EP1671333B1 - Method and device for generating alfven waves - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and a device for generating Alfvén waves, in which ionizable material is provided that penetrates a magnetic field. In order to create such a method or a device in which material can be conveyed based on the Alfvén waves, the magnetic field consists of a primary magnetic field that is periodically deformed by at least one oscillating secondary magnetic field that is polarized in the opposite direction from the primary field such that Alfvén waves are created in the ionizable material located in said magnetic field. The Alfvén waves propagate at a speed that depends on the density of the material penetrating the magnetic field and the field intensity of the magnetic field. The field intensity of the magnetic field is greater than the kinetic energy of the material located in the magnetic field such that material is conveyed by means of the Alfvén waves.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Alfven-Wellen, wobei ionisierbare Materie bereitgestellt wird, welche ein Magnetfeld durchläuft.The invention relates to a method for producing Alfven waves, wherein ionizable matter is provided, which passes through a magnetic field.

Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen, mit einer Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie, einer aus zumindest einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Primärfeldes und einer Spule zur Erzeugung eines magnetischen Sekundärfeldes aufgebauten magnetischen Düse, und einem Kanal zur Führung der ionisierbaren Materie durch die Magnetfelder, und elektrischen Versorgungseinrichtungen.Furthermore, the invention relates to a device for generating Alfvén waves, comprising means for providing ionizable matter, a magnetic nozzle composed of at least one means for generating a primary magnetic field and a coil for generating a secondary magnetic field, and a channel for guiding the ionizable ones Matter through the magnetic fields, and electrical utilities.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Fahrzeug unter Verwendung einer oben genannten Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen.Finally, the invention relates to an engine for a vehicle using an above-mentioned device for generating Alfvén waves.

Alfvén-Wellen sind Magneto-Hydro-Dynamische Wellen, welche nach dem schwedischen Physiker Hannes Olof Gösta Alfvén benannt wurden, wofür dieser 1970 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bei den Alfvén-Wellen handelt es sich um niederfrequente Wellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder magnetisierten Plasmen, welche durch die Änderung der Stärke oder Geometrie eines magnetischen Feldes hervorgerufen werden. Die Ausbreitung der Alfvén-Wellen erfolgt mit endlicher Geschwindigkeit, der so genannten Alfvén-Geschwindigkeit. Eine Alfvén-Welle ist die wellenförmige Ausbreitung einer Störung im Magnetfeld. Im Vakuum breitet sich eine Alfvén-Welle mit Vakuumlichtgeschwindigkeit aus. Wenn das Magnetfeld mit einer ionisierbaren Materie, beispielsweise einem Plasma, interagiert, wird die Alfvén-Geschwindigkeit von der Massen- bzw. Ladungsdichte des dielektrischen Mediums bestimmt. Durch die Interaktion von Materie mit dem Magnetfeld können Alfvén-Wellen Masse und damit auch Energie und Impuls transportieren. Für einen solchen Massentransport spielt die so genannte Alfvén-Grenze eine Rolle, innerhalb der die Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der zu transportierenden Materie. Der Effekt des Materietransports durch Alfvén-Wellen wurde erstmals in der Atmosphäre exotischer Sterne spektroskopisch und später in Laborexperimenten nachgewiesen.Alfvén waves are magneto-hydro-dynamic waves, which were named after the Swedish physicist Hannes Olof Gösta Alfvén, for which he received the 1970 Nobel Prize in Physics. The Alfvén waves are low-frequency waves in electrically conductive liquids or magnetized plasmas, which are caused by the change in the strength or geometry of a magnetic field. The spread of the Alfvén waves takes place at finite speed, the so-called Alfvén speed. An Alfvén wave is the wave-like propagation of a disturbance in the magnetic field. In vacuum, an Alfvén wave propagates at the speed of vacuum light. When the magnetic field interacts with an ionizable matter, such as a plasma, the Alfvén velocity is determined by the bulk density of the dielectric medium. Due to the interaction of matter with the magnetic field, Alfvén waves can transport mass and thus also energy and momentum. For such a mass transport, the so-called Alfvén boundary plays a role within which the field strength must be greater than the kinetic energy of the matter to be transported. The effect of Alfvén wave matter transport was first demonstrated spectroscopically in the atmosphere of exotic stars and later in laboratory experiments.

Alfvén-Wellen sind allgegenwärtig in Plasmen des Weltraums und resultieren aus der Interaktion zwischen Magnetfeldern und darin fließenden Strömen. Alfvén-Wellen treten typischerweise mit niedriger Frequenz in magnetisierten leitenden Medien, wie z.B. stellaren Atmosphären, auf. Die Wellen transportieren nicht nur elektromagnetische Energie, sondern beinhalten auch Informationen über die Veränderungen in Plasmaströmen und der Topologie des dazu gehörigen Magnetfeldes. Seit Hannes Alfvén 1942 dieses Prinzip der elektromagnetischen Übertragung vorgestellt hat, haben zwei Konzepte das Interesse der Forscher geweckt. Das Konzept der Kompressionswelle, bei der die Dichte und Feldstärke variieren, und das Konzept der Scherwelle, bei der nur die Richtung des Magnetfeldes geändert wird. Die Dynamik von Alfvén-Scherwellen ist von besonderem Interesse in den polaren Erdregionen, da die Alfvén-Wellen wahrscheinlich eine Rolle bei der Entstehung von Polarlicht darstellen. Weitere Details finden sich in den Publikationen " The Physics of Alfvén Waves", Neil F. Cramer, Wiley Publishing 2001, ISBN: 3-527-40293-4 sowie " Aktive Sterne", Klaus G. Strassmeier, Springer Verlag 1997, ISBN: 3-211-83005 , und "Alfven wave propagation in a helicon plasma", J.Hanna et al., Physics of Plasma, AIP USA, Bd. 8, Nr. 9, Sept. 2001, S. 4251-4254.Alfvén waves are ubiquitous in plasmas of space and result from the interaction between magnetic fields and currents flowing therein. Alfvén waves typically occur at low frequency in magnetized conductive media, such as stellar atmospheres. The waves not only carry electromagnetic energy but also contain information about the changes in plasma currents and the topology of the associated magnetic field. Since Hannes Alfvén introduced this principle of electromagnetic transmission in 1942, two concepts have aroused the interest of researchers. The concept of the compression wave, where the density and field strength vary, and the concept of the shear wave, where only the direction of the magnetic field is changed. The dynamics of Alfvén shear waves are of particular interest in the polar regions of the Earth, as the Alfvén waves are likely to play a role in the formation of aurora. Further details can be found in the publications " The Physics of Alfvén Waves, "Neil F. Cramer, Wiley Publishing 2001, ISBN: 3-527-40293-4 such as " Active Stars ", Klaus G. Strassmeier, Springer Verlag 1997, ISBN: 3-211-83005 , and "Alfven wave propagation in a helicon plasma", J. Hanna et al., Physics of Plasma, AIP USA, Vol. 8, No. 9, Sept. 2001, pp. 4251-4254.

