerüst verbunden. Die Bohrungen für die sechs äußeren Rohre 8 sind nicht mit dem Stützgerüst sondern mit Kompensatoren 96 verschweißt, deren anderes Ende erst am Ende des Abteils T an der Naht 99 mit den Rohren 8 verschweißt ist. Der Spalt 20 setzt sich in den Kompensatoren fort. Das Loch für das zentrale Rohr 7 im Schott 11

ist durch eine Kugelschale 97 verschlossen, die im Strom der Kühlluft liegt In der Kugelschale ist die Ionengetterpumpe 98 befestigt, die das Vakuum im Spalt aufrecht erhält

Fig. 29 schließlich stellt den Kühler für das sekundäre Kühlmittel Li NH3 in den Abteilen U, Vbis Ysowie den Auslaß für die Kühlluft in Abteil T dar. Auch der Kühler ist aus den Grundelementen aufgebaut und wird als s Einheit gefertigt und an der Naht 99 angesetzt Er besteht aus den sechs Rohren 8, dem zentralen Rohr 7 des Stützgerüstes und aus einer Variante des Längsschotts 1. Drei der äußeren Rohre 8 dienen zur Führung des gasförmigen Kühlmittels; sie haben Schlitze 100, durch die das Gas austritt, um an der inneren Oberfläche des Kühlers zu kondensieren. Die restlichen drei Rohre dienen als Reservoir für das verflüssigte Kühlmittel, in die es durch die MHD-Pumpe 101 gefordert wird.

Das Längsschott 1 ist hier in einer anderen Ausführung gezeigt Es besteht wiederum aus Segmenten 102 und 103, die den Außen- und Innenmantel des Kühlers darstellen; die beiden Segemente sind so geformt, daß sie die Kanäle 104 und 105 für die Kühlluft mit größtmöglicher Oberfläche ergeben. Die Segmente sind aus diesem Grund, aber auch zur Stabilisierung, gewellt (in gleicher Weise wie das Wellblech 14 zur Verstärkung des Inticnmantels 13). Sie werden an den Lippen 106 verschweißt Die Segmente werden vor dem Zusammenbau auf ihrer Innenseite mit einem Netzwerk 107 mit dochtähnlicher Struktur überzogen, das zur Vergrößerung und Benetzung der Oberfläche dient

Die Kühlluft wird vom (hier nicht gezeigten) Abteil Z, das den Anschluß an die Versorgungskanäle bildet zugeführt Sie verläßt den Baustein im Abteil T. Die Kappen 12 enthalten die Sensoren zur Überwachung des gleichmäßigen Kühlluft-Zustromes.

5.3.1. Eine Voraussetzung für den Betrieb des Exergietransformers ist die Bündelung der solaren Strahlung auf den eingangsseitigen Wärmetauscher mit einer Erhöhung der Flußdichte um etwa den Faktor 1000. Eine andere Voraussetzung ist die Bereitstellung notwendiger Mengen kühler Luft zur Abfuhr der thermodynamisch wertlosen Wärme des MHD-Prozesses; die dritte Voraussetzung ist die Abtrennung von N2 und H2O aus der Kühlluft (sofern kein Oberflächenwasser vorhanden ist) als den beiden Ausgangsstoffen für die Exergiespeichening.

Es bestehen zwei Möglichkeiten, diese Bedingungen zu erfüllen, abhängig von den Problemen bedingt durch den Standort des Exergietransformers.

Wird der Transformer in tropischen Zonen im Bereich zwischen Äquator und 30. Breitengrad eingesetzt, liegt das Problem weniger in der Verfügbarkeit der solaren Strahlung durch Klimaeinflüsse als in der Verfügbarkeit von Wasser und im Transport der beiden flüssigen Exergieträger in die bevölkerten gemäßigten Zonen. Wird der Exergietransformer in diesen gemäßigten Zonen etwa zwischen dem 30. und 60. Breitengrad verwendet, liegt das Problem primär in der Verfügbarkeit der solaren Strahlung. Es wird im folgenden der am ungünstigsten erscheinende Fall beschrieben, der durch einen Standort in der gemäßigten Zone in der Nähe des 60. Breitengrades nördlich gegeben ist; alle anderen Standorte sind dann, da sie günstiger sind, mit eingeschlossen. Solare Strahlung muß in einer Höhe absorbiert werden, die frei von Einflüssen des Klimas ist, also oberhalb der Tropopause, die in dieser Breite bei etwa 11 km Höhe liegt. Spiegeisysteme, die in dieser Zone durch eigenen Auftrieb gehalten werden könnten, sind jedoch starken Winden ausgesetzt, die den stationären Betrieb und auch die Halterung unmöglich machen dürften. Eine Zone, die nicht durch das Klima beeinflußt wird und auch ein Minimum an Windbewegung (Nullschicht) aufweist, liegt bei etwa 20 km Höhe.

Exergietransformer gemäß der fcrfindung sind (im ungünstigsten Fall) für den Einsatz in dieser Höhe vorgesehen. Die Strahlung wird durch Spiegel auf den Eingang des MH D-Bausteines konzentriert; die starken Wechselwirkungen im Transformer, insbesondere die elektro-magnetische Wechselwirkung bei der Energieauskopplung, lassen den Betrieb in großen Höhen für längere Zeit zu, da das System selbst völlig dicht von der Umgebung abgeschlossen ist. Die Leichtbauweise verringert den Bedarf an Auftrieb und da außerdem das System elektrische Energie mit hoher Frequenz und Spannung abgibt und einen Teil der Synthese im System abläuft, erscheint es allen anderen Systemen zur Energietransformation (Turbosysteme, Thermionische Wandler, Solarzellen) in bezug auf Zuverlässigkeit und Exergieabfuhr überlegen.

Das Problem der Verankerung bleibt für alle Systeme, die in dieser Höhe arbeiten, auch für den Exergietransformer, ähnlich. Die Halterung des Exergietransformers (der in Analogie zu botanischen Organismen konzipiert ist) hat hier mehrere zusätzliche Aufgaben zu erfüllen, in der Hauptsache die Förderung der Kühlluft, die Abtrennung des H2O aus der Kühlluft, die Förderung von H2 vom Erdboden zu den Bausteinen und die Ableitung des gebildeten Hydrazin sowie die Ableitung der elektrischen Energie für die H2O-Elektrolyse am Boden und bei Bedarf zur Einspeisung in ein Netz. Diese Aufgaben können zusammen nur durch eine halmartige Verbindung übernommen werden. Diese muß elastisch sein, um die wechselnden Windkräfte aufnehmen zu können, und sie muß teils Zug- teils Druckkräfte aufnehmen. Sie muß so gefertigt werden können, daß sie wie der Stengel einer Pflanze von unten emporwächst, hier gezogen von den auftrieberzeugenden Spiegelsystemen. Das Material muß leicht sein und eine sehr große Zerreißlänge haben; schließlich sollte der Halm begehbar sein und den Ersatz von beschädigten MHD-Bausteinen und Spiegeln zulassen.

