DE29501616U1

DE29501616U1 - Ionenantrieb zum Beschleunigen von Flugkörpern oder Fahrzeugen

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Publication number: DE29501616U1
Application number: DE29501616U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2005-02-03

Description

Ionenantrieb zum Beschleunigen von Flugkörpern oder Fahrzeugen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erzeugung der Rückstoßkraft zum Antrieb von Flugkörpern oder Fahrzeugen erfolgt üblicherweise durch Umsetzung chemischer Energie über die Wärmeenergie. Dabei ist einmal der Wirkunggrad nicht sehr günstig, zum anderen ist auch die Regelbarkeit besonders bei Festkörper-Raketen äußerst gering. Wünschenswert ist es, die Beschleunigung von Massen über Feldkräfte zu erreichen.

Im elektrischen Feld wirken Kräfte auf Ladungen. Elektrische Ladungen sind aber nur dann an Masse gebunden, wenn Moleküle ionisiert werden. Darunter versteht man, daß die Moleküle Atome haben, deren positive Ladung im Kern nicht mit der Anzahl der Elektronen der äußeren Schale übereinstimmt, bei denen also in den Elektronenschalen Elektronen fehlen oder zu viel vorhanden sind. Entsprechend liegen positve oder negative Ionen vor. Damit ist also die elektrische Ladung unmittelbar mit Masse verbunden.

In Gasen sind solche Moleküle frei beweglich und unterliegen der Braunschen Molekularbewegung. Man kann somit solche Moleküle im elektrischen Feld beschleunigen.

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Wird auf diese Weise die Masse durch ein elektrisches Feld beschleunigt, so ist der erforderliche Energie-Aufwand, also damit der Verbrauch der begrenzt verfügbaren Primärenergie,

geringer als bei Antrieben der üblichen Art. Die beängstigenden Veränderungen der Erdatmosphäre werden reduziert. Die beschränkten Energievorräte werden geschont. In einem elektrischen Feld mit hoher Feldstärke vor einer spitzen Elektrode entsteht bekanntlich "elektrischer Wind". Der Vorgang dabei ist, daß durch Stoßionisation Gasmoleküle ionisiert und in Richtung von der spitzen Elektrode weg in den Raum beschleunigt werden. In dieser Richtung, nämlich in Richtung der Feldstärke, werden die Ladungsträger beschleunigt, die die gleiche Polarität wie die Spitze haben. Ladungsträger mit gegensätzlicher Polarität entladen sich an der Spitze. Die bei der Beschleunigung im elektrischen Feld entstehende "Rückstoßkraft" ist nur klein, nämlich in der Größenordnung von mN {milli Newton). Der Grund dafür ist, daß die Zahl der ionisierten Moleküle im Vergleich zu der gesamten Molekülzahl verschwindend gering ist. Die entstehende "Driftbewegung" an der auch die neutralen Moleküle beteiligt sind, ist gebremst.

Die erste Forderung für ein Ionentriebwerk ist es demnach, eine möglichst hohe Ionenkonzentration in dem für die Beschleunigung vorgesehenem Gas zu realisieren.

Unter Normalbedingungen, bei üblichen Temperaturen und Luftdruck so wie nicht übermäßig hoher Lage befinden sich ca 1000 Ionen im cm^ unserer Umgebungsluft. Verglichen mit den ca 10-^ Molekülen im cm^ ist dieser Anteil freier Ionen, der ständig rekombiniert und neu gebildet wird, vernachlässigbar klein. Im elektrischen Feld, vor einer spitzen Elektrode werden örtlich höhere Ionenanteile erzeugt. Das geschieht durch Stoßionisation. Die wenigen

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vorhandenen Ladungsträger, sowohl Ionen als auch freie Elektronen, werden beschleunigt und nehmen dabei Energie auf. Wenn die aufgenommene Energie größer wird als die Ionisierungsenergie des Atoms mit dem der nächste Zusammenstoß erfolgt/ so kommt es zu einer Ionisation. In einem Feld mit hoher Feldstärke, wie es vor der spitzen Elektrode vorliegt, entstehen so neue Ionen. Im Volumen nach einer solchen Spitze konnten etwa 10^ ionen im cm³ gemessen werden. Bezogen auf die 19 Zehnerpotenzen der gesamten Molekülzahl sind die 3 zusätzlichen Zehnerpotenzen noch sehr gering. Deshalb sind die Kräfte, die durch diese Massenbeschleunigung erzielt werden für praktische Anwendungen nicht interessant. Bei einem Testkörper, der in einer Richtung eine spitze Elektrode hat, so daß hier bei anliegender Spannung gegen den weit entfernten Gegenpol, Entladungen stattfinden, während auf der Gegenseite dieses Testkörpers durch große Krümmumngsradien Entladungen vermieden sind, bleiben die auftretenden Kräfte auf diesen Testkörper die durch den "elektrischen Wind" verursacht werden, immer kleiner als die rechnerischen Zugkräfte auf die Vorderseite, die dadurch entstehen, daß das elektrische Feld vor der Elektrode sich zu verkleinern trachtet. Man kann sich also vorstellen, daß die Feldlinien durch die erzeugten Ladungträger vor der spitzen Elektrode abgeschirmt werden, so daß die Zugkräfte nur auf die freien Ladungsträger wirken, während sie auf der Gegenseite auf der Elektrodenfläche voll wirksam sind. Wenn auch die erzeugten Ladungsträger vor der Spitze keine großen Kräfte verursachen, so kann doch die verusachte Bewegung der Ladungsträger für das Gesamtkonzept genutzt werden.

