DE3686416T2 - System zur energieumwandlung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen zwei oder mehreren Elektroden unter Verwendung von geladenen Teilchen als Energieträger.
• Elektrische Energie wird üblicherweise dadurch erzeugt, daß man einen fossilen Brennstoff verbrennt und die dabei frei werdende Energie in Rotationsbewegung für den Antrieb elektrischer Generatoren umsetzt. Dies ist nur dann kosteneffektiv, wenn es in großem Umfang ausgeführt wird. Der Umwandlungsprozeß ist ineffizient. Es werden natürliche Ressourcen genutzt, und es entstehen Abfallprodukte, die eine beträchtliche Umweltverschmutzung verursachen können. Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, daß die elektrische Energie nicht unmittelbar an Straßenfahrzeuge oder Schiffe abgegeben werden kann.
• Das Energieumwandlungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung wirkt sich nicht umweltverschmutzend oder gesundheitsgefährdend aus und erzeugt elektrische Energie unmittelbar durch einen Einstufenprozeß, ohne Abfallprodukte zu produzieren. Der Gesamtenergieumwandlungsfaktor und das Leistungs/Gewichts-Verhältnis sind beide groß, wodurch die Energiewandlungsvorrichtung für die meisten stationären und mobilen Anwendungen geeignet ist.
• Eine bekannte Vorrichtung, bei der die Wirkung eines magnetischen Feldes auf Elektronen für praktische Anwendungen ausgenutzt wird, ist das sogenannte "Betatron". Dieses umfaßt eine wulstförmige Vakuumkammer zwischen den Polen eines in spezieller Weise geformten Elektromagneten. Thermionisch erzeugte Elektronen werden mit einer anfänglichen elektrostatischen Energie von etwa 50 keV in die Kammer injiziert oder eingeschossen. Während sich das Magnetfeld im Verlauf seiner positiven Halbperiode aufbaut, induziert es in der Vakuumkammer eine elektromotorische Kraft, die die Elektronen aufgrund der Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld beschleunigt und zwingt, sich längs einer bogenförmigen Bahn zu bewegen. Ein wichtiger Unterschied zwischen dem Betratron und dem Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sich das Magnetfeld bei ersterem während eines kurzen Zeitabschnitts vergrößern kann, um die Elektronen ausreichend zu beschleunigen, wohingegen bei dem Energiewandler nach der vorliegenden Erfindung das Magnetfeld praktisch konstant ist und die Elektronen nach innen hin einfallen, um sowohl ihre kinetische Energie als auch ihre elektrische Ladung an eine Zentralelektrode abzugeben.
• In der US-A-35 55 608 ist ein weiteres Energieumwandlungsverfahren offenbart, bei dem Energie aus einem Hochdruckionisationsgasstrom oder einem Plasma gewonnen wird, welches durch ein Magnetfeld gepumpt wird, das sich quer zu der Gasströmung erstreckt. In diesem Fall wirkt sich das Magnetfeld dahingehend aus, daß es die Ladungsträger verzögert, wodurch eine entsprechende Verminderung der kinetischen Energie des Gasstromes erzeugt wird, welche in der externen Lastschaltung in elektrische Gleichstromenergie umgesetzt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung eines elektrischen Potentials ein Energieumwandlungsverfahren vorgeschlagen, bei dem Ladungsträger vorbestimmter Polarität in ein magnetisches Feld in einer Prozeßkammer eingebracht werden, welches allgemein einen Feldverlauf senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger aufweist, wodurch die auf die das magnetische Feld durchquerenden Ladungsträger wirkenden resultierenden Kräfte die Ladungsträger längs einer Orbitalbahn nach innen zu einer ersten Elektrode hin drängen, welche wenigstens einige der Ladungsträger aufnimmt und eine Ladung anhäuft, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode zu erzeugen. Das Energieumwandlungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein subatmosphärischer Druck gehalten wird und daß die Ladungsträger in die Kammer injiziert werden, indem man sie durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beschleunigt.