5.5.2. Eine kurze Abschätzung zeigt die Probleme, die mit der Zufuhr der solaren Exergie und mit der Abfuhr der thermodynamisch wertlosen Wärme des MHD-Prozesses verbunden sind:

Die Auslegung der schwebenden Spiegel des Exergietransformers orientiert sich an den Zahlenwerten früherer Zeppeline (Z 129) mit H2-Füllung. Typische Zahlenwerte sind Volumina in der Größenordnung von 2 · 10⁵ m^J bei Längen von 250 m mit einem Auftrieb von rund 2601. Die Spiegel der Exergietransformer sind rotationssymmetrisch; sie werden nicht durch lineare, sondern durch ringförmige Wülste stabilisiert und getragen. Geht man von einem Spiegelradius von 100 m aus, ist die nutzbare Fläche π · 10⁴ m²; es könnte ein solarer Exergiefluß von 37,5 MW (bei einem Spiegelwirkungsgrad von 0,86) reflektiert werden. Eine tragende Wulst für die Spiegelfäche mit einem Volumen von 10^s m³ hätte einen Durchmesser von etwa 15 m und würde (ebenfalls mit H:- Füllung) einen Auftrieb von etwa 10 t in 20 km Höhe erzeugen. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß Tür die Ausbildung des Spiegels nur Folien in Frage kommen können, die durch Druckdifferenzen gespannt werden.

Die MHD-Bausteine, die mit ihrem eingangsseitigen Wärmeübertrager im Brennpunkt des Spiegels lokalisiert sind, erfordern wegen des geringen Auftriebs des Spiegels eine extreme Ausnutzung der Leichtbauweise.

Die Versorgung der MHD-Bausteine mit Luft zur Kühlung kann nicht von den Zufälligkeiten 4er Strömung der Luft in diesen Höhen abhängig gemacht werden; die Kühlluft muß vom Boden aus zugeführt werden. Anders ließe sich auch das Problem der ihO-Versorgung des Transformers aus der Kühlluft ment lösen. Hat der s MHD-ProzeB einen Wirkungsgrad von etwa 0,3, ist die elektrische Leistung einer Einheit aus Spiegel und MHD-Bausteinen insgesamt rund 11,0 MW, und die abzuführende thermodynamisch wertlose "Wärme beträgt 26,5 MW.

Der Transport der Kühlluft erfordert Arbeit; der Bedarf an spezifischer Exergie für die Förderung eines Fluids um 1 km gegen die Gravitation beträgt fast 10 Ws/g. Luft hat eine spezifische Wärme von etwa 1 Ws/gK. Trockene Luft, die sich in einem Rohr befindet, das vom Erdboden in die Höhe von 20 km führt, hat daher, wenn sie sich im thennodynamischen Gleichgewicht befindet, oben eine um etwa 200 K tiefere Temperatur als am Boden; Voraussetzung für das thermodynamische Gleichgewicht ist die adiabate Isolation des Rohres. Diese isentrope Temperaturverteilung ist außerhalb des Rohres bis zu den Höhen von 11 km in der Tat vorhanden, sofern keine Störungen auftreten, bedingt durch unterschiedliche Temperaturverteilung und durch die Kondensation von H2O-Dampf, der in der Luft enthalten ist (Diese lokalen Ungleichgewichte verursachn das Wettergeschehen.)

Von der Höhe 11 km an aufwärts ändert sich das Verhalten außerhalb des Rohres grundlegend, weil jetzt solare Strahlung nicht mehr fast ausschließlich am Boden sondern im Luftraum selbst absorbiert wird. Die Temperaturverteilung ist konstant, die Schichtung der Luft isenthalpisch bis auf eine Höhe von etwa 30 km. Durch die adiabate Isolation durch das Rohr wird die isentrope Schichtung der Luft im Rohr nicht geändert; die Luft im Rohr erscheint mit der Höhe zunehmend gegenüber der Außenluft unterkühlt.

Es ist nun, um die Kühlluft bis zu den MHD-Bausteinen zu fördern, nicht der Bedarf von rund 20 Ws/g aufzubringen, sondern es ist lediglich die Reibungsarbeit zu verrichten, um die unterkühlt erscheinende Luft durch den ausgangsseiiägen Wärmetauscher des MHD-Bausteines und um die gesamte Luftsäule durch das Rohr zu fordern Diese Exergie kann der Kondensationsarbeit des H2O entnommen werden, die in einer Höhe von etwa 3 bis 4 km anfällt; die spezifische Kondensationswärme beträgt, wenn 1% des Gesamtmassenstromes an feuchter Luft kondensiert, etwa 35 Ws/g. Die spezifische Exergie dieser Wärme dürfte zur Förderung ausreichen, die Anergie erwärmt die aufsteigende Luft. Beträgt die Temperatur der Außenluft in 20 km Höhe T= 220 K und ist die Temperatur der Luft im Rohr, wenn sie am Boden mit 7L = 3C0 K eintritt, in der Höhe wegen der Wasserkondensation nicht um 200 K sondern nut um 170 K verringert, so erscheint die aus dem Rohr austretende Luft um etwa 200 - 130 = 90 K unterkühlt. Die Kühlluft des Exergietransformers kann somit theoretisch ihre Enthalpie durch die Abwärme des MHD-Prozesses um 90 Ws/g erhöhen, bis sie im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebungsluft steht.

Der Bedarf an Kühlluft für eine Spiegeleinheit unter den genannten Bedingungen beträgt somit:

26,5 MWg , _inS .

mLtf je FAnMl = — ^S = 3 · 10⁵ g/S

90 Ws

Das Rohr für die Kühlluft muß daher bei einer Eintrittsgeschwindigkeit der Luft am Boden von 3 m/s und einer Dichte von 10"³ g/cm³ einen Querschnitt von weniger als 100 m², d. h. einen Durchmesser von weniger als 12 m aufweisen.

Der Massenstrom des anfallenden H2O ist wie vorausgesetzt

ήΐΗ,ο je Einhtii ~ 10"² lhufi Jr EinMi = 3 · 10³ g/S

5.5.3. Fig. 30 zeigt einen Spiegel nebst Halterung im Schnitt, ausgezeichnet durch eine sehr große Wulst 108. Diese Wulst ist mit H2109 gefüllt und erzeugt den gesamten Auftrieb des Spiegels. Die Wulst 108 ist innen durch eine Kammer 110 verstärkt, die mit H2 unter erhöhtem Druck 111 gefüllt ist. Die Verbidungsnähte 112 und 113 zwischen Wulst 108 und innerer Kammer 110 sind einerseits Ansatzpunkte für die Tragarme 114, andererseits so Ansatzlinie für die Spiegelfolie 115. Die Tragarme 114 sind an ihrem zweiten Ende über ein Gelenk 116 am Mittelrohr 117 beweglich befestigt; sie weisen ein zweites Gelenk 118 etwa in der Mitte auf. Die Tragarme 114 zentrieren die Wulst 108 und werden zu diesem Zweck durch ein Kabel 119 vorgespannt.

Die Spiegelfolie ist an einer zweiten Naht 120 als Ansatzlinie befestigt, wobei diese Naht zwischen Spiegelfolie und einer weiteren Folie 121 an einem Rin^ 122 fixiert ist. Dieser Ring ist beweglich über das Mittelrohr 117 geschoben und kann durch einen (hier nicht gezeigten) Antrieb die Justierung des Spiegels gewährleisten. Um die Spiegelfolie 115 in die gewünschte parabolische Form zu bringen, wird ein Spiegelkissen 123 aus der Spiegelfolie 115, der Querfolie 121 und einer Unterfolie 124 gebildet. Die Unterfolie 124 ist mit der Wulst 103 an der unteren Verbindungsnaht 113 verbunden. Das Spiegelkissen luft hat. Es muß am Tragarm 114 und zwar am Gelenk 116 und am Gelenk 118 befestigt werden, um die Spiegelfolie wie gewünscht zu spannen. Gelenk 116 und am Gelenk 118 befestigt werden.