Bisher wurden Alfvén-Wellen nur bei Verfahren zur Anwendung in Fusionsreaktoren genutzt. Beispielsweise zeigt die US 4 661 304 die Erzeugung von Alfvén-Wellen mit Hilfe eines Resonanzspulenmechanismus zur Erzeugung von überresonanzhohen Zyklotonfrequenzen in einem Fusionsreaktor. Eine ähnliche Konstruktion basierend auf mehreren kreisförmig angeordneten Spulen zur Erreichung hoher Temperaturen in einem Fusionsreaktor ist in der russischen Patentschrift SU 1 485 436 beschrieben. Bei den bisherigen Anwendungen wurde der Transport von Energie durch Alfvén-Wellen genutzt. Eine direkte Nutzung des Massentransports durch Alfvén-Wellen liegt dabei nicht vor (s. auch H. Alfvén, "Spacecraft Propulsion: New Methods", _Science_, Bd. 176, S. 167-168, April 14, 1972 ).So far Alfvén waves have only been used in processes for use in fusion reactors. For example, the shows US 4,661,304 the generation of Alfvén waves by means of a resonant coil mechanism for generating superresonant-high cyclotron frequencies in a fusion reactor. A similar construction based on several circular coils arranged to achieve high temperatures in a fusion reactor is in the Russian patent SU 1 485 436 described. Previous applications have utilized the transport of energy through Alfvén waves. A direct use of the mass transport by Alfvén waves is not present (see also H. Alfvén, "Spacecraft Propulsion: New Methods", _Science_, Vol. 176, pp. 167-168, Apr. 14, 1972 ).

Eine Nutzung von Alfvén-Wellen für den Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Raumfahrzeugen, wurde noch nicht vorgenommen. Als elektrischer Rückstoßantrieb für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, werden derzeit zwei Prinzipien eingesetzt, die jedoch aufgrund des relativ hohen Leistungsbedarfs durch die Masse externer Energiequellen in ihrer Nutzbarkeit eingeschränkt sind. Die bei chemischen Antrieben im Treibstoff enthaltene Energie muss bei elektrischen Antrieben aus einer externen Energiequelle zugeführt werden. Weiters werden elektromagnetische Antriebe trotz der hohen Masse des elektrischen Energieträgers eingesetzt. Bei elektrischen Antrieben wird der Ionen-Anteil eines auf verschiedene Art angeregten Gases durch elektrische Felder beschleunigt. Aufgrund des physischen Abstandes der Elektroden, durch welchen der Beschleunigungsweg definiert ist, multipliziert mit dem Querschnitt des Emissions-Strahls sind bei energetisch akzeptablen Potential-Differenzen nur geringe Schubdichten möglich, wodurch der Wirkungsgrad bestimmt wird. Da hierbei nur positiv geladene Ionen emittiert werden, die zur Vermeidung eines statischen Potentials hinter dem Triebwerk später durch eine externe Elektronenquelle neutralisiert werden, spricht man von Ionen-Triebwerken.A use of Alfvén waves for driving vehicles, in particular spacecraft, has not yet been made. As an electric recoil drive for vehicles, especially spacecraft, two principles are currently used, but are limited due to the relatively high power requirements by the mass of external energy sources in their usability. The energy contained in the fuel in chemical drives in electric drives from a be supplied to external energy source. Furthermore, electromagnetic drives are used despite the high mass of the electric energy carrier. In electric drives, the ion content of a different kind of excited gas is accelerated by electric fields. Due to the physical distance of the electrodes, by which the acceleration path is defined, multiplied by the cross section of the emission beam, only low thrust densities are possible with energetically acceptable potential differences, whereby the efficiency is determined. Since only positively charged ions are emitted in this case, which are later neutralized by an external electron source to avoid a static potential behind the engine, one speaks of ion engines.

Bei magnetischen Antrieben wird hingegen das Magnetfeld nur als statische Düse mit heißen Wänden genutzt. Im Feld gebundene Teilchen interagieren aufgrund ihrer Larmor-Frequenz miteinander. Die vom Gradienten abfallende Feldstärke bewirkt ebenso kleiner werdende Bindungskräfte, wodurch die Teilchen nach Stößen n-ter Ordnung inelastisch aus der Bindung zum Feld gestreut und aufgrund des thermodynamischen Drucks aus dem düsenförmigen Feld gepresst werden.In magnetic drives, however, the magnetic field is used only as a static nozzle with hot walls. Field-bound particles interact with each other on the basis of their Larmor frequency. The field strength decreasing from the gradient also causes decreasing binding forces, whereby the particles are inelastically scattered out of bond to the field by n-th order collisions and forced out of the nozzle-shaped field due to the thermodynamic pressure.

Im Allgemeinen wird das aus dem Feld zu expandierende Plasma durch einen Lichtbogen thermisch angeregt. Der Unterschied zu reinen Lichtbogentriebwerken besteht hauptsächlich darin, dass die Plasmatemperatur nicht durch die thermische Belastbarkeit der Düsenwände beschränkt wird. Die zusätzliche Interaktion des Plasmas mit den meist statischen Feldkräften spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Aufgrund der Dynamik eines thermisch angeregten Plasmas in einem Magnetfeld spricht man bei Plasma-Triebwerken daher auch von Magneto-Plasma-Dynamischen Antrieben oder MPD-Triebwerken. Klassische MPD-Triebwerke können in zwei Gruppen unterteilt werden, nämlich in Eigenfeld- und Fremdfeld-Triebwerke. Bei Eigenfeld-Triebwerken wird das Feld der magnetischen Düse durch den hohen Entladestrom des Lichtbogens induziert, es gibt also einen Magneten aber keine Spule. Bei Fremdfeld-Triebwerken wird der gesamte Entladestrom zur Aufheizung genutzt, da das Feld der magnetischen Düse durch eine Spule eben durch ein Fremdfeld aufgebaut wird.In general, the plasma to be expanded from the field is thermally excited by an arc. The difference to pure arc motors is mainly that the plasma temperature is not limited by the thermal load capacity of the nozzle walls. The additional interaction of the plasma with the mostly static field forces plays a subordinate role. Due to the dynamics of a thermally excited plasma in a magnetic field, plasma-powered engines are therefore also referred to as magneto-plasma dynamic drives or MPD engines. Classic MPD engines can be divided into two groups, namely self-field and alien-field engines. In self-field engines, the field of the magnetic nozzle is induced by the high discharge current of the arc, so there is a magnet but no coil. In foreign-field engines, the entire discharge is used for heating, since the field of the magnetic nozzle is built by a coil just by a foreign field.