• Wenngleich die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Theorie der Arbeitsweise beschränkt ist, geht der Erfinder davon aus, daß die an einem Teilchen verrichtete Arbeit gleich H· beträgt, wenn das Teilchen gezwungen wird, sich durch eine radiale Distanz durch ein Magnetfeld mit der Intensität H zu bewegen, ungeachtet dessen, welcher Bahn es tatsächlich folgt. Die auf ein eine Ladung tragendes und sich mit einer Geschwindigkeit durch die Distanz bewegendes Elektron ausgeübte Gesamtkraft setzt sich aus der Zentripetalkraft ΣH· · , abzüglich der Kraft zusammen, die in entgegengesetzter Richtung durch die Zentrifugalkraft auf das Elektron ausgeübt wird, welche durch Σ ²r-1, gegeben ist. Nach Auffassung des Erfinders kann die Zentrifugalkraft minimiert werden, mit der Folge, daß die Zentripetalkraft maximiert wird und daher auch die zur Überführung der Ladung zu der Elektrode aufzuwendende Arbeit, wenn man den Radius der Zentralelektrode deutlich größer als den Gleichgewichtsorbit bzw. die Gleichgewichtsbahn macht.
• Das Verfahren, nachdem der Energiewandler der vorliegenden Erfindung arbeitet, verwendet als eine Quelle von Ladungen elektrisch geladene Teilchen, beispielsweise Elektronen und/oder Ionen. Zwei oder mehr Elektroden sind in einer Unterdruckkammer untergebracht. Ein Magnetfeld, wie es oben stehend spezifiziert worden ist und das von einem Permanentmagnet, einem Elektromagnet oder einer magnetischen Strahlungsquelle ausgeht, erstreckt sich quer durch die Kammer. Eine externe Energiequelle wird dazu herangezogen, den geladenen Teilchen anfängliche kinetische Energie, beispielsweise durch Heizen, durch Beschleunigen, durch ein elektrisches Feld oder von Nuklearstrahlung her, zu verleihen. Das Energieumwandlungsverfahren nutzt das magnetische Feld, um die geladenen Teilchen längs einer gewünschten Orbitalbahn zu transferieren, bis sie auf eine zentrale Elektrode (Kathode) auftreffen. Nach Auffassung des Erfinders ist die an den Teilchen verrichtete Arbeit (daher das von der Kathode angenommene elektrische Potential) dann proportional zu der resultierenden magnetischen Kraft mal der Distanz, über die die Kraft wirkt. Bei ihrer Bewegung in der Kammer kreuzen die Teilchen das magnetische Feld. Dies führt zu einer auf die Teilchen wirkenden Kraft, die proportional zu der Feldstärke, der Geschwindigkeit und der elektrischen Ladung der Teilchen und dem Sinus des Einfallswinkels zwischen der Bahn des Teilchens und den magnetischen Kraftlinien. Diese Kraft hat eine Winkelkomponente und eine Zentripetalkomponente, welche die Partikel zwingen, sich längs einer spiralförmigen oder gewundenen Orbitalbahn zu bewegen.
• Gegen die magnetische Zentripetalkraft wirkt auch eine entgegengesetzte Zentrifugalkraft auf die Teilchen. Das Elektrodenpotential ist proportional zu der an den geladenen Teilchen zu verrichtenden Arbeit, die dazu erforderlich ist, sowohl die Zentrifugalkraft als auch das elektrische Feld um die Kathode herum bei zunehmender Ansammlung von Ladungen und zunehmender Potentialdifferenz zwischen den Elektroden zu überwinden. Maximales Elektrodenpotential wird erzielt, wenn die Zentrifugal- und abstoßenden Kräfte gleich der Zentripetalkraft sind, wonach keine weitere geladenen Teilchen die Elektrode erreichen. Der Radius der Elektrode bestimmt den minimalen Spannungswert zwischen der Zentralelektrode und einer äußeren Elektrode. Wenn der Radius der Zentralelektrode (durch Zerstäubung oder Erosion) verkleinert wird, dann wächst die Zentrifugalkraft an, wodurch - bei einer gegebenen Feldstärke und Teilchengeschwindigkeit - die Anzahl geladener Teilchen, die die zentrale Elektrode erreichen können, und daher das Elektrodenpotential, vermindert wird. Der Massenunterschied zwischen Ionen und leichteren geladenen Teilchen, etwa Elektronen, hat unterschiedliche Zentrifugalkräfte bei gegebenen kinetischen Teilchenenergien zur Folge. Die Ausbeute und Effizienz des Generators sind optimiert, wenn der Generator das Maximum-Magnetfeld zur Minimierung der Zentrifugalkraft und zur Maximierung der radialen Distanz nutzt, über die die Kraft bei einer gegebenen Feldstärke wirkt. Es sollten Teilchen verwendet werden, die das größte Ladungs-/Massen-Verhältnis aufweisen.