Bei größerer Höhe wirken kosmische und radioaktive Strahlungen und verursachen höhere Ionen-Konzentration.

Das ist damit die nächste Möglichkeit, höhere Ionenkonzentration zu erzielen: Man muß die in den großen

Höhen vorliegenden Verhältnisse, der energiereichen Strahlung nachbilden. Ein Teil dieser Energie ist elektromagnetische Strahlung, also elektromagnetische Schwingungen mit extrem hoher Frequenz. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Energie der Strahlung ist über das "Planksche Wirkungsquantum" h gegeben: Die Energie ist W= &ngr; h = h*c / &lgr;, dabei ist &ngr; die Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit und &lgr; die Wellenlänge. UV-Licht hat eine Wellenlänge von &lgr; » 10"^ m, eine Frequenz &ngr; « 10l6 Hz und eine Energie von W = 10 eV. Bei Bestrahlung mit UV-Licht erfolgt eine gewisse Ionisation. Der Zusammenhang zwischen der Ionisation und der notwendigen Energie ist ist für die verschiedenen Materialien durch die Ionisationsenergie des betreffenden Elementes gegeben. Es ist also für unterschiedliche Atome mehr oder weniger groß.

Die Ionisationsenergie für Stickstoff N2 beträgt Ui =15,8 eV, für Sauerstoff O2 ist sie Ui = 12,8 eV. Experimentell kann man schon bei Frequenzen im MHz-Bereich Ionisation nachweisen. Beim durchgeführten Versuch stand ein HF-Generator mit 13,5 MHz und ausreichender Leistung zur Verfügung.

Entsprechend diesen Erkenntnissen ist im unter Schutz zu stellenden Ionentriebwerk vorgesehen, durch ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld, durch radioaktive Strahlung mit Hilfe von Isotopen und durch UV-Bestrahlung eine möglichst hohe Ionenkonzentration im Gas zu erzeugen. Ergänzt wird diese Ionisation durch eine spitze Elektrode, die den Hochspannungsteil des elektrischen Feldes für die Beschleunigung bildet.

Im Beschleunxgungsfeld ergibt sich auf Grund des Feldlinienverlaufes und durch die abstoßenden Kräfte bei gleichartigen Ladungsträgern eine Divergenz des Strahles der beschleunigten Ionen. Dadurch lagern sich die Ionen

zum Teil an den Wänden des Rohres an, in dem die Beschleunigung stattfindet. Als Gegenmaßnahme wird in dem Rohr ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinienrichtung in Achsrichtung des Rohres liegt. Ein solches Magnetfeld läßt sich durch eine Magnetspule herstellen, die um das Rohr herum angeordnet ist. Dieses Magnetfeld ist in dem interessierenden Bereich recht homogen. Die Magnetische Induktion B verursacht mit der Geschwindigkeit der bewegten Ladungsträger &ngr; eine Kraftwirkung auf die Ladungsträger, die senkrecht auf den Vektoren B und &ngr; wirkt: F = e ( &ngr; X B ). Dadurch wird aus der radialen Komponente der Geschwindigkeit &ngr; eine tangentiale Komponente, so daß der Divergenz entgegengewirkt wird. (Aus dem Trichter wird eine Wendeltreppe). Für den Strahl der bewegten Ionen wird dadurch weitgehend die gewünschte Richtung erhalten. Der Effekt wird um so besser, je höher die Geschwindigkeit &ngr; der Ladungsträger ist.

Wenn die Ionen mit der aufgebrachten Geschwindigkeit auf die Gegenelektrode auftreffen, so wird dabei die Masse abgebremst. Das bedeutet, daß die aufgenommene Energie im System erhalten bleibt. Die Forderung, daß die Masse der Ionen mit hoher Geschwindigkeit nach außen abgestoßen wird, ist also nicht erfüllt. Die Gegenelektrode muß in der Lage sein, die Ionen zu neutralisieren. Dabei dürfen die Moleküle in ihrer Bewegung möglichst nicht behindert werden. Diese Forderung wird durch eine offene Flamme erfüllt. Die Leitfähigkeit der Flamme bei hohen Temperaturen ist weitgehend durch freie Elektronen realisiert. Die Gegenelektrode zur Spitze ist also eine offene Flamme. Bis zu einem gewissen Grade kann sie durch ein Gitter stabilisiert werden.