Das Mittelrohr 117 des Spiegels hält an seinem oberen Ende über eine (hier nicht näher ausgeführte) Halterung 126 einen oder mehrere MHD-Bausteine 27; der eingangsseitige Wärmeübertrager der Bausteine befindet sich im Fokus 127 des Spiegels. Der ausgangsseitige Wärmetauscher der MHD-Bausteine befindet sich im Luftauslaß 128 des Mittelrohres. Das Mittelrohr ist an seinem unteren Ende in ein anderes Rohr 129 gesteckt, das den Anschluß an die (hier nicht gezeigten) Versorgungskanäle bildet. Der Anschluß ist lösbar, so daß der Spiegel notfalls gelöst und durch einen anderen zunächst zusammengefalteten Spiegel ersetzt werden kann. Die Verriegelung geschieht durch Arretierungsbolzen 130. Um den Spiegel auf die Sonne ausrichten zu können, ist das

Anschlußrohr durch einen Faltenbalg 131 unterbrochen. Spindeln 132spannen über einen (hier nicht gezeigten) Antrieb den Faltenbalg ungleichförmig und verbiegen damit das Anschlußrohr 129.

Der Spiegel wird im zusammengefalteten Zustand durch den Versorgungskanal und das Anschlußrohr geschoben. Nachdem das Mittelrohr 117 über die Arretierungsbolzen 130 fixiert ist, wird die Wulst 108 durch Einleiten von H2 aufgeblasen; die endgültige konkave Form des Spiegelkissens 123 wird erzielt, wenn die Tragarme 114 durch Spannen der Kabel 119 ihre endgültige Position erreicht haben. Die genaue Justierung des Spiegels geschieht dann durch Verschieben des Ringes 122.

F i g. 31 zeigt eine weitere und zwar die bevorzugte Ausführung des Spiegels; hier sind sämtliche Einzelheiten, die beiden Ausführungen gemeinsam sind, fortgelassen worden. Der Unterschied dieser Ausführung gegenüber ',

der in F i g. 30 besteht in der kleineren Wulst 133 und dem zusätzlichen Spannkissen 135 anstelle der Spannkabel ,

119. Der große Vorteil ist, daß die mechanische Betätigung der Kabel entfällt; das Spiegelkissen wird in seine endgültige Position gebracht indem das Spannkissen durch H2111 aufgeblasen wird. Der zusätzliche Auftrieb _;

dieses Kissens gestattet, den Wulst zu verkleinern.
Das Spannkissen ist auf der Oberseite durch die Unterfolie 124 des Spiegelkissens 123, auf seiner Unterseite :

durch die Zugfolie 13? gebildet. Die Verbindung zwischen Zugfoiie 137 und Wuisi 133 geschieht entlang der ~

Naht 136. Sie ist von der Innenseite durch eine zusätzliche Kammer 134 stabilisiert. Das Spannkissen wird zum Mittelrohr durch Verbindung mit der Unterfolie 124 (und mit der Querfolie 121) geschlossen. Auch hier ist die i

Fixierung von Spiegel- und Spannkissen am Gelenk 118 des Tragarmes erforderlich. Die Tragarme 114 sind jetzt im Spannkissen 135 unter H2 als Schutzgas geschützt.

5.5.4. Da ein Spiegel mit seinen MHD-Bausteinen nur etwa 11 MWaIs Nutzleistung abgibt, müssen sehr viele Spiegel parallel geschaltet an einem gemeinsamen Halm befestigt werden. Der solare Exergietransformer ist auch in seinem Aufbau ähnlich wie eine Pflanze strukturiert; die Versorgungskanäle einer Gruppe von Spiegeln ergeben gebündelt Zweige, und die Gesamtheit aller Zweige ergibt den Halm. Bei diesem Aufbau ist gewährleistet, daß jeder Spiegel seinen eigenen Versorgungskanal hat, also unabhängig von den anderen mit Kühlluft

versehen wird. Jeder komplette Spiegel kann unabhängig von den anderen durch den Versorgungskanal ersetzt ,

werden. Auch die einzelnen MHD-Bausteine eines Spiegels können ersetzt werden. Die Gesamtheit aller Versorgungskanäle wiederum bietet wegen ihrer Zwischenwände und Zwischenräume die Möglichkeit, sehr stabile Halme zu gestalten.
Fig. 32 zeigt von der Seite und von oben den Aufbau von Zweigen und den Zusammenschluß mehrerer Zweige zu einem Teil des Halmes. Je drei Spiegel 138 bilden mit drei Versorgungskanälen 139 einen Zweig 140; die Zweige 140 sind in Etagen angeordnet und bilden in ihrer Gesamtheit den Halm 141. Ein weiterer Kanal 142 windet sich um die Gesamtheit der Versorgungskanäle 139 solange diese parallel laufen und sich noch nicht verzweigt haben. Dieser spiralig das Bündel umfassende Kanal 142 dient einerseits zum Zusammenhalt des Bündels und wird andererseits als Zugangsweg zu den Verzweigungen und zur Spitze des Halmes verwendet: er wird als Zugangskanal bezeichnet.

Fi g. 33 zeigt die Neigung der Zweige inbezug auf den Halm für den Bereich zwischen 50. und 60. Breitengrad nördlich; der eingezeichnete Winkel 143 entspricht dem Breitengrad des Standortes. Zum Ausrichten der Spiegel auf den momentanen Sonnenstand und zur Kompensation der (sehr niederfrequenten) Schwingungen des Halmes dient der Faltenbalg 131 mit dem (hier nicht gezeigten) Verstellmechanismus über die Spindeln 132 mit ihrem Antrieb.

Fi g. 34 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Halm 141, und zwar durch die äußere Schicht, um Umhüllung und Zugangskanal zeigen zu können. Die einzelnen Versorgungskanäle 139 bestehen aus Rohren 144, die aus Hartschaum gebildet sind und innen und außen von einer Mantelfolie 145 umgeben sind, innen im Rohr 144 strömt die Kühlluft aufwärts. Um dieses Rohr widerstandsfähig gegen Verbiegungen zu machen, sind hoch-elastische Spiralen 146 aus Glasfaser-verstärkten Kunststoffen um einen Leitungskanal 147 für H2 geringen Querschnittes gewunden und in den Zwickeln zwischen den Rohren 144 untergebracht. Die hochelastischen Spiralen, von denen jeweils drei einen H2-Kana! umwinden, übernehmen durch eingelegte AI- oder Cu-Folien gleichzeitig die Funktion eines Hohlleiters zur Abfuhr der elektrischen Energie. Jedem Rohr 144 ist eine Einheit aus Hj-Kanal 147 und drei Spiralen 146 zugeordnet. Die Hydrazinleitung 148 umwindet ebenfalls den H2-Kanal. Die Gesamtheit aller Versorgungskanäle 139 ist von außen mit Hartschaum 151 zur thermischen Isolation und zur Auspoisterung umgeben; die Foiie 150 bildet den Manie! des Hairnes. In die thermische Isolation ISl sind zusätzliche Leitungen 149 für Steuerung und Regelung und sonstige Zwecke eingebettet.