Ein magnetisches Plasmatriebwerk ist z.B. aus der US 6 334 302 B1 bekannt und unter der Bezeichnung VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) bekannt. Dabei wird mit Hilfe eines Plasmagenerators ein Plasma durch zumindest zwei magnetische Ringspulen geleitet und in diesem magnetischen Feld thermisch angeregt. Durch die hochfrequente Feld-Oszillation wird das Plasma in einer Art magnetischen Flasche durch Schwingungen des Magnetfeldes aufgeheizt. Die Geometrie des in seiner Stärke veränderlichen Magnetfeldes bleibt grundsätzlich erhalten, weshalb zwar der Energie-Transport, jedoch nicht der Materie-Transport durch das Magnetfeld genutzt wird. Mit diesem Triebwerk konnten bessere Wirkungsgrade erreicht werden als bei klassischen Magneto-Plasma-Dynamischen Antrieben.A magnetic plasma engine is eg from the US 6 334 302 B1 known and known under the name VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). In this case, with the aid of a plasma generator, a plasma is passed through at least two magnetic toroidal coils and thermally excited in this magnetic field. Due to the high-frequency field oscillation, the plasma is heated in a kind of magnetic bottle by oscillations of the magnetic field. The geometry of the variable in its strength magnetic field is basically preserved, which is why the energy transport, but not the matter transport is used by the magnetic field. With this engine, better efficiencies could be achieved than with classic magneto-plasma-dynamic drives.

Die US 4 412 967 A beschreibt einen Teilchenbeschleuniger unter Anwendung des Prinzips der Alfvén-Wellen. Ein derartiger Teilchenstrahl kann als Bohrwerkzeug oder Waffe eingesetzt werden.The US 4 412 967 A describes a particle accelerator using the principle of Alfvén waves. Such a particle beam can be used as a drilling tool or weapon.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Einrichtung nach Anspruch 16 zur Erzeugung von Alfvén-Wellen zu schaffen, durch welche Masse transportiert wird. Das Verfahren und die Einrichtung soll zur Anwendung als Triebwerk für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, einsetzbar sein.The present invention has for its object to provide a method according to claim 1 and a device according to claim 16 for the generation of Alfvén waves through which mass is transported. The method and the device should be applicable for use as an engine for vehicles, in particular spacecraft.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, dass das Magnetfeld aus einem magnetischen Primärfeld besteht, welches durch zumindest ein gegenüber dem Primärfeld gegengepoltes, oszillierendes magnetisches Sekundärfeld periodisch deformiert wird, wodurch in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfvén-Wellen gebildet werden, welche sich mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die von der Massendichte der das Magnetfeld durchlaufenden Materie und der Feldstärke des Magnetfeldes abhängt, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfvén-Wellen Masse transportiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt erstmals Alfvén-Wellen zum Transport von Masse ein. Durch einen so erzeugten Materiestrahl können beispielsweise unter Nutzung des Rückstoßprinzips Antriebe für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, wie Weltraumsatelliten, hergestellt werden. Es ist aber auch eine Reihe anderer Anwendungen möglich, von welchen einige weiter unten kurz erwähnt werden.In terms of the method, the object according to the invention is achieved in that the magnetic field consists of a primary magnetic field which is periodically deformed by at least one oscillating magnetic secondary field which is counter-polarized with respect to the primary field, whereby Alfvén waves are formed in the ionizable matter located in this magnetic field, which propagate at a speed that depends on the mass density of the matter passing through the magnetic field and the field strength of the magnetic field, wherein the field strength of the magnetic field is greater than the kinetic energy of the matter in the magnetic field, so that mass is transported by the Alfvén waves , The inventive method is the first Alfvén waves for the transport of mass. By means of a jet of matter generated in this way, drives for vehicles, in particular spacecraft, such as space satellites, can be produced, for example using the recoil principle. However, a number of other applications are possible, some of which are briefly mentioned below.

Zur Ermöglichung eines Massentransports durch Alfvén-Wellen müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden, welche weiter unten beschrieben werden. Die Alfvén-Wellen werden durch periodische Änderungen der Feldgeometrie eines magnetischen Primärfeldes verursacht. Diese periodische Änderung der Geometrie des Primärfeldes wird durch zumindest ein zweites, entgegengesetzt gepoltes, periodisch verändertes Magnetfeld verursacht, welches im Weiteren als Sekundärfeld bezeichnet wird, das von einer Sekundärspule hervorgerufen wird. Das oszillierende Sekundärfeld wird durch eine Versorgung der Sekundärspule durch ein oszillierendes Signal erzeugt. Die Frequenz und Form des Ansteuersignals der Sekundärspule hängt von der Art der Anwendung und den speziellen Eigenschaften der eingesetzten Feldspulen ab. Grundsätzlich gilt, dass man bei höherer Frequenz der Oszillationen des Sekundärfeldes in einen Bereich kommt, wo die Arbeitswege kürzer werden, da nicht mehr die vollen Deformationswege des magnetischen Feldes für den Massentransport ausgenützt werden können. Durch die Überlagerung der Magnetfelder werden die Feldlinien des Primärfeldes, auf der der Sekundärspule gegenüberliegenden Seite nach außen gedrückt, und somit ein trichterförmiges Primärfeld geschaffen. Dieser Feldtrichter führt zu einer Reduzierung des durch das Magnetfeld eingeschlossenen Volumens. Somit wird die im Magnetfeld befindliche ionsierbare Materie komprimiert und aus dem Feld gedrückt. Die mit dem Magnetfeld interagierende Materie unterteilt sich einerseits in die Emissionsmasse und zum geringeren Anteil in Lorentz-Teilchen. Die Lorentz-Teilchen befinden sich im Bereich höherer Flussdichten und sind an die Feldlinien gebunden. Die restlichen Teilchen hingegen sind nicht an die Feldlinien gebunden und können daher als quasi freie Teilchen bezeichnet werden. Die quasi freien Teilchen werden an den Lorentz-Teilchen gestreut. Aus diesem Grund können die aus den Lorentz-Teilchen hervorgehenden Kräfte, die auf die eingeschlossene Materie wirken, auch als Wandkräfte bezeichnet werden. Im Gegensatz zu klassischen Magneto-Plasma-Dynamischen-Triebwerken erfüllen die magnetischen Wandkräfte nicht nur die Funktion einer Düse, sondern sind durch ihre Dynamik für die Kompression der Emissionsmasse verantwortlich. Damit nun überhaupt ein Massentransport durch die Alfvén-Wellen stattfinden kann, ist die so genannte Alfvén-Grenze, innerhalb derer die magnetische Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teilchen, zu berücksichtigen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, können die Alfvén-Wellen nicht zum Transport von Masse eingesetzt werden. Für diese Bedingung ist eine Betrachtung der Größen im Phasenraum erforderlich. Ist die kinetische Energie des Teilchens größer als das Magnetfeld, so sind die Teilchen nicht an das Magnetfeld gebunden und können diesem somit nicht folgen. Sind die Teilchen aber gemäß obiger Definition im Magnetfeld gebunden, was durch die Alfvén-Grenze festgelegt wird, findet ein Transport der Teilchen durch das Magnetfeld statt. Die mathematischen Grundlagen dazu werden später noch näher erläutert.To enable mass transport through Alfvén waves certain conditions must be fulfilled, which are described below. The Alfvén waves are caused by periodic changes in the field geometry of a primary magnetic field. This periodic change in the geometry of the primary field is caused by at least a second, oppositely poled, periodically changed magnetic field, which is referred to as a secondary field, which is caused by a secondary coil hereinafter. The oscillating secondary field is generated by a supply of the secondary coil by an oscillating signal. The frequency and shape of the drive signal of the secondary coil depends on the type of application and the special properties of the field coils used. Basically, at higher frequencies of the oscillations of the secondary field comes in a range where the working distances are shorter, because no longer the full deformation paths of the magnetic field can be exploited for mass transport. As a result of the superimposition of the magnetic fields, the field lines of the primary field are pressed on the side opposite the secondary coil to the outside, thus creating a funnel-shaped primary field. This field funnel leads to a reduction of the enclosed by the magnetic field volume. Thus, the matter ionizable in the magnetic field is compressed and pushed out of the field. The matter interacting with the magnetic field is divided on the one hand into the emission mass and, to a lesser extent, in Lorentz particles. The Lorentz particles are in the range of higher flux densities and are bound to the field lines. By contrast, the remaining particles are not bound to the field lines and can therefore be termed quasi-free particles. The quasi-free particles are scattered on the Lorentz particles. For this reason, the forces resulting from the Lorentz particles, which act on the enclosed matter, can also be called wall forces. In contrast to classical magneto-plasma-dynamic-engines, the magnetic wall forces not only fulfill the function of a nozzle, but are responsible for the compression of the emission mass by their dynamics. So that mass transport can take place at all through the Alfvén waves, the so-called Alfvén boundary, within which the magnetic field strength must be greater than the kinetic energy of the interacting particles, to take into account. If this condition is not met, the Alfvén waves can not be used to transport mass. For this condition, a consideration of the quantities in the phase space is required. If the kinetic energy of the particle is greater than the magnetic field, then the particles are not bound to the magnetic field and thus can not follow this. However, if the particles are bound in the magnetic field as defined above, as determined by the Alfvén boundary, the particles are transported by the magnetic field. The mathematical basics will be explained later.