Vorteilhaft für den Verlauf des elektrischen Feldes ist es, wenn die Magnetspule auf der Außenseite des Beschleunigungsrohres unterteilt und jede Einzelspule

durch eine potentialfreie Spannungsquelle gespeist wird. Dann läßt sich der Verlauf der elektrischen Feldlinien im Inneren des Rohres durch die Potentiale der Spulen beeinflussen.

Es konnte im Experiment gezeigt werden, daß mit den einzelnen beschriebenen Maßnahmen die erzielten Schubkräfte jeweils gesteigert wurden. Die verfügbaren Mittel reichten dagegen nicht, um die Ionisation soweit zu steigern, daß Kräfte in der gewünschten Höhe erzielt wurden.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben. Die einzige Figur zeigt die Vorrichtung im Längsschnitt.

Detailierte Beschreibung der Versuchsanordnung

Die Hochspannungselektrode 1 ist als Spitze ausgeführt und hat gegenüber der Erde eine Gleichspannung U& im Kilovolt-Bereich. Die Gegenelektrode 2 der Beschleunigungsspannung U& ist als Gitter ausgeführt, das die Flamme 3 stabilisiert und die Ionen möglichst ungehindert aus dem Rohr entläßt und dabei entionisiert.

Bezugszeichen 3 zeigt den Brenner für die Entionisierungsflamme. Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen Kondensator, für eine potentialfreie Hochfrequenz-Spannung. Mit 5 sind Isotope bezeichnet, die mit &agr;, ß und &ggr;-Strahlen Moleküle ionisieren.

Bezugszeichen 6 kennzeichnet Spulen, die mit ihrem Magnetfeld den Ionenstrahl bündeln. Sie sind potentialfrei gespeist mit der Spannung 1% und können durch den Spannungsteiler 7 den Potentialverlauf im

Inneren des Rohres beeinflussen. Dafür sind die Widerstände R vorgesehen.

Zwischen der Spitze 1 als Hochspannungelektrode und der Gegenelektrode 2 liegt eine hohe Gleichspannung U^. Die Gegenelektrode 2 besteht aus einer offenen Flamme, die durch den Brenner 3 angedeutet wird. Zur Stabilisierung der Flamme wird die Gegenelektrode 2 als Metallgitter ausgeführt. In diesem elektrischen Gleichspannungsfeld werden außer durch die Stoßionisation vor der Spitzenelektrode weitere Maßnahmen vorgesehen, um eine möglichst hohe lonenkonzentration zu erzielen. Dafür dient der Kondensator, der aus der Kugel und dem Zylinder 4 gebildet wird. Dieser Kondensator wird mit einer Wechselspannung möglichst hoher Frequenz beaufschlagt. Weiterhin ist vorgesehen, daß das Volumen der Beschleunigungsstrecke zwischen der Spitze 1 und der Gegenelektrode 2 mit &agr;, ß und &ggr;-Strahlen bestrahlt wird, um eine hohe Ionisation zu erzielen. Das erfolgt mit Isotopen 5. Nicht in der Figur dargestell ist, daß dieser Raum zusätzlich mit UV-Licht bestrahlt wird. Zur Bündelung der beschleunigten Ionen dient ein Magnetfeld. Die Spule für dieses Magnetfeld 7 ist um das Rohr herum angeordnet. Sie ist in Einzelspulen aufgeteilt, die potentialfrei von Spannungsquellen versorgt werden, so daß über die Widerstände R der Potentialverlauf im Rohr beeinflußt werden kann.

Claims

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1. Ionentriebwerk zum Beschleunigen von Flugkörpern oder Fahrzeugen mit Ladungsträgern die vorzugsweise aus den Gasmolekülen der umgebenden Atmosphäre durch Ionisation gewonnen und im elektrischen Feld beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisation in einem hochfrequenten Feld und oder oder durch radioaktive Strahlung von Isotopen erfolgt.

2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der bewegten Ladungsträger durch ein magnetisches Feld zusammengehalten wird, das durch eine Magnetspule erzeugt wird, die um das Beschleunigungsrohr herum angeordnet ist.

3. Ionentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entionisierung am Ende des Beschleunigungsrohres mit einer offenen Flamme erfolgt.

4. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entionisierungsstelle durch ein metallisches Gitter stabilisiert wird.

5. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitter zusätzlich beheizt wird.

6. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mit UV-Strahlung ionisiert wird.