Der Zugangskanal 142 hat gleichen Durchmesser wie die Röhren 144, er ist jedoch nicht aus Hartschaum sondern aus Folien 153 mit Zwischenlagen gebildet und wird durch eingelegte Spiralen 152 aus Glasfaser-verstärkten Kunststoffen gespannt. Er enthält zwei oder mehrere (hier nicht gezeigte) Transportsysteme, die elektrisch angetrieben und durch Schienen geführt werden. Der Energiegewinn beim Abstieg einer Transporteinheit wird verwendet zum Aufstieg einer zweiten Einheit, so daß insgesamt nur die Reibungsverluste zu decken sind. Die Transporteinheiten haben gleichen Druckkörper und Ausrüstungen zum Einstellen des Innendruckes wie moderne Flugzeuge.

F i g. 35 zeigt eine andere Ausführung des Halmes in integrierter Bauweise. Die Versorgungskanäle 139 für die Kühlluft sind nicht aus Hartschaumröhren gebildet, sondern unmittelbar eingebettet in einen Hartschaumkörper 154 und durch eine Folie 156 wasserdicht isoliert. Diese Folie 156 wird (in gleicher Weise wie beim Zugangskanal 142) durch eine mit der Folie verbundene Spirale 155 aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff gespannt; dadurch wird der Halm elastisch und es kann andererseits der Körper 154 durch Schäumen gebildet werden.

Der Hi-Leitungskanal 147 verläuft innerhalb des Körpers 154. Die elektrische Energie wird hier durch abgespannte Hohlseile 157 im Versorgungskanal 139 abgeleitet Das Konstruktionsprinzip eines solchen Halmes für den Exergietransformer nähert sich dem Prinzip, nach '■> dem in der Natur große Gräser ausgebildet sind. Auch dort besteht der Halm aus einer Vielzahl großer und klei- g

ner Kanäle aus sehr dünnen Membranen, die in »Schaumstoffe« eingebettet sind. Eingelegte zähe Fasern gewährleisten zusammen mit dem Mantel des Grashalmes die Elastizität. Einige der inneren Kanäle übernehmen den Transport von Wasser und Nährstoffen sowie derjenigen durch Photosynthese gebildeten Stoffe, die in den Wurzeln gespeichert werden. Knoten im Halm in regelmäßigen Abständen sorgen unter anderem für den Zusammenhalt des Halmes. (Die Funktion der Knoten übernimmt im Falle des Exergietransformers [quasi kon- s tinuierlich] der um den Halm 141 gewundene Zugangskanal 142).

Gräser (beispielsweise Cortaderia selloana, das Pampasgras) erreichen auf diese Weise Höhen bis zum Ansatz des Blütenstandes von 1,80 m bei einem korrespondierenden unteren Halmdurchmesser von 17 mm; der Blütenstand selbst hat nochmals eine Länge von 0,4 m bei einem Durchmesser von ISO mm im Mittel; das Verhältnis von Länge zu maximalem Durchmesser des Halmes beträgt etwa 130. Im Falle des Exergietransformers muß ίο der Maßstabsfaktor etwa 10⁴ sein. Die Verwirklichung eines solchen Halmes erscheint nur möglich unter Verwendung von Kunststoffen. Polyamidfolien erreichen Zerreißlängen bis zu 50 km, während Polyurethanschäume Eindrückhöhen von mehr als 10 km aufweisen. Diese Materialeigenschaften, zusammen mit einer optimalen Konstruktion und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich der Halm zum Teil selbst am Boden abstützt, zum Teil aber durch die schwebenden Spiegel gezogen wird, sollte die Ausbildung der Halme ermöglichen, is 5.5.5. Eine ietzte kurze Abschätzung soll das konstruktive Problem der Hilfssysteme, insbesondere das Transportproblem im Exergietransformer, zeigen. Das eigentliche Ziel des Transformers ist die Exergiespeicherung. Während des Betriebes müssen große Stoffmengen, aber auch elektrische Leistungen, durch den Halm transportiert werden; dadurch bedingt kommt der Basis des Halmes (ähnlich wie dem Wurzelsystem einer Pflanze) eine zentrale Sieiiung bei der Verteilung der Stoffströme, bei ihrer Lagerung und auch bei der Durchführung der ehemischen Prozesse zu.

Die Synthese im Exergietransformer erfordert eine elektrische Leistung (ohne Berücksichtigung des Eigenbedarfs) von insgesamt 858 kW, um je Sekunde zwei Mole (OH)2 und ein Mol (NH2)2 aus vier Molen H2O und einen Mol N2 zu bilden; als Zwischenprodukt entstehen zwei Mole H2. Die Peroxid-(und H2-) Bildung benötigt dabei 670 kW, die Hydrazinbildung im letzten Schritt 188 kW. Die Transportaufgabe für eine Transformereinheit mit einer Ausgangsleistung von 11 MW (dem 12,8fachen der auf ein Mol/s (NH2)2 bezogenen Leistung) besteht in der Leitung folgender Träger:

1. Kühlmittel Luft = 300 kg/s

2. Produkte des Transformers

H2O : (kondensiert) = 3,00 kg/s

(OH)₂ : 12,8 ■ 68 g/s = 0,87 kg/s

(NH₂J₂ : 12,8 · 32 g/s = 0,41 kg/s

3. Edukte für die Synthese

H2O : 12,8 ■ 72 g/s = 0,92 kg/s N₂ : 12,8 · 28 g/s = 0,36 kg/s

4. Zwischenprodukte für die Synthese

H₂ : 12,8 · 4 g/s = 0,05 kg/s

5. Elektrische Energie für die Synthese

(OH)₂ : 12,8 · 670 kW = 8,58 MW (NH₂J₂ : 12,8 ■ 188 kW = 2,42 MW

Das Problem der Hilssysteme besteht unter anderem in der Lagerung und Verteilung der Produkte des Exergietransformers; ein Transformer aus 100 Einheiten bildet je 8-Stunden-Schicht als Endprodukte etwa:

5750 t H₂O
2500 t (OH)₂
1175t(NH₂)2

Diese Fakten führen zu folgender internen Organisation des Exergietransformers:

la: Die drei Produkte H₂O, (OUh und (ΝΗσ):, die alle bei 300 K Flüssigkeiten sind, werden in der Basis des Halmes gespeichert; H2O als exergiefreies Produkt wird dabei zur Verankerung des Halmes innerhalb der Basis verwendet.

Ib: H2 als gasförmiges Zwischenprodukt wird in den Spiegelwülsten und Spiegelkissen gespeichert und zum Auftrieb der Spiegel verwendet.

2a: H2O wird der Kühlluft etwa im ersten Drittel des Halmes entzogen.

2b: N2 wird der Kühlluft im Halm vor Eintritt in die MHD-Bausteine auf ihrer tiefsten Temperatur entzogen.

3a: Alle Prozesse mit H₂O als Edukt geschehen in der Basis des Halmes.

3b: Alle Prozesse mit N2 und H2 als Edukten geschehen in den MHD-Bausteinen an der Spitze des Halmes.