Das Magnetfeld verformt sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Alfvén-Wellen, der so genannten Alfvén-Geschwindigkeit. Dabei können zwei Möglichkeiten unterschieden werden.The magnetic field deforms with the propagation velocity of the Alfvén waves, the so-called Alfvén velocity. There are two possibilities.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Alfvén-Geschwindigkeit kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie. Dies stellt den Fall der elastischen Kompression des eingeschlossenen Mediums dar. Im Falle dieser elastischen Kompression erfolgt, bis auf unvermeidliche Reibungsverluste, keine Aufheizung des Mediums, sondern es entsteht ein innerer mechanischer Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck. Im Falle einer Alfvén-Geschwindigkeit, welche kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, wird somit der kinetische Impuls weitgehend elastisch übertragen. Bei einer derartigen elastischen Beschleunigung der Emissionsmasse sind keine besonders hohen Ausströmgeschwindigkeiten möglich, da die innere Schallgeschwindigkeit bei Ausgangstemperatur des zu transportierenden Mediums nicht überschritten wird. Eine Anwendung dieses Verfahrens kommt primär für den Betrieb mit leitenden Flüssigkeiten in Frage, da die damit verbundene hohe Dichte der Materie in Verbindung mit einem möglicherweise geringen Ionen-Anteil ohnehin keine hohen Alfvén-Geschwindigkeiten zulässt.According to a feature of the invention, the Alfvén velocity is less than or equal to the velocity of sound of the matter in the magnetic field. This is the case of the elastic compression of the enclosed medium. In the case of this elastic compression takes place, except for unavoidable friction losses, no heating of the medium, but it creates an internal mechanical pressure over the ambient pressure. In the case of an Alfvén velocity, which is less than or equal to the speed of sound of the matter in the magnetic field, the kinetic momentum is thus transferred largely elastically. With such an elastic acceleration of the emission mass, no particularly high outflow velocities are possible since the internal speed of sound is not exceeded at the starting temperature of the medium to be transported. An application of this method is primarily for the operation with conductive liquids in question, since the associated high density of matter in conjunction with a possibly low ion content in any case does not allow high Alfvén speeds.

Wenn die Alfvén-Geschwindigkeit, mit der sich die Alfvén-Wellen ausbreiten, größer ist als die Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie, wird diese inelastisch komprimiert und damit aufgeheizt. Die Größe des elastisch transportierbaren Impulses wird vom jeweiligen Elastizitätsmodul und damit verbunden von der Schallgeschwindigkeit bestimmt. Der inelastische Anteil des über die Alfvén-Wellen und die Lorentz-Teilchen transportierten Impulses wird in inkohärente innere Bewegung, also in Wärme umgesetzt. Die auf diese Art thermisch angeregte Materie erhält damit nicht nur eine höhere Temperatur, sondern auch eine höhere Schallgeschwindigkeit, mit der es aus dem Feldtrichter der magnetischen Düse expandiert. Es erfolgt damit eine Aufheizung direkt über die als magnetische Düse vorhandenen Feldkräfte ohne externen Heizmechanismus. Im Falle der inelastischen Kompression ist das Verhältnis zwischen der Kompressionszeit und den Energieverlusten durch aus der Aufheizung resultierende Abstrahlung von Bedeutung. Bei einem optimierten System sollte die Laufzeit der Alfvén-Wellen, die vom Arbeitsweg und der Alfvén-Geschwindigkeit abhängt, so abgestimmt sein, dass während des Zeitraumes weniger Energie abgestrahlt wird, als durch den Puls zugeführt wird. Die thermische Anregung durch inelastische Kompression der Emissionsmasse bietet sich für Anwendungen im Hochvakuum an, da dafür eine geringe Massendichte zur Erreichung hoher Alfvén-Geschwindigkeiten notwendig ist. Trotz kurzer Beschleunigungswege ist durch eine hohe Alfvén-Geschwindigkeit dabei die Zuführung hoher Impulse möglich.If the Alfvén velocity, with which the Alfvén waves propagate, is greater than the speed of sound of the matter in the magnetic field, this is inelastically compressed and thus heated. The size of the elastically transportable pulse is determined by the respective modulus of elasticity and, associated therewith, by the speed of sound. The inelastic portion of the Alfvén waves and the Lorentz particles transported impulse is converted into incoherent internal movement, ie into heat. The matter thermally excited in this way thus not only receives a higher temperature, but also a higher speed of sound, with which it expands out of the field funnel of the magnetic nozzle. There is thus a heating directly on the available as a magnetic nozzle field forces without external heating mechanism. In the case of inelastic compression, the ratio between the compression time and the energy losses due to the radiation resulting from the heating is important. In an optimized system, the duration of the Alfvén waves, which depends on the working path and the Alfvén speed, should be tuned so that less energy is emitted during the period than is supplied by the pulse. The thermal excitation by inelastic compression of the emission mass is suitable for applications in a high vacuum, since it requires a low mass density to achieve high Alfvén velocities. Despite short acceleration paths, high Alfvén speeds allow the delivery of high pulses.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das magnetische Primärfeld im Wesentlichen konstant. Dies wird durch eine im Wesentlichen konstante Versorgung der einen Spule zur Erzeugung des Primärmagnetfeldes erzielt, weshalb der schaltungstechnische Aufwand gering ist. Ebenso kann das konstante magnetische Primärfeld durch Permanentmagnete erzeugt werden.According to a feature of the invention, the primary magnetic field is substantially constant. This is achieved by a substantially constant supply of a coil for generating the primary magnetic field, which is why the circuitry complexity is low. Likewise, the constant magnetic primary field can be generated by permanent magnets.