• Als eine Ladungsquelle können Niederdruckgase herangezogen werden, die durch Teilchenkollision und Anregung innerhalb der Kammer ionisiert werden. Zusatzgase können den Energiepegel für die Ionisierung von Gasatomen/Molekülen minimieren, wodurch die Ausbeute bzw. Effizienz verbessert wird. Die resultierende magnetische Kraft ist jedoch bei den schwereren Elektronen aufgrund deren kleinerer Geschwindigkeit geringer, so daß das mittels der Hochspannungselektrode (Kathode) abgestrahlte elektrische Feld entgegengesetzt geladene Teilchen (+Ionen) anziehen kann, mit der Folge, daß die Elektrode eine Entladung erfährt, was sich in einer Verminderung der Ausgangsspannung auswirkt. Es können verschiedene Methoden angewendet werden, um diesen Effekt zu überwinden oder zu verkleinern. Eine Methode besteht beispielsweise darin, daß man die entgegengesetzten Ladungen separiert und/oder elektrisch vorgespannte Gitter zur Steuerung des Stromes von entgegengesetzten Ladungen zu der Hochspannungselektrode verwendet.
• Gassysteme sind allgemein komplexer als Einzelladungssysteme und sehen höhere Ströme und niedrigere Spannungen vor, wohingegen Einzelladungssysteme, beispielsweise in Hochvakuumkammern herangezogene Elektroden, höhere Spannung erzeugen können.
• Das magnetische Feld kann von einem oder mehreren Permanentmagneten und/oder von einem oder mehreren Elektromagneten her stammen. Ein statisches Magnetfeld liefert eine konstante Ausgangsspannung, während ein variierendes Magnetfeld eine sich ändernde Spannung für Teilchen mit gleichen Massen und Geschwindigkeiten erzeugt.
• Eine externe Quelle wird dazu herangezogen, die geladenen Teilchen zu beschleunigen und ihnen anfängliche kinetische Energie zu geben, die als Wärme freigegeben wird, wenn die Teilchen mit der Elektrode zusammenstoßen. Ladung fließt von der zentralen Elektrode über eine externe Last zu einer weiteren Elektrode. Die freigegebene elektrische Energie (Arbeit) ist eine Funktion des Stromes (Summe der pro Sekunde fließenden Ladungen) mal der Potentialdifferenz. Die elektrische und die thermische Leistung bzw. Ausbeute kann gesteuert werden, indem die Feldstärke, die Teilchengeschwindigkeit bzw. die Teilchendichte (mittlere freie Weglänge) variiert wird und/ oder ein Gitter zur Steuerung der Rate der die Zentralelektrode erreichenden Teilchen einbezogen wird. Die Ausgangsleistung ist ferner proportional zu dem Wärmeverlust oder dem Wärmegewinn, da die Translationsenergie des Teilchens proportional zu dessen Temperatur ist. Wärme, die an der Elektrode frei wird, kann an die Teilchen zurückgeführt werden, um deren Energie aufrechtzuerhalten. Anderenfalls kann die betreffende Wärme in einem Wärmetauscher zum Zwecke externer Nutzung herangezogen werden. Der Generator verwendet normalerweise nicht reaktionsfähiges, leitendes Material, um chemische Reaktionen von Gasen, Kühlmitteln usw. mit den Elektroden, Behälterwänden oder anderen Komponenten zu verhindern. Verschiedene Flugbahnen, gerichtete Bewegungen und Positionierungen der sich auf Bahnen bewegenden Teilchen können mit entsprechend vorgesehenen Magnetfeldern realisiert werden. Das Niederdruckgas kann mittels irgendeiner geeigneten Einrichtung ionisiert werden. Eine Methode besteht beispielsweise darin, eine Elektronen-/Ionen-Kanone zu verwenden, wobei die Ebene und Richtung der injizierten Teilchen in bezug auf das angelegte Magnetfeld passend ist. In einer Gasapparatur rekombinieren die durch die externe Schaltung fließenden Elektronen nach Erreichen der Anode mit einem Gasion, um ein neutrales Gasatom/ Molekül zu bilden. Dieses atomare Teilchen wird in Folge von Kollision und/oder durch die elektrischen Felder rechtzeitig reionisiert, wobei die Energie direkt oder indirekt aus der Arbeit abgeleitet wird, die von der auf die geladenen Teilchen wirkenden resultierenden Kraft verrichtet wird.
• Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen und im Sinne eines Beispiels näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung des Generators und die von einem Teilchen während des Energieumwandlungsprozesses gefolgte Bahn,
• Fig. 2 eine axiale Querschnittsdarstellung eines Typs einer Vorrichtung für die Erfindung, bei der Permanentmagnete und ein die Ionenwanderung zu der Kathode steuerndes Gitter verwendet werden,
• Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in Fig. 2 mit der in Fig. 2 durch A-A gekennzeichneten Schnittebene,
• Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Abschnittes durch einen Wandler, der mit Elektronen arbeitet, wobei eine kreisförmig angeordnete Reihe von Elektronenquellen angedeutet ist,
• Fig. 5 einen Axialquerschnitt durch ein praxisgemäßeres Ausführungsbeispiel des Wandlers gemäß Fig. 4,
• Fig. 6 eine Schnittansicht mit der in VI-VI in Fig. 5 gekennzeichneten Schnittebene,
• Fig. 7 einen Querschnitt über einen Durchmesser eines wulstförmigen (toroidalen bzw. ringförmigen) Hochleistungswandlers,
• Fig. 8 eine Schnittdarstellung mit der durch A-A in Fig. 7 markierten Schnittebene und
• Fig. 9 ein Schema eines Zweistufenwandlers, der mit beiden Arten von geladenen Teilchen gleichzeitig arbeitet.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein geladenes Teilchen entlang einer Flugbahn 2 in ein Magnetfeld eingeschossen, das sich senkrecht zur Ebene der Zeichnung erstreckt. Das Feld durchdringt den Raum 4 mit dem ringförmigen Querschnitt innerhalb einer zylindrischen Kammer 6. Das magnetische Feld erzeugt an dem Teilchen eine Kraft, die normal zu dessen Bewegungsrichtung und dem magnetischen Feld gerichtet ist. Die resultierende Zentripetalkraft veranlaßt das Teilchen, einer Spiralbahn 8 zu folgen, welche auf der in bezug auf die äußere zylindrische Elektrode 12 radial nach innen hin angeordnete Zentralelektrode 10 endet. Nach Auffassung des Erfinders ist die von dem Teilchen erworbene zusätzliche Energie eine Funktion des überwundenen radialen Abstandes und der Stärke des Magnetfeldes zwischen den Elektroden. Diese Energie wird beim Zusammenstoß mit der Zentralelektrode abgegeben, und zwar in Form von Wärme und/oder Arbeit, die dazu verrichtet wurde, die Ladung gegen das entgegenwirkende elektrische Feld zu der Elektrode zu bringen. Nach Auffassung des Erfinders würden die Elektronen bei Abwesenheit der Zentralelektrode 10 der Gleichgewichtsorbitalbahn 3 folgen. Dies ist die Bahn, der ein Teilchen folgt, wenn die Zentrifugal- und Zentripetalkräfte im Ausgleich sind, mit der Folge, daß keine Arbeit an dem Teilchen verrichtet wird.