Fig. 36 zeigt einen Schnitt durch die Basis und den unteren Teil des Halmes für einen Standort auf festem Boden. Die Sockelplatte 158 ist in den Boden versenkt; sie trägt den Basisring 159 von konischer Form und das Basisgitter 160, das sich durch Stützen 161 auf die Sockelplatte 158 abstützt Das untere Ende des Halmes 141 ist ebenfalls konisch aufgeweitet und füllt den Raum im Basisring 159 aus; der Halm wird durch das Gitter 160 getragen. Die Sockelplatte übernimmt somit alle Kräfte, die auf den Halm wirken und die dieser nicht selbst über seine inneren Kräfte kompensieren kann; und zwar überträgt das Gitter 160 die Kräfte in vertikaler Richtung nach unten, während der Basisring 159 vertikale Kräfte nach oben und horizontale Kräfte weiterleitet

Auf der Sockelplatte sind des weiteren konzentrisch die Zufuhrung 162 für die Kühlluft sowie Räume 163 für Montage von Spiegeln und Bausteinen, für die (OH)2-Synthese und Räume 164 für die Lagerung von (OHh und (NH2>2 gelegen; alle diese Bauteile befinden sich unter der Erdoberfläche. Eine Zufahrt 165 (auch für Schienenfahrzeuge) ermöglicht den direkten Zugang zu allen unterirdischen Räumen, speziell auch zum Raun' 166 unter

S dem Gitter, in dem die zentrale Verteilung der Kühlluft, die Sammlung der von den einzelnen Spiegeln kommenden Leitungen für Hydrazin sowie die Zusammenschaltung der elektrischen Leitungen vorgenommen wird. In der Aufbauphase des Halmes stehen in diesem zentralen Raum 166 die Geräte zur Verarbeitung der Folien, Schaumstoffe und Glasfasern für den Halm.

Über den Räumen der Halmbasis wird durch ein elastisches Dach 167 aus gespannten Folien ein weiterer Raum 168 gebildet, der vorrangig zur Luftführung dient und die ringförmige Luftzuführung 162 gegen Regen oder Schnee abdeckt. Das Dach 167 ist am Basisring 159 befestigt und nach außen durch Stützen 169 gespannt. Ein Erdwall 170 schützt die Eintrittsöffnung 171 für die Luft als Kühlmittel und Rohstoff für den Exergietransformer. Im oberen Raum 168 sind elektrische Verteilungen, Umspanneinrichturi^e' . ~ üroräume und sonstige Hilfsbetriebe untergebracht; insbesondere endet hier der Zugangskanal 142 für die Iransportsysteme des Halmes.

IS Eine Basis für den Halm für einen Standort des Exergietransformers in Küstennähe im Meer wird nach den gleichen Prinzipien gestaltet. Sie wird (wie Behälter zur Ölspeicherung in etwa den gleichen Abmessungen) an der Küste aus Beton gegossen, zum Standort geschwommen und dort auf Grund gesetzt.

Fig. 37 zeigt ein Detail über die Aufweitung des unteren Halmendes zur Verankerung des Halmes 141 in der Basis. Der Halm wird durch das zu speichernde Wasser verkeilt, und zwar einfach dadurch, daß das H₂O zwischen den Rohren für die Luftführung am unteren Ende des Halmes aufgehoben wird. Die Hj-Kanäle 147 werden in den unteren 100 bis 200 m des Halmes durch Druckschläuche ersetzt; um die Druckschläuche wird ein elastischer Schlauch 172 aus einer Kunststoffolie gelegt. In den Zwischenraum fließt das zu speichernde Wasser. Der elastische Speicherschlauch 172 ist konisch, nimmt im Durchmesser nach unten zu und ist an seinem unteren Ende, das auf dem Gitter 160 aufliegt, verschlossen. Der nach unten zunehmende Druck im gespeicherten Wasser spannt den Schlauch; die Vielzahl der Speicherschläuche ergibt die Keilwirkung. Ist die Ausführung des Halmes nach Fi g. 35 mit Hartschaumkörpern vorgesehen, werden die Speicherschläuche in die entsprechend modifizierten Hartschaumkörper eingelassen. Das gespeicherte Wasser beschwert zum einen das untere Ende des Halmes und verkeilt zum anderen den Halm in seiner Basis. Da der Halm von einer thermisch isolierenden Schicht 151 umgeben ist, kann dieses Reservoir auch im Winter voll genutzt werden; seine Position über der Erdoberfläche gestattet die Entnahme des Speicherwassers unter hohem Druck.

Das gasförmige H2O, das in Höhen zwischen 1 km und 4 km im Halm kondensiert und letztlich an der inneren Auskleidung des Luftkanals herunterläuft, wird durch eine (hier nicht gezeigte) dochtähnliche Struktur auf der Kanalinnenseite aufgefangen und in Rohre geleitet, die die in den Speicherschläuchen enden. Fig. 38 zeigt einen Modellversuch zur Demonstration der Keilwirkung einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit 173 ist in einem konischen elastischen Speicherschlauch 172 enthalten, der in einem Tragegerüst 174 eingespannt ist. Der Druck in der Flüssigkeit spannt den Schlauch; die Steifigkeit dieses Keils nimmt mit der Höhe ab.

Eines der in der Basis arbeitenden Systeme führt die (OH)2-Produktion durch. Das geschieht auf gleiche Weise

wie die (NH2)2-Produktion in den MHD-Bausteinen. An die Stelle des Li NH2 tritt H2O, das mit fein verteiltem Fe als bipolaren Elektroden versetzt ist. Diese Flüssigkeit mit Zusätzen zur Erhöhung der Leitfähigkeit wird in einem Strahl durch ein magnetisches Wanderfeld geschossen; das Wanderfeld wird durch ein Spulensystem gebildet, das von den Strömen aus den MHD-Bausteinen bei gleichen Frequenzen erregt wird. Die Kraft dieser elektro-magnetischen Wechselwirkung ist wieder ein elektrisches Feld, das durch den Schlupf s> 0 zwischen Phasengeschwindigkeit und Fluidgeschwindigkeit entsteht und das Ringströme bildet. Die R_m-Zah\ ist wegen der Leitfähigkeit des H2O gering, die Wechselwirkung schwach (es soll auch keine Energie ausgekoppelt werden). Das entstandene gasförmige H2 wird analog zur (NH2)2-Abtrennung im MHD-Baustein abgesaugt; das (OH)2 kann auf gleiche Weise entzogen werden und wird vom H2 durch Kondensation getrennt.

Die vom MHD-Baustein übertragene elektrische Energie kann ohne Umformung von Spannung und Frequenz genutzt werden; der konventionelle Weg der Elektrolyse würde erstens die Transformation auf geringere Spannungen und zweitens die Gleichrichtung der hochfrequenten Ströme bedeuten. Die

so (OHh- Bildung geschieht daher in Systemen, die - ebenfalls in Bausteinform - fast gleich aufgebaut sind wie die MHD-Bausteine, jedoch weder Wärme von außen aufnehmen noch eine nennenswerte viskose Wechselwirkung zur Beschleunigung des Elektrolyten aulweisen. Aul ihre technische Gestaltung trifft die Beschreibung der MHD-Bausteine weitgehendst zu, im wesentlichen entfallen die Einrichtungen zur isothermen Verdichtung des tfd-Arbeitsmittels.

Fig. 39 zeigt einen solaren Exergietransformer für 103 Spiegel der beschriebenen Art maßstabsgerecht; die Spitze des Halmes befindet sich in 22 km Höhe über dem Erdboden, der Durchmesser des Halmes beträgt an der Basis etwa 170 m. Werden drei der Spiegel für den Eigenbedarf des Transformers verwendet, ist die Produktion durch die oben genannten Zahlenwerte gekennzeichnet.