Wenn im Fall der Erzeugung des Primärmagnetfeldes mit Hilfe einer Spule, der sogenannten Primärspule, das magnetische Primärfeld periodisch abgeschaltet wird, kann die thermische Aufheizung durch den Ohmschen Widerstand der Primärspule reduziert werden. Dabei muss die Frequenz und Dauer der Abschaltung entsprechend gewählt werden, dass innerhalb der Abschaltphasen die thermische Energie abgeführt werden kann.If in the case of the generation of the primary magnetic field by means of a coil, the so-called primary coil, the primary magnetic field is periodically switched off, the thermal heating can be reduced by the ohmic resistance of the primary coil. In this case, the frequency and duration of the shutdown must be selected accordingly, that within the shutdown phases, the thermal energy can be dissipated.

Es ist nicht zweckmäßig, während des abgeschalteten Primärfeldes das magnetische Sekundärfeld aufrechtzuerhalten, weshalb dieses während der Abschaltperioden des Primärfeldes vorzugsweise ebenfalls abgeschaltet wird. Die Abschaltung des Primärfeldes und allenfalls auch des Sekundärfeldes wird durch eine entsprechende Steuerungseinrichtung, welche mit den Versorgungseinrichtungen für die Spulen zur Erzeugung des Primärfeldes und Sekundärfeldes verbunden sind, erzielt.It is not expedient to maintain the secondary magnetic field during the disconnected primary field, which is why it is preferably also switched off during the turn-off periods of the primary field. The shutdown of the primary field and possibly also the secondary field is achieved by a corresponding control device, which are connected to the supply facilities for the coils for generating the primary field and secondary field.

Zur Verbesserung der Wirkung der magnetischen Düse wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Magnetfeld in axialer und/oder radialer Richtung fokussiert. Zur Fokussierung können verschiedene Verfahren, beispielsweise magnetische Verfahren, aber auch spezielle Anordnungen und mechanische Ausbildungen der Feldspulen, dienen.To improve the effect of the magnetic nozzle, the magnetic field is focused in the axial and / or radial direction according to a further feature of the invention. For focusing, various methods, such as magnetic methods, but also special arrangements and mechanical training of the field coils, serve.

Zur Beeinflussung der Deformation des Primärfeldes kann das magnetische Primärfeld während des eingeschalteten magnetischen Sekundärfeldes in seiner Feldstärke verändert werden. Dabei wird die Veränderung des Primärfeldes nur in geringem Ausmaß vorgenommen. Die Geometrie der gegenseitig deformierten Felder kann durch diese temporäre Minderung oder Steigerung des Primärfeldes beeinflusst und somit optimiert werden.To influence the deformation of the primary field, the magnetic primary field can be changed in its field strength during the activated secondary magnetic field. The change of the primary field is made only to a small extent. The geometry of the mutually deformed fields can be influenced and thus optimized by this temporary reduction or increase of the primary field.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Alfvén-Wellen phasenverzögert werden. Durch diese Phasenverzögerung, welche beispielsweise durch einen verzögerten Spannungsanstieg während des Einschaltens der Sekundärspule erzielt werden kann, kann der Zeitraum der Deformationsphase des Primärfeldes verlängert werden. Eine derartige Beeinflussung der Alfvén-Wellen ist dann sinnvoll, wenn die Alfvén-Geschwindigkeit zu hoch ist. Eine derartige Verlangsamung der Felddeformation kann beispielsweise bei einer hydrodynamischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein. Dadurch können Variationen des Schallfeldes oder Optimierungen des Wirkungsgrades erzielt werden. Aber auch bei der Anwendung des Verfahrens bei Vorhandensein einer Plasmaquelle kann eine Reduktion der Alfvén-Geschwindigkeit von Vorteil sein, wenn z.B. durch eine zu hohe Kompressionstemperatur die Verluste durch Schwarzkörperstrahlung den Wirkungsgrad zu sehr einschränken.According to a further feature of the invention, it is provided that the Alfvén waves are phase-delayed. Due to this phase delay, which can be achieved, for example, by a delayed voltage increase during the switching on of the secondary coil, the period of the deformation phase of the primary field can be extended. Such an influence on the Alfvén waves makes sense if the Alfvén speed is too high. Such a slowing down of the field deformation can be advantageous, for example, in a hydrodynamic application of the method according to the invention. As a result, variations of the sound field or optimizations of the efficiency can be achieved. However, even with the use of the method in the presence of a plasma source, a reduction in Alfvén velocity may be beneficial, e.g. too high a compression temperature, the losses due to blackbody radiation limit the efficiency too much.

Wenn die Alfvén-Wellen nach dem Rückstoßprinzip einen Schub erzeugen, kann das Verfahren zur Erzeugung von Alfvéfn-Wellen zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Raumfahrzeugen, verwendet werden. Dabei wird als Plasmaquelle ein beliebiger Ionisationsmechanismus verwendet, der die Ionisation eines in einem Behälter befindlichen Gases durchführt. Die Alfvén-Wellen reduzieren in oszillierender Weise das Volumen des von der Plasmaquelle einströmenden Mediums schneller als sich dieses aus dem trichterförmigen Magnetfeld entspannen kann. Der während der kurzen Pulsdauer des Magnetfeldes zugeführte hohe Impuls heizt das Plasma auf, was zu einer höheren Schall- und damit Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas führt. Durch die Alfvén-Wellen kann auch ein bereits durch einen anderen Mechanismus beschleunigter Plasmastrahl eine zusätzliche Beschleunigung erhalten. Anwendungen derartiger Triebwerke reichen von der Lageregelung von Satelliten bis hin zu Antrieben von Raketen für Raummissionen und vieles mehr. Da das vorliegende Verfahren an beliebige Ionen oder Plasmaquellen anwendbar ist, können somit auch beliebige Hochfrequenzquellen eingesetzt werden, die keine Entladungsstrecke aufweisen und somit keine der Korrosion ausgesetzten Elektroden aufweisen. Dadurch resultieren korrosionsfreie elektromagnetische Antriebssysteme, welche eine höhere Lebensdauer aufweisen.When the Alfvén waves generate thrust according to the recoil principle, the Alfvéfn wave generation method can be used to drive vehicles, particularly spacecraft. In this case, any ionization mechanism is used as the plasma source, which performs the ionization of a gas in a container. The Alfvén waves oscillatingly reduce the volume of the medium flowing from the plasma source faster than it can relax from the funnel-shaped magnetic field. The high pulse applied during the short pulse duration of the magnetic field heats the plasma, resulting in a higher sound and thus expansion speed of the plasma. The Alfvén waves also allow an accelerated plasma jet to be accelerated by another mechanism. Applications of such engines range from satellite attitude control to missile propulsion for space missions, and more. Since the present method is applicable to any ions or plasma sources, thus any high-frequency sources can be used, which have no discharge path and thus have no corrosion-exposed electrodes. This results in corrosion-free electromagnetic drive systems which have a longer service life.