• Wie detaillierter in den Fig. 2 und 3 dargestellt, besteht der Energiewandler 1 im wesentlichen aus einer ringförmigen Kammer 6 mit einer äußeren zylindrischen Elektrode 12, einer inneren zylindrischen Elektrode 10 und zwei gasdichten Wänden 14 aus einem elektrisch isolierenden Material. In der Elektrode 12 ist eine Öffnung 22, durch welche eine Elektronenkanone 20 bzw. ein Kathodenstrahlerzeuger 20 Elektronen in den Raum 4 injizieren kann. Zusätzlich oder alternativ kann eine Ionenquelle 18 positiv geladene Teilchen durch die Öffnung 16 hindurch injizieren.
• An den Hauptflachseitenflächen der Kammer 6 sind magnetische Polstücke 24 angeordnet, welche ein gleichförmiges magnetisches Feld 80 verursachen, das den Raum 4 parallel zu der Achse der Kammer 6 durchquert. Die Magnete können keramische Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. In jedem Fall können (nicht gezeigte) Mittel zur Einstellung der magnetischen Feldstärke vorgesehen sein.
• Massive Leiter 26 verbinden die beiden Elektronen mit Anschlüssen 28. Über die Anschlüsse 28 kann eine resistive Last zum Verbrauch der Generatorausgangsleistung angeschlossen werden.
• Eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe kommuniziert über ihren Einlaß mit dem Inneren der Kammer 6, so daß der Gasdruck in dem Generator vermindert - und bei einem gewünschten subatmosphärischen Wert gehalten werden kann. Mit der Pumpe verbunden oder separat davon können Mittel vorgesehen sein, die sicherstellen, daß das Gas in dem Generator eine gewünschte Zusammensetzung, beispielsweise eine solche, die die Wahrscheinlichkeit von ionisierenden Kollisionen zwischen den geladenen Teilchen und Gasatomen oder Molekülen erhöhen, aufweist. Ein solches geeignetes Gas stellt beispielsweise 0,1 Vol.% Argon enthaltendes Neon dar.
• Zum Inbetriebsetzen des Generators ist es erforderlich, die Vakuumpumpe einzuschalten und die Teilchenquelle bzw. alle Teilchenquellen mit Energie zu versorgen. Bei der Teilchenquelle wird ein Heizdraht mittels einer externen Energiequelle geheizt, bis der erforderliche interne Energiepegel (Temperatur) erreicht ist, woraufhin ein Teil aus thermoemissivem Material Elektronen emittiert. Wenn Elektronen als Ladungsträger herangezogen werden, so werden diese mittels eines geeigneten elektrischen Feldes beschleunigt und in den Raum 4 geschleudert. Hier werden sie weiter beschleunigt durch das radiale elektrische Feld zwischen den Elektroden, wobei gleichzeitig eine Ablenkkraft auf sie einwirkt, und zwar aufgrund des axialen magnetischen Feldes, durch das sie sich hindurchbewegen.
• Bei einer Ionenquelle werden die Elektronen beschleunigt, bis sie auf einige Atome oder Moleküle auftreffen, um einen Ionenstrom zu erzeugen, der in gleicher Weise in den Raum 4 gelangt. Entsprechend den gezeigten Polaritäten werden die Elektronen zu der Zentralelektrode hingezogen, während die Ionen zur äußeren Elektrode hin gezogen werden, was die unterschiedlichen Orientierungen der Quellen 18 und 20 erklärt.
• Gasmoleküle, die sich nahe den oder zwischen den Elektroden bewegen, werden durch Kollision und/oder das elektrostatische Feld ionisiert. Über eine an den Anschlüssen 28 angeschlossene Lastimpedanz kann dann ein Ausgangsstrom genutzt werden. Die Impedanz ist insofern abgestimmt, als verhindert wird, daß die interne Prozeßenergie unter einen Wert fällt, bei dem eine Reionisation der Gasatome verhindert würde. Falls jedes Ion an der Anode deionisiert, d. h. entionisiert wird, neigen die Gasatome dazu, ihre Zirkulation fortzusetzen, bis sie reionisiert werden, und die resultierende Kraft zieht die (durch ausgefüllte Kreise gekennzeichneten) Ionen und die (durch nicht ausgefüllte Kreise gekennzeichneten) Elektronen zurück zu ihren jeweiligen Orbitalbahnen.