Liste der Bezugszeichen

1 Querblech: Längsschott (innen)

2 Querblech: Querschott (innen)

3 Öffnungen für äußere parallele Rohre
4 Öffnung für zentrales Rohr

5 Öffnungen für zusätzliche Leitungen (fakultativ)

6 Bördelrand, auch Schweißlippe

7 Zentrales Rohr (Einheitsrohr mit größtem Querschnitt)

8 Äußeres Rohr (Einheitsrohr mit mittlerem Querschnitt)

9 Rohr für zusätzliche Leitungen (Einheitsrohr mit geringstem Querschnitt) 10 Verbindende und abdichtende Schweißnaht

U Querblech: Querschott (außen)

12 Kappe zum Verschluß von 3 und 8 5

13 Innenmantel (axial)

14 Wellblech zur Versteifung des Innenmantels

15 Außenmantel (axial)

16 Schweißnaht, auftrennbar (innen)

17 Schweißnaht, auftrennbar (innen) io

18 eingesetzter Stopfen, zylindrisch

19 aufgesetzte Kugel zur Justierung

20 axialer Spalt

21 Raum, Fortsetzung des Spaltes

22 Segmente des axialen Innenmantels is

23 Segmente des axialen Außenmantels

24 Schweißiippe Innenmantei

25 Schweißlippe Außenmantel

26 Leitungen im Spalt

27 MHD-Bausteine 20

28 Spaltstoffnadeln

29 Tragegitter Tür Spaltstoffnadeln

30 Brutstoffelemente

31 MHD-Arbeitsmittel, nicht-gasförmige Phase (mfd-Arbeitsmittel)

12 Schlitze im zentralen Rohr 25

33 Absorbermaterial, geschichtet

34 N2-H2-Zuführung

35 Absorberfläche für solare Strahlung

36 Na (flüssig) als Wärmeleiter

37 inertes Gas 30

38 Leitung für inertes Gas

39 Na (flüssig) Reservoir

40 Schlitze für Na-Zuleitung

41 Trennwand im Rohr

42 Verbindungsstück Mantel 35

43 Trennbare Schweißnaht

44 Mischkammer für gasförmige und nicht-gasförmige Phase MHD-Arbeitsmittel

45 Beschleunigungsdüsen, zweiphasig

46 Strecke zur Entkopplung beider Phasen

• 47 MHD-Arbeitsmittel, gasförmige Phase (tfd-Arbeitsmittel) 40

48 Statorblöcke für MHD-Wandler

49 Spulen für MHD-Wandler (normal für Energieauskopplung)

50 Spulen für MHD-Wandler (speziell für Strahlfokussierung)

51 Polschuhe für Feldverzerrung

52 Konvergenzpunkt des MHD-Arbeitsmittels, nicht-gasförmige Phase (mfd-Arbeitsmittel 1) 45

53 Kanal

54 Membran

55 Raum für Kühlmittel im MHD-Wandler

56 Ausströmschlitze für Kühlmittel

57 Ringseparator, konisch so

58 Coandalippe, ringförmig

59 Absaugrohre für gasförmige Phase und Hydrazin

60 Schütze im Absaugrohr (verschiieSbar)

61 Verschlußantrieb

62 Einfang für nicht-gasförmige Phase 55

63 Schotten des Strahleinfangs

64 Konturierung des Eihfangdiffusors

65 Ablaufrohre für nicht-gasförmige Phase

66 Überleitung für restliche gasförmige Phase

;-, 67 Überleitung für nicht-gasförmige Phase 60

j| 68 Mantel rekuperativer Wärmetauscher

II 69 Rohre niederdruckseitig für Wärmetausch

S 7C Rohre für Zu- und Ableitung hochdruckseitig

71 Hydrazinkondensator

•i 72 Netzwerk mit dochtähnlicher Struktur für Hydrazin-Kondensation 65

p 73 Querblech: Oberteil für Überleitung

k 74 Querblech: Unterteil für Überleitung

75 Querblech: Seitenteil für Überleitung

£ 31

	f	55	76	Leitbleche für Verzögerung bzw. Beschleunigung der Strömung
	I		77	Führungskasten für restliche gasförmige Phase
	I		78	Reservoir für flüssiges Hydrazin
		79	Ableitung für iiüssiges Hydrazin
5		80	DifFusorwände, porös ·
	60	81	Reservoir für primäres Kühlmittel
		82	Netzwerk mit dochtähnlicher Struktur für NHj-Verdampfung
		83	Regenerator für Li NH2
		84	Wand der Separationskammer
10		85	Boden der Separationskanimer
	65	86	Kühlfinger der Separationskammer
		87	Absaugerohre fur NH3 flüssig
		88	Absaugerohre für gasförmige Phase (tfd-Arbeitsmittel)
		89	Überleitung für gasförmige Phase (tfd-Arbeitsmittel)
15	90	totes Ende der Rückieilungen
	91	Faltenbälge der Ventilsteuerung
	92	Gasraum des sekundären Kühlkreibiaufes als Einschub
	93	Zuleitungsrohr für das flüssige sekundäre Kühlmittel
	94	Seelenrohr des Kühlfingers
20	95	Überleitung für gasförmiges sekundäres Kühlmittel
	96	Kondensatoren
	97	Kugclschale
	98	Ionengetterpumpe
	99	Naht für Kondensatoren und Kühler
25	100	Schlitze im Zuleitungsrohr
	101	MHD-Pumpe des sekundären Kühlkreislaufes
	102	Segmente Kühlmantel außen
	103	Segmente Kühlmantel innen
	104	Kanäle Tür Kühlluft außen
30	105	Kanäle für Kühlluft innen
	106	Schweißlippen für Segmente Kühlmantel
	107	Netzwerk mit dochtähnlicher Struktur für NH3-Kondensation
	108	Spiegelwulst, große Ausführung
	109	H2-Füllung (Normaldruck)
35	110	Kammer zur Verstärkung
	111	H2-Füllung (erhöhter Druck)
	112	Verbindungsnaht oben
	113	Verbindungsnaht unten
	114	Tragarme
40	115	Spiegelfolie
	116	Gelenk für Tragarm am Mittelrohr
		ι ^itelrohr des Spiegels
	118	Gelenk im Tragarm
	119	Kabel am Tragarm
45	120	Naht am Ring
	121	Querfolie für Spiegelkissen
	122	Ring zur Justierung des Spiegels
	123	Spiegelkissen
	124	Unterfolie
50	125	Luftfüllung (Unterdruck)
	126	Halterung
127	Fokus des Spiegels
128	Luftauslaß
129	Anschlußrohr an Versorgungskanäle
130	Arretierungsbolzen
131	Faltenbalg zur Ausrichtung des Spiegels
132	Spindeln zur Ausrichtung des Spiegels
133	Spiegelwulst, kleine Ausführung
134	Kammer zur Verstärkung
135	Spannkissen
136	Verbindungsnaht an Zugfolie
137	Zugfolie
138	Spiegel
139	Versorgungskanal
140	Zweig
141	Halm
142	Zugangskanal
143	Winkel zur Einstrahlrichtung

144 Rohre aus Hartschaum

145 Rohrmäntel

146 Glasfaser-Kunststoff-SpiraJen, auch Hohlleiter

147 ^Leitungskanal

148 Hydrazin-Leitungskanal ⁵

149 Kontroll-Kabel

150 Außenmantel Halm

151 thermische Isolation, auch Füllung

152 Innenspirale Zugangskanal

153 Doppelroantel Zugangskanal ¹⁰

154 Hartschaumkörper

155 Glasfaser-Kunststoff-Spirale zum Spannen des Versorgungskanals

156 Kanalfolie

157 Freileitung

158 Sockelplatte ^1S

159 Basisring

160 Basisgitter

161 Stützen für Basisgitter

162 Luftzuführung

163 Räume für Montage und Peroxid-Produktion 20

164 Räume für die Lagerung von Hydrazin und Peroxid

165 Zufahrt

166 zentraler Raum

167 Foliendach

168 oberer Raum "