Ebenso ist es möglich, dass die Alfvén-Wellen einen Teilchenstrahl hoher kinetischer Energie erzeugen, der beispielsweise im militärischen Bereich, beispielsweise zum Ausschalten von Satelliten, einsetzbar ist. Dabei wird der Teilchenstrahl hoher Energie vorteilhafterweise durch einen einzelnen Puls der Sekundärspule erzeugt, während das magnetische Primärfeld aktiviert wird.Likewise, it is possible that the Alfvén waves generate a particle beam of high kinetic energy, which can be used, for example, in the military sector, for example for switching off satellites. In this case, the high-energy particle beam is advantageously generated by a single pulse of the secondary coil while the magnetic primary field is activated.

Wie bereits oben erwähnt, können die Alfvén-Wellen einer beschleunigten Masse zusätzliche Impulse zuführen. Es kann nach dem Nachbrennerprinzip ein beliebiges beschleunigtes Medium mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens nachbeschleunigt werden. Beispielsweise könnte die Einrichtung mit einem Lichtbogentriebwerk kombiniert werden und die dadurch beschleunigte Materie zusätzlich beschleunigt werden.As already mentioned above, the Alfvén waves can supply additional pulses to an accelerated mass. It can nachbeschleunigt after the afterburner principle any accelerated medium by means of the present method. For example, the device could be combined with an arc engine and the matter accelerated thereby additionally accelerated.

Weiters ist es möglich, dass in der im Magnetfeld befindlichen Materie Phononen erzeugt oder verstärkt werden bzw. über die im Magnetfeld befindliche Materie Phononen in einem umgebenden Medium erzeugt oder verstärkt werden. Eine Verstärkung von Phononen wird dadurch erreicht, dass das Schallfeld innerhalb der vom Magnetfeld umgebenen Materie durch die Wirkung der Alfvén-Wellen beeinflusst wird. Als Einsatzgebiete für die Verstärkung von Phononen können Anwendungen genannt werden, bei welchen Materie, welche bereits durch einen anderen Mechanismus angeregt wurde, einen zusätzlichen Impuls erhalten soll, beispielsweise bei einer chemischen Verbrennung oder einer Heizung.Furthermore, it is possible for phonons to be generated or amplified in the magnetic field material, or phonons to be generated or amplified in a surrounding medium via the matter in the magnetic field. Amplification of phonons is achieved by influencing the sound field within the matter surrounded by the magnetic field through the action of the Alfvén waves. As applications for the amplification of phonons applications can be mentioned, in which matter which has already been excited by another mechanism, should receive an additional impulse, for example in a chemical combustion or heating.

Schließlich ist es auch möglich die im Magnetfeld befindliche Materie zu komprimieren und somit thermisch anzuregen und durch die thermische Anregung elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu verstärken.Finally, it is also possible to compress the matter in the magnetic field and thus thermally excite and by the thermal excitation electromagnetic radiation generate or amplify.

Schließlich kann das vorliegende Verfahren auch zur Oberflächen-Bearbeitung oder -Beschichtung eingesetzt werden, indem ionisierbare Materie für lithographische Zwecke mit hoher Eindringungstiefe auf eine Oberfläche gerichtet werden. Schließlich ist es auch möglich, zum Zwecke der Dotierung von Halbleitermaterialien das vorliegende Verfahren zur Beschleunigung von Teilchen heranzuziehen. Prinzipiell kann auch ein nach dem beschriebenen Verfahren arbeitender Drucker aufgebaut werden, in dem die auf einen Unterdruck aufzutragende Substanz durch das vorliegende Verfahren beschleunigt wird.Finally, the present method can also be used for surface treatment or coating by directing ionizable matter onto a surface for high-penetration lithography purposes. Finally, it is also possible to use the present method for accelerating particles for the purpose of doping semiconductor materials. In principle, a printer operating according to the described method can also be set up, in which the substance to be applied to a negative pressure is accelerated by the present method.

Auch die Entsalzung von Meerwasser wäre mit dem vorliegenden Verfahren schneller und effizienter möglich, da die Salzionen in der magnetischen Düse außen an den Feldlinien kumulieren und einfach abgeführt werden könnten.The desalination of seawater would be faster and more efficient with the present method, since the salt ions in the magnetic nozzle outside accumulate on the field lines and could be easily dissipated.

Schließlich könnte nach dem vorliegenden Verfahren auch das elektrische Potenzial um ein Raumfahrzeug neutralisiert werden.Finally, according to the present method, the electric potential around a spacecraft could also be neutralized.

Weiters ist durch das fluktuierende Magnetfeld ein besserer Schutz gegen α- und β-Partikel geboten, da das Magnetfeld für diese Teilchen ein besseres Bremspotenzial darstellt. Somit könnten nach dem vorliegenden Verfahren angetriebene Raumfahrzeuge besser gegen hochenergetische Plasmenverteilungen, wie sie z.B. bei den Sonnenwinden auftreten, geschützt werden. In der Folge müssten Raumfahrten nicht mehr so stark nach dem Sonnenzyklus und dem Auftreten von Sonnenwinden ausgerichtet werden, da durch das fluktuierende Magnetfeld ein zusätzlicher Strahlenschutz stattfindet.Furthermore, the fluctuating magnetic field offers better protection against α and β particles, since the magnetic field represents a better braking potential for these particles. Thus, spacecraft powered by the present method would be better able to withstand high energy plasma distributions, such as those found in e.g. to be protected in the solar winds. As a result, space travel would no longer have to be so strongly aligned with the solar cycle and the occurrence of solar winds, since the fluctuating magnetic field causes additional radiation protection.

Die oben genannten Anwendungen stellen nur einige Möglichkeiten dar.The above applications are only a few possibilities.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine oben erwähnte Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen gelöst, bei der die zumindest eine Sekundärspule entgegengesetzt der Einrichtung zur Erzeugung des Primärfeldes gepolt ist und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird, wodurch das magnetische Primärfeld durch das magnetische Sekundärfeld periodisch deformiert wird und in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfvén-Wellen gebildet werden, die sich mit der Alfvén-Geschwindigkeit ausbreiten, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfvén-Wellen Masse transportiert wird. Die wesentlichen Konstruktionsmerkmale bestehen daher in zwei unterschiedlich gepolten Feldspulen, durch welche eine Deformation des Magnetfeldes und somit die Alfvén-Wellen gebildet werden. Durch die Einhaltung der bereits oben erwähnten Alfvén-Grenze eignen sich die Alfvén-Wellen zum Transport von Masse.The object according to the invention is also achieved by an above-mentioned device for producing Alfvén waves, in which the at least one secondary coil is polarized opposite to the device for generating the primary field and is supplied with an oscillating electrical signal, whereby the magnetic primary field through the secondary magnetic field periodically deformed and in the ionizable matter present in this magnetic field Alfvén waves are formed, which propagate at the Alfvén velocity, the field strength of the magnetic field is greater than the kinetic energy of the magnetic field material, so that by the Alfvén- waves Mass is transported. The essential design features are therefore in two differently polarized field coils, by which a deformation of the magnetic field and thus the Alfvén waves are formed. By complying with the Alfvén limit already mentioned above, the Alfvén waves are suitable for transporting mass.