• Bei einem mit Elektronen arbeitenden Konverter kann die Kammer ersichtlicherweise bis zu einem gewählten subatmosphärischen Druck evakuiert und abgedichtet werden.
• Gemäß der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung hat jede eine kreisförmige Reihe 29 von Quellen bildende Elektronenquelle einen Körper 30 aus elektroemissivem Material, wie etwa mit Zäsium beschichtetes Molybden, der mittels eines an einer (nicht gezeigten) elektrischen Energiequelle angeschlossenen Heizdrahtes 32 geheizt wird. Die Heizdrähte 32 können in Reihe - oder parallel geschaltet sein. Unmittelbar vor jedem Emitter 30 ist ein Gitter 34 aus feinen Drähten angeordnet. Alle Gitter 34 sind mit einer variabel einstellbaren Spannungsquelle verbunden, so daß der Elektronenfluß von dem Emitter steuerbar ist. Diese Elektronen werden durch eine oder mehrere Beschleunigungselektroden 36 geschleudert, wobei darüber eine Potentialdifferenz längs der Elektronenbahn eingerichtet ist, so daß jede weitere Elektronenquelle einen Strom von Elektronen mit bekannter kinetischer Energie in einen Raum 38 injiziert, der durch den mit einer unterbrochenen Linie gezeichneten Kreis gekennzeichnet ist und der von dem magnetischen Ablenkfeld durchquert ist, in dem die Zentral-Zielelektrode 40 vorgesehen ist. Der in das magnetische Feld injizierte Elektronenstrahl kann mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder fokussiert werden.
• In den weiteren Figuren behalten die Teile, auf die bereits Bezug genommen worden ist, die gleichen Bezugszeichen bei.
• In der "Flachscheiben"-Konfiguration gemäß Fig. 5 ist die ringförmige Kammer 6 in einem Körper 42 aus thermisch isolierendem Material eingeschlossen. Die Zentralelektrode 10 ist auf Isolatoren 44 aufgesetzt, welche von Leitungen 45 für den Durchfluß eines Kühlfluids und einer Ausgangsleitung 26 durchdrungen sind, wobei sich die Ausgangsleitung 26 längs des Kühlfluidrohres erstrecken kann, so daß sie ebenfalls gekühlt wird.
• Fig. 5 zeigt, daß der Ablenkmagnet im wesentlichen U-Form aufweist und zwei ringförmige Polstücke 48 hat, so daß das Magnetfeld zwischen der Fläche der Elektrode 10 und dem in bezug auf die kreisförmige Elektronenquelle radial am weitesten innen liegenden Bereich 38 gleichförmig ist. Das elektrische Feld zwischen der Elektrode 36 und der Emissionsfläche 61 liefert die anfänglichen Beschleunigungen (kinetische Energie) der Elektronen.
• Fig. 5 zeigt ferner, wie eine Spannung über die resistive Last 40 (die auf diese Weise als Potentiometer funktioniert) abgegriffen - und über die Beschleunigungselektrode 36 zugeführt wird.
• Die Kammer 6 ist ferner mit zwei ringförmigen Magneten 49 (oder einer kreisförmig angeordneten Reihe von aufeinanderfolgenden Magneten) versehen, die derart gestaltet sind, daß sie die Richtung, längs der sich die Elektronen in den Raum 38 bewegen, beeinflussen. Die Magnete stellen lokale magnetische Felder bereit, um sicherzustellen, daß die Elektronen tangential, d. h. mit einer Radialgeschwindigkeit null, die Grenze des Raumes 38 erreichen.
• Bei der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen "Flachscheiben"-Wandler nach den Fig. 5 und 6 in einer Art "Zirkular"-Konstruktion angeordnet, so daß sich die magnetischen Felder längs der Achse des sich ergebenden Ringraumes 50 erstrecken, der von einer einzelnen ringförmigen Zielelektrode 51 durchdrungen ist. Durch die Zielelektrode 51 kann längs Leitungen 52 ein Kühlfluid passieren. Der Querschnitt gemäß Fig. 8 zeigt, daß die magnetischen Felder durch ein elektrisches Feld ergänzt werden. Das elektrische Feld wird mittels Wicklungen 53 erzeugt, die auf einen an eine Isolierung 55 angrenzenden magnetischen Kern 54 gewickelt sind.