169 Dachstützen

170 Erdwall

171 Lufteintritt

172 Speicherschlauch für Wasser

173 Flüssigkeit »

174 Tragegerüst

Hierzu 27 Blatt Zeichnungen

Claims (42)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Transformation von Exergie, die in Atomkernen gespeichert ist, in elektrische Energie und Verwenden der elektrischen Energie zur Erzeugung chemischer Energieträger aus Bestandteilen der Atmosphäre, die bei ihrer Verwertung wieder Bestandteile der Atmosphäre erzeugen, dadurch gekennzeichnet,daß

- die Kernexergie über einen Flüssigmetall-MHD-Geneiator in elektrische Energie umgesetzt wird,

- als chemische Energieträger Hydrazin und Wasserstoffperoxid verwendet werden,

- Wasserstoff und Wasserstoffperoxid durch elektrolytische Spaltung von Wasser erzeugt wird,
ίο - als stabile Zwischenverbindung Alkaliamid aus den Elementen erzeugt wird und

- Hydrazin durch Elektrolyse des Alkaliamides gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in solaren Kernprozessen freigesetzte und durch Strahlung übertragene Exergie innerhalb der Lufthülle von Spiegeln eingangsseitig auf das Arbeitsmittel des MHD-Systems fokussiert und dabei auf dieses übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel des MHD-Systems wenigstens zweiphasig ist und aus mehreren Komponenten zusammengesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Phase des Arbeitsmittels aus StickstofTN2, einem anderen inerten Gas, oder einer Stickstoffverbindung besteht, und die flüssige Phase aus einer Lösung eines Alkalimetals, vorzugsweise Li, mit seinem Amid besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsmittel Eisen in fein verteilter Form in solcher Menge zugesetzt wird, daß sich das Arbeitsmittel in einem magnetischen Feld wie ein Ferromagnetikum verhält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsmittel zugleich mit der Exergiezufuhr Stickstoff N₂ und Wasserstoff H2 zugeführt wird in solcher Menge, daß sich diese mit dem Alkalimetall im Arbeitsmittel möglichst vollständig zu Alkaliamid verbinden, wobei das zugemischte Eisen als Katalysator dient.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im MHD-Generator induzierter: Ströme die elektrolytische Zersetzung des Alkaliamids in Alkalimetall un<5. freie Amide an den zugesetzten Eisenpartikeln als bipolare Elektroden bewirken, in der Weise, daß sich je zwei Amidgruppen zu Hydrazin (Nfch verbinden können.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das entstandene gasförmige Hydrazin separiert, abgeführt und kondensiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft zur Aufnahme der thermodynamisch wertlosen Wärme des MHD-Prozesses durch Gebläse an Kühlflächen gefördert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das der Kühlluft durch Kondensation entzogene H2O zu einem Teil für die Produktion von H₂ als einem der beiden Ausgangsstoffe für die (NH₂)2-Synthese verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in der Kühlluft enthaltenen N2 durch konventionelle Methoden entzogen und als zweiter Ausgangsstoff für die (NH₂)2- Synthese verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zersetzung des aus der Kühlluft auskondensierten H₂O elektrische Energie den Wicklungen des MHD-Wandlers entnommen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung des H₂O elektrolytisch über induzierte Ringströme an einer Vielzahl fein verteilter bipolarer Elektroden erfolgt, und zwar in H2, der gasförmig entweicht, und in (OH)₂, das in dem Elektrolyten zunächst als Flüssigkeit verbleibt und an einem Ort erhöhter Temperatur durch Ausdampfen vom Elektrolyten getrennt werden kann.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung des H2O in H₂ und OH-Gruppen durch die Reaktion von H₂O mit einem Alkalimetall erfolgt, und daß die Bildung von (OH)₂ und dem reinen Alkalimetall durch Elektrolyse des Alkalihydroxids in gleicher Weise wie die Bildung des (NH₂)₂ aus Alkaliamiden durch induzierte Ringströme an fein verteilten bipolaren Elektroden erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Alkalihydroxid durch Reaktion von H₂O und einem Alkalimetall und die Elektrolyse des Alkalihydroxids zur Bildung von (OH)₂ und dem reinen Alkalimetall so miteinander gekoppelt werden, daß ein Teil der freien Bildungsenthalpie der ersten Reaktion zur Durchführung der zweiten endergonischen Reaktion verwendet wird.

16. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere MHD-Systeme gleicher Leistung als gleichartige Bausteine parallelgeschaltet zusammengesetzt sind, die eingangsseitig in einer Kernreaktion freigesetzte Exergie als Wärme aufnehmen, die transformierte Exergie teils in einer chemischen Verbindung gespeichert, teils als elektrische Energie abgeben und die bei der Transformation anfallende Anergie an ein Kühlmittel, vorzugsweise an ein Gas, abführen.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Komponenten eines MHD-Bausteines innerhalb eines Stützgerüstes angeordnet sind, das aus Rohren zur Führung des Arbeitsmittels besteht, durch vorzugsweise sechseckige Querbleche stabilisiert wird und von mindestens zwei Mänteln vakuumdicht eingehüllt wird.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel durch aufgesetzte Wellbleche verstärkt und aus einem gegenüber dem Arbeitsmittel korrosionsfesten Material besteht, und der äußere Mantel die vom inneren Mantel übertragenen Druckkräfte aufnimmt.

19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgerüst die inneren Kralle in axialer Richtung und alle äußeren Kräfte aufnimmt.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 his 19, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Spalte zwischen den einzelnen Mänteln zur Kontrolle der Dichtheit der Mantel über den in ihnen herrschenden Druck ausgebildet sind. S

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Teiie der Spalte zur Wärmeübertragung mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, vorzugsweise Ns, geflutet werden können und alle nicht gefluteten Teile der Spalte eine thermische Isolation darstellen.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen des MHD-Wandlers, die die Energieauskopplung bewirken, zusammen mit Kondensatoren eine schwingfähige Anordnung bilden, und daß die restlichen Spulen zur Unterstützung der Hydrazinsynthese ebenfalls zusammen, aber um 18On phasenverschoben, geschaltet sind.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zu einer Gruppe zusammengefaßte MHD-Bausteine in der Mittelachse eines rotatinssymmetrischen Hohlspiegels in der Weise angeordnet sind, daß sie sich eingangsseitig im Brennpunkt des Spiegels befinden und is ausgangsseitig in ein als zylindrische Halterung des Spiegels dienendes zur Mittelachse konzentrisches Rohr ragen.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zylindrische Halterung des Spiegels sämtliche Versorgungskanäle insbesondere für das Kühlmittel, geführt werden, wobei der Durchmesser der zylindrischen Halterung größer ist als der Durchmesser der Bausteingruppe.

25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des rotationssymmetrischen Hohlspiegels aus optisch spiegelnden gespannten Folien besteht.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand des Hohlspiegels durch eine rotationssymmetrische Wulst gebildet wird, die ebenfalls aus Folien besteht, mit H2 oder He gefüllt ist, durch inneren Überdruck stabilisiert wird und Auftrieb erzeugt.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wulst durch innen angebrachte Folien in Kammern unterteilbar ist, in denen unterschiedlicher Druck herrschen kann.