Die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes kann durch eine Spule oder auch einen Permanentmagneten gebildet sein.The device for generating the primary magnetic field may be formed by a coil or a permanent magnet.

Vorteilhafterweise sind die Spulen zur Bildung des Magnetfeldes flüssigkeitsgekühlt ausgebildet. Durch die Flüssigkeitskühlung können die hohen Betriebstemperaturen reduziert und somit die mechanische Festigkeit erhöht werden.Advantageously, the coils for forming the magnetic field are formed liquid-cooled. The liquid cooling can reduce the high operating temperatures and thus increase the mechanical strength.

Eine weitere Verbesserung und eine Reduktion des elektrischen Widerstands der Spulen wird dadurch erreicht, dass supraleitende Spulen eingesetzt werden.Further improvement and reduction of the electrical resistance of the coils is achieved by using superconducting coils.

Die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie kann durch einen Behälter mit ionisierbarem Gas und eine Injektoreinrichtung zur Einbringung des ionisierbaren Gases in das Magnetfeld gebildet sein. Ein derartiger Plasmagenerator eignet sich insbesondere für die Verwendung der Einrichtung im Weltraum als Antrieb für Raumfahrzeuge.The means for providing ionizable matter may be formed by a container of ionizable gas and injector means for introducing the ionizable gas into the magnetic field. Such a plasma generator is particularly suitable for use of the device in space as a propulsion for spacecraft.

Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Quelle zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet wird, kann durch die Alfvén-Wellen eine Kompression dieser im Magnetfeld befindlichen Flüssigkeit erfolgen. Diese Ausführungsvariante, bei der die Flüssigkeit als Durchsatzmasse verwendet wird, welche gelöste Ionen enthält, eignet sich insbesondere als hydrodynamischer Antrieb, beispielsweise für Wasserfahrzeuge, wie z.B. U-Boote. Der Vorteil dabei besteht darin, dass ohne bewegliche Teile des Antriebs Wasser bewegt werden kann. Durch seine relativ gute elektrische Leitfähigkeit bietet sich Salzwasser als ideales Medium an. Durch die Alfvén-Welle werden zwar nur die gelösten Ionen direkt beeinflusst, was durch die Streuung mit den restlichen Teilchen insgesamt nur eine geringe Strömung in Emissionsrichtung verursacht. Trotzdem finden sich auch Anwendungen für diese Variante. Durch die hohe Massendichte werden dabei nur sehr geringe Alfvén-Geschwindigkeiten erreicht, weshalb der Arbeitsbereich der elastischen Beschleunigung der Emissionsmasse anzuwenden ist. Beispielsweise kann die Einrichtung als besonders leiser und schwer ortbarer U-Boot-Antrieb oder als hydrodynamische Pumpe eingesetzt werden. Da eine derartige Pumpe selbst keine beweglichen Teile hat, bietet sich eine solche Variante zum Transport von Flüssigkeiten mit besonders hohen Sicherheitsanforderungen an. Beispielsweise können mit solchen Pumpen Flüssigkeiten in Bioreaktoren transportiert werden. Da keine Drehbewegung über ein Lager in den Behälter übertragen werden muss, reduziert sich das Sicherheitsrisiko einer undichten Stelle und gleichzeitig fällt der Kostenfaktor weg, der durch den regelmäßigen Tausch der Lager normalerweise anfällt. Es sind weiters keine mechanisch beweglichen Teile vorhanden, durch welche die Biomasse Schaden nehmen kann.When the device for providing ionizable matter is formed by a source for supplying electrically conductive liquid, the Alfvén waves can cause compression of this liquid in the magnetic field. This embodiment, in which the liquid is used as a throughput mass containing dissolved ions, is particularly suitable as a hydrodynamic drive, for example for watercraft, such as submarines. The advantage of this is that water can be moved without moving parts of the drive. Due to its relatively good electrical conductivity, salt water is an ideal medium. Although only the dissolved ions are directly influenced by the Alfvén wave, this only causes a small flow in the emission direction due to the scattering with the remaining particles. Nevertheless, there are also applications for this variant. Due to the high mass density only very low Alfvén speeds are achieved, which is why the working range of the elastic acceleration of the emission mass apply is. For example, the device can be used as a particularly quiet and difficult to locate submarine drive or as a hydrodynamic pump. Since such a pump itself has no moving parts, such a variant is suitable for transporting liquids with particularly high safety requirements. For example, liquids can be transported in bioreactors with such pumps. Since there is no need to transmit a rotary motion into the container via a bearing, the safety risk of a leak is reduced and, at the same time, the cost factor that is normally incurred due to the regular replacement of the bearings is eliminated. Furthermore, there are no mechanically moving parts through which the biomass can be damaged.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung zur Phasenverzögerung der erzeugten Alfvén-Wellen vorgesehen. Eine derartige Phasenverzögerung kann eine Reduktion der Alfvén-Geschwindigkeit, welche in manchen Fällen von Vorteil sein kann, erzielt werden.According to a further feature of the invention, means are provided for phase-delaying the generated Alfvén waves. Such a phase delay can achieve a reduction in Alfvén velocity, which in some cases can be beneficial.

Schließlich können Einrichtungen zur Fokussierung des Magnetfeldes vorgesehen sein. Diese können magnetisch oder auch mechanisch durch entsprechende Anordnung der Magnetspulen realisiert werden.Finally, means for focusing the magnetic field can be provided. These can be realized magnetically or mechanically by appropriate arrangement of the magnetic coils.

Die Fokussiereinrichtung kann durch die Primärspule und allenfalls Sekundärspule mit einem Magnetkern aus verschiedenen Materialien, beispielsweise auf Basis eines FFAG (Fixed Field Alternating Gradient)-Kerns gebildet sein.The focusing device can be formed by the primary coil and possibly secondary coil with a magnetic core of different materials, for example based on a FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) core.

Vorteilhafterweise ist eine magnetische Abschirmung vorgesehen, welche empfindliche, insbesondere elektronische, Baugruppen von den relativ hohen Magnetfeldern der Spulen schützt. Dabei kommen übliche magnetisch leitende Abschirmmaterialien zur Anwendung.Advantageously, a magnetic shield is provided which protects sensitive, in particular electronic, assemblies from the relatively high magnetic fields of the coils. The usual magnetically conductive shielding materials are used.

Wenn die magnetische Abschirmung eine an der der Austrittsrichtung der Alfvén-Wellen gegenüberliegenden Seite des Magnetfeldes angeordnete Abschirmplatte beinhaltet, wird eine zusätzliche Fokussierung des Magnetfeldes erzielt.If the magnetic shield comprises a shielding plate arranged on the side of the magnetic field opposite the direction of exit of the Alfvén waves, an additional focusing of the magnetic field is achieved.