• Abgesehen davon, daß die Elektroden allen Wandlern gemeinsam sind, funktioniert jede individuell, wie es vorstehend beschrieben ist. Es ist offensichtlich, daß die Energiequelle für den Betrieb der Heizelemente für die Elektronenquellen 56, die etwaigen Elektromagnete, die Beschleunigungselektroden und die Steuergitter eine hinreichende Kapazität aufweisen müssen, um die für den Betrieb dieser "Toroidal"-Konfiguration erforderliche größere Leistung bereitzustellen. Damit zusammenhängende Änderungen können hinsichtlich der physikalischen Dimensionierung und Positionierung der vergleichsweise komplexen Konstruktion erforderlich werden; da diese jedoch im Rahmen des Blickfeldes eines fachkundigen Ingenieurs liegen, werden sie nicht weiter in dieser Beschreibung beschrieben.
• Wie bereits erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung Energiewandler zweier Typen, d. h. elektronische und ionische. Fig. 9 zeigt schematisch, wie diese kombiniert werden können, um aus deren Unterschiede Vorteile zu nutzen. In der zweistufigen Leistungsgenerationsvorrichtung nach Fig. 9 besteht die erste Stufe aus einem Ionisierer 520, der eine Mischung von geladenen Teilchen, d. h. Ionen und Elektronen, an einen Separator 540 liefert, der Elektronen an eine zweite Stufe abgibt, die aus einem abgedichteten elektronischen Wandler 560 besteht, der parallel zu einem Gasionen-Wandler 580 geschaltet ist. Der Separator 540 kann die unterschiedlichen Teilchenmassen ausnutzen, um diese zentrifugal zu trennen, beispielsweise unter Verwendung des Energiewandlersystems nach Fig. 1 (ohne die Zielelektrode); oder er kann elektromagnetische Ablenkfelder oder einen physikalischen Diffusionsprozeß, allein oder in Kombination miteinander, verwenden. Insoweit dies nicht Teil des Gegenstands der vorliegenden Erfindung ist, wird es nicht in weitergehenden Details beschrieben.
• Bei den Generatoren gemäß der Fig. 6 und 8 werden die jeweiligen Teilchen magnetisch abgelenkt und radial beschleunigt, um die bereits beschriebenen Funktionen zu erfüllen.
• Da jeder Generator derart gestaltet ist, daß er mit seiner bestimmten Form von Ladungsträgern in höchstem Maße effizient arbeitet, kann er optimal ausgebildet werden, wodurch die Energieabsorption vermindert wird, die dadurch verursacht ist, daß Ionen und Elektronen rekombinieren, bevor sie jeweils ihre betreffenden Zielelektroden erreicht haben. Da der elektronische bzw. mit Elektronen arbeitende Wandler mit einer negativ geladenen Elektrode abschließt und das Gegenteilige für den ionischen Wandler zutrifft, ist die Last 400, die der Vorrichtung Energie entnimmt, über die beiden Zielelektroden angeschlossen. Die anderen beiden Elektroden des Wandlers können auf gleiches Potential gehalten sein, etwa indem sie miteinander verbunden sind; ihre Potentiale können gegebenenfalls auch gleitend bzw. erdungsfrei sein.
• Der Generator kann dahingehend gestaltet werden, daß er einen weiten Bereich von Ausgangsspannungen und -strömen erzeugt. Die für niedrigere Energien ausgelegten Generatoren sind leicht genug, um mobil zu sein, so daß sie Fahrzeuge antreiben können oder als Bereitschaftsgeneratoren bzw. sogenannte Stand-By-Generatoren arbeiten können. Es können verschiedene Elektroden- und Magnetkonfigurationen herangezogen werden, und die Generatoren können in Reihe oder parallel miteinander verbunden bzw. geschaltet sein. Kühlmäntel sind angebracht, um bei Hochleistungsvorrichtungen eine Überhitzung zu vermeiden, und der Generator ist in einer thermisch isolierenden Ummantelung eingeschlossen, um Wärmeverluste zu reduzieren, wodurch Teilchengeschwindigkeiten erhöht werden können. Bei Hochenergiegeneratoren kann es erforderlich sein, eine erzwungene Kühlung für die innere Elektrode vorzusehen, etwa mittels Rippen, die davon in einen Hochgeschwindigkeitsstrom eines geeigneten Kühlmittels hinein abstehen.