28. Anordnung nach Ansprüchen 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand des Hohlspiegels aus einem Ring besteht, der konzentrisch zum Mittelrohr und in seiner Position verschiebbar an diesem befestigt ist.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Wulst in bezug auf die Mittelachse durch mehrere druckfeste und verbiegungssteife Tragarme konzentrisch fixiert wird, die einerseits am Mittelrohr, andererseits an der Innenseite der Wulst befestigt sind.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kissen aus Folien gebildet wird, dessen obere Seite vorzugsweise durch die an Ring und Wulst befestigte Spiegelfolie gebildet wird, und dessen untere Seite an drei Stellen, nämlich am Mittelrohr, einem Punkt etwa in der Mitte der jeweiligen Tragarme und an der Wulst befestigt ist.

31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Kissen durch inneren Unterdruck eingebeult und dadurch die Spiegelfolie konkav gespannt wird.

32. Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die von dergespann'en Spiegelfolie auf die Wulst ausgeübten Kräfte entweder durch Seile oder durch ein weiteres Kissen mit innerem Überdruck kompensiert wird.

33. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel zusammenfaltbar ist dadurch, daß die Tragarme Gelenke haben und der Druck der Füllungen über Zuleitungen variiert werden kann.

34. Anordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das als Spiegelhalterung dienende Rohr konzentrisch in ein Rohr mit größerem Querschnitt gesteckt und durch lösbare Verriegelungen gehalten wird.

35. Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit größerem Querschnitt über eine elastische Verbindung, vorzugsweise einen Faltenbalg, in den Versorgungskanal übergeht.

36. Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verstelleinrichtungen, vorzugsweise Spindeln, am Umfang der elastischen Verbindung so angebracht sind, daß sie bei Betätigung oder Verdrehung die elastische Verbindung verformen und die Justierung des Spiegels auf die Sonne ermöglichen.

37. Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der Versorgungskanäle, die von elastischen Spiralen umwunden und aufgespannt sind, die elastische Verbindung des zugehörigen Spiegels mitsamt seinen MHD-Bausteinen zum Erdboden darstellen.

38. Anordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungen aller Spiegel eines Exergietransformers schrittweise zu einem Halm gebündelt sind.

39. Anordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Halm aus den gebündelten elastisehen Verbindungen einen thermisch isolierenden Mantel vorzugsweise aus Schaumstoff und Folien aufweist.

40. Anordnung nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskanäle für das Kühlmittel innen streckenweise mit dochtähnlichen Strukturen ausgekleidet sind, und daß diese Strukturen in zusätzliche Leitungskanäle zur Ableitung des im Halm kondensierten Wassers münden.

41. Anordnung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Leitungskanäle für das kondensierte Wasser an ihrem unteren Ende bis auf einen Ablaß geschlossen sind, sich konisch erweitern und ein Reservoir darstellen.

42. Anordnung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Halm an seinem unteren Ende durch die mit Wasser gefüllten konisch erweiterten zusätzlichen Leitungskanäle aufgeweitet sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Transfer rnation von Exergie, die in Atomkernen gespeichert ist, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

ίο 1 Diskussion

1.1.1. Die Erfindung geht von folgender Voraussetzung aus: Ein dauernder Betrieb aller heutigen und zukünf- ι tigen technischen Arbeits- und Wärmesysteme ist nur dann möglich, wenn die Versorgung dieser Systeme mit Arbeitsfähigkeit (Exergie) von Vorräten auf der Erde und von der Notwendigkeit, die Reaktionsprodukte zu speichern, unabhängig ist; dies gilt sowohl für Exergie gespeichert auf nuklearen Trägern, als auch für Exergie

auf chemischen (fossilen) Trägem. -

1.1.2. Es müssen daher technische Systeme geschaffen werden, die analog botanischen Organismen solare Strahlungsexergie auffangen und auf einem materiellen Träger speichern können. Dieser materielle Exergie- ¹J

■ träger hat dann die gleiche Funktion wie ATP in biologischen Organismen; er kann einen universellen Treib-

stoff für alle technischen Arbeits- und Wärmesysteme darsteilen, sofern er nicht das Füeßgleichgewicht oder die _r-

stationäre Koexistenz zwischen den biologischen Organismen stört. _;

1.1.3. Auch in der Koexistenz zwischen den technischen Arbeits- und Wärmesystemen einerseits und den sie ·'; mit Exergie versorgenden exergietransformierenden Systemen andererseits läßt sich ein stationärer Zustand ·■'■■ erreichen, wenn ein Fließgleichgewicht in bezug auf die materiellen Träger der Exergie angestrebt wird. Im Zeitmittel müssen gleich viele Träger in den Exergietransformern mit solarer Exergie beladen werden, wie von den

Arbeits- und Wärmesystemen entladen werden. '■]

1.1.3. a Es ist schon ein Konzept zur Energiewandlung mit nachfolgender Energiespeicherung für den großtechnischen Einsatz bekannt, wobei MHD-Kraftanlagen oder solare Dampfkraftwerke in der Wüste mit Wasserelektrolyseuren gekoppelt werden und das Wasserstoffgas an die Verbrauchsorte transportiert wird (Justi, E.; Naturwiss. 48, Seite 537 [1961]).

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die es ermöglicht, elektrische Energie aus Kernenergie in zwei nüssigen, in normalen Wärmekraftmaschinen und Brennstoffzellen ausnützbaren kohlenstofffreien Energieträgern zu speichern, wobei bei der Reaktion der beiden Energieträger wieder die Ausgangsstoffe entstehen, die Bestandteile der Atmosphäre sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. [

1.1.4. (NH2)2 zusammen mit O2 oder besser (OH)2 als Sauerstoffträger wird als zukünftiger universeller Treibstoff, d. h. materieller Exergieträger für die technischen Arbeits- und Wärmesysteme angesehen, weil es flüssig

und damit leicht transportierbar, von hoher spezifischer Exergie, katalytisch leicht in Wasserstoff zersetzbar und '

zur Umsetzung der gespeicherten Exergie in elektrische Energie in Brennstoffzellen geeignet ist. Damit wird der Transport elektrischer Energie über weite Strecken überflüssig gemacht.

1.1.5. (NH2h entsteht in den Exergietransformern zusammen mit O2 oder (OHh aus N? und H2O als Bestand- : teilen der Luft. Solare Exergie, in Höhen bis 3Ö km absorbiert, wird in einem MHD-System mit einem flüssigen ; Arbeitsmittel in elektrische Energie umgewandelt und dabei zu einem Teil unmittelbar in der (NH2)2-Synthese ₄ aus dem gleichen Arbeitsmittel gespeichert. Die konstruktive Gestaltung dieser Exergietransformer ermöglicht Ά automatisierte Fertigung und Inbetriebnahme in Stückzahlen pro Zeiteinheit, die dem zu erwartenden Bedarf

angepaßt sind, den Transport auf dem Luftwege sowie den zuverlässigen Betrieb. V, 1.1.5. a Es ist bekannt, daß flüssige Alkalimetalle mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Alkalihydroxid reagieren. Bei Metallüberschuß geht die Reaktion weiter mit Wasserstoff-Freisetzung und Metall- V hydridbildung. Bei der Untersuchung solcher Vorgänge wurde gefunden, daß Natrium als flüssiges Alkalimetall '%

Wasserstoff und Stickstoff aufnehmen kann zur Bildung der stabilen Verbindung Natriumamid, aus der durch ?■.

thermische Zersetzung Spuren von Ammoniak entstehen können (Sakurasawa, K. et al.; Z. f. teenn. Chemie, r

Japan [1936} Bd. 30). U