Zur Steuerung der Deformation der Magnetfelder ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche mit den elektrischen Versorgungseinrichtungen für die Spulen verbunden ist. Eine derartige Steuerschaltung kann durch einen Mikroprozessor mit entsprechenden Schnittstellen zu den Versorgungseinheiten der Spulen gebildet sein.For controlling the deformation of the magnetic fields, a control device is provided, which is connected to the electrical supply devices for the coils. Such a control circuit can by a microprocessor with appropriate interfaces to the supply units of Coils are formed.

Dabei kann die Steuereinrichtung durch einen Rechner gebildet werden, wobei beginnend von einem Mikrocontroller über einen Mikrocomputer bis hin zu einer Rechnereinheit Ausführungsvarianten möglich sind.In this case, the control device can be formed by a computer, wherein starting from a microcontroller via a microcomputer to a computer unit execution variants are possible.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Triebwerk für ein Fahrzeug mit einer oben erwähnten Einrichtung gelöst.The object of the invention is also achieved by an engine for a vehicle with an above-mentioned device.

Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch einen Plasma-Generator gebildet ist und mit Hilfe der Alfvén-Wellen nach dem Rückstoßprinzip ein Schub erzeugt wird, können geeignete Triebwerke für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, wie Raketen oder Satelliten, geschaffen werden. Der bevorzugte Arbeitsbereich für den Betrieb mit ionisiertem Gas liegt im Bereich inelastischer Kompression der Emissionsmasse. Die Alfvén-Wellen reduzieren das Einschlussvolumen des von einer beliebigen Plasmaquelle einströmenden Mediums schneller als dieses sich aus dem trichterförmigen Magnetfeld entspannen kann. Der während der kurzen Pulsdauer zugeführte hohe Impuls heizt das Plasma auf, was zu einer höheren Schall- und damit Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas führt. Als Plasmaquelle kann dabei ein beliebiger Ionisationsmechanismus dienen, wobei sich die dafür aufgewandte Leistung auf die Ionisation des Gases beschränken kann. Die thermische Senke für den primären Beschleunigungsmechanismus wird nach dem Carnot-Prinzip durch die Alfvén-Wellen erzeugt. Trotzdem kann auch ein bereits durch einen anderen Mechanismus beschleunigter Plasma-Strahl durch die Wirkung von Alfvén-Wellen eine zusätzliche Beschleunigung erfahren. Der wesentliche Vorteil besteht in der Erreichbarkeit hoher Ausströmgeschwindigkeiten, weshalb sich ein derartiges PlasmaTriebwerk auf Alfvén-Wellen-Basis besonders für den Antrieb für Raumfahrzeuge eignet. Dabei können die Triebwerke zur Lageregelung von Satelliten eingesetzt werden, wodurch sich durch den geringen Massendurchsatz derartiger Triebwerke die Lebensdauer moderner Satelliten, welche normalerweise durch den internen Treibstoff-Vorrat begrenzt ist, erhöht. Bahn- und Lageregelungen sind zum Ausgleich von Gravitations-Anomalien, Sonnenwind usw. notwendig.When the device for providing ionizable matter is constituted by a plasma generator and thrust is generated by means of the Alfvén waves according to the recoil principle, suitable engines for vehicles, in particular spacecraft such as rockets or satellites, can be created. The preferred operating range for ionized gas operation is in the range of inelastic compression of the emission mass. The Alfvén waves reduce the confinement volume of the medium flowing in from any plasma source faster than it can relax from the funnel-shaped magnetic field. The high pulse applied during the short pulse duration heats the plasma, which leads to a higher sound and thus expansion speed of the plasma. In this case, any ionization mechanism can serve as a plasma source, with the power used for this purpose being limited to the ionization of the gas. The thermal sink for the primary accelerator mechanism is generated by the Alfvén waves according to the Carnot principle. Nevertheless, even an accelerated by another mechanism plasma beam by the action of Alfvén waves can experience additional acceleration. The main advantage is the accessibility of high outflow velocities, which is why such an Alfvén-wave-based plasma engine is particularly suitable for spacecraft propulsion. The engines can be used for attitude control of satellites, which increases the life of modern satellites, which is usually limited by the internal fuel supply, due to the low mass flow rate of such engines. Track and attitude controls are necessary to compensate for gravitational anomalies, solar wind, etc.

Ebenso können derartige Triebwerke als so genannter Kick-Booster für den Antrieb von Satelliten zum Transportieren in seine Ziellage eingesetzt werden. Durch ein derartiges Triebwerk mit relativ geringem Treibstoffbedarf kann die Gesamtmasse reduziert oder die Nutzlast erhöht werden. Durch Möglichkeit der Erhöhung der Nutzlast können beispielsweise mehr Transponder in einem Satelliten untergebracht werden, wodurch enorme Einsparungspotenziale möglich sind oder umgekehrt höhere Transponderkapazitäten genutzt werden.Likewise, such engines can be used as a so-called kick booster for driving satellites to transport to its destination. By such an engine With relatively low fuel requirements, the total mass can be reduced or the payload can be increased. By increasing the payload, for example, more transponders can be accommodated in a satellite, whereby enormous potential savings are possible or vice versa higher transponder capacities are used.

Durch hohe Ausströmgeschwindigkeiten und geringen Massendurchsatz derartiger Triebwerke sind lange Beschleunigungsphasen möglich, welche sich für wissenschaftliche interplanetare Missionen besonders eignen und die Reisezeiten verkürzen können.Due to high exhaust velocities and low mass flow rates of such engines, long acceleration phases are possible, which are particularly suitable for scientific interplanetary missions and can shorten travel times.

Experimentelle Anwendungen, beispielsweise in Plasma-Windkanälen, zur Simulation der Interaktion schneller Eintrittskörper in den oberen dünnen Schichten planetarer Atmosphären sind auch möglich. Durch die Variationsmöglichkeiten eines auf Alfvén-Wellen basierenden Mechanismus kann das Spektrum solcher Untersuchungen erweitert werden.Experimental applications, for example in plasma wind tunnels, for simulating the interaction of fast entrance bodies in the upper thin layers of planetary atmospheres are also possible. The potential for variation of a Alfvén wave-based mechanism broadens the scope of such investigations.

Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Einrichtung zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet wird, können die Triebwerke als Antrieb von Fahrzeugen im Wasser, beispielsweise für U-Boote, eingesetzt werden.According to a further feature of the invention, when the means for providing ionizable matter is constituted by a means for supplying electrically conductive liquid, the engines may be used to propel vehicles in the water, for example for submarines.

Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch ein Lichtbogentriebwerk gebildet ist, kann die durch das Lichtbogentriebwerk bereits beschleunigte Materie nach dem Nachbrennerprinzip zusätzlich beschleunigt werden.If the device for providing ionizable matter is formed by an arc engine, the matter already accelerated by the arc engine can be additionally accelerated according to the afterburner principle.

Andere Anwendungen, wie z.B. zur Herstellung von Plasma-Strahlen hoher kinetischer Energie als Waffe oder als Pumpe ohne bewegliche Teile, sind ebenfalls möglich.Other applications, such as for producing plasma beams of high kinetic energy as a weapon or as a pump without moving parts are also possible.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen, welche Schemata und