• Wenngleich das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere für Nutzung externer elektrischer Energie geeignet ist, so können selbstverständlich andere Quellen herangezogen werden, um die anfängliche Eingangsenergie zu liefern. Solarwärme und Abfallverarbeitungs- bzw. Abwärme sind Beispiele von verschiedenen Energiequellen, die genutzt werden können. Die Steuerung des Ladungserzeugungsprozesses kann mit anderen Mitteln realisiert werden, die etwa ein oder mehrere elektrisch vorgespannte Gitter enthalten, wie sie in thermionischen Gleichrichtern bzw. Elektronenröhren Verwendung finden.

Claims (10)

1. Energieumwandlungsverfahren zur Erzeugung eines elektrischen Potentials, wobei Ladungsträger vorbestimmter Polarität in ein magnetisches Feld in einer Prozeßkammer (6) eingebracht werden, weiches allgemein einen Feldverlauf senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger aufweist, wodurch die auf die das magnetische Feld durchquerenden Ladungsträger wirkenden resultierenden Kräfte die Ladungsträger längs einer Orbitaibahn nach innen zu einer ersten Elektrode (10) hin drängen, weiche wenigstens einige der Ladungsträger aufnimmt und eine Ladung anhäuft, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (10) und einer zweiten Elektrode (12) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (6) ein subatmosphärischer Druck gehalten wird und daß die Ladungsträger in die Kammer (6) injiziert werden, indem man sie durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beschleunigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Potential einen Verbraucher betreibt, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (10 bzw. 12) geschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrischen Ladungsträger Elektronen oder Ionen umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ferner Ladungsträger entgegengesetzter Polarität das magnetische Feld durchqueren und sich an der zweiten Elektrode (12) ansammeln, um die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden zu vergrößern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem elektrisch vorgespannte Gitter (34) den Strom der entgegengesetzt geladenen Ladungsträger zu den jeweiligen Elektroden steuern.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ladungsträger von Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität separiert werden, bevor sie in das magnetische Feld eingebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ladungsträger entgegengesetzter Polarität in ein entsprechendes zweites magnetisches Feld eingebracht werden, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen ersten Elektroden in jedem Feld erzeugt wird.

8. Energiewandler, umfassend eine Kammer (6), die zwei in radialem Abstand voneinander angeordnete Elektroden (10, 12) aufweist, Mittel (24) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (80), das senkrecht zu einem elektrischen Feld zwischen den Elektroden verläuft, und Mittel zum Einbringen von Ladungsträgern vorbestimmter Polarität in den Raum zwischen den Elektroden, wobei die auf die das magnetische Feld durchquerenden Ladungsträger wirkenden resultierenden Kräfte die Ladungsträger längs einer Orbitalbahn nach innen zu einer ersten (10) der Elektroden hin drängen, welche wenigstens einige der Ladungsträger aufnimmt und eine Ladung anhäuft, um eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden (10,12) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (6) ein subatmosphärischer Druck gehalten wird, daß die Elektroden (10, 12) durch mit ihnen verbundene Seitenwände (14) in gasdichter Weise isoliert sind und daß die Ladungsträger durch Mittel (18, 20) in die Kammer (6) injiziert werden, die die Ladungsträger durch ein elektrisches und/ oder magnetisches Feld beschleunigen.

9. Energiewandler nach Anspruch 8, wobei die äußere Elektrode (12) wenigstens eine Öffnung (16, 22) aufweist, durch welche geladene Partikel oder Elektronen längs einer gewünschten Flugbahn in die Kammer (6) injiziert werden können.

10. Energiewandler nach Anspruch 9, wobei die Kammer (6) eine Vakuumkammer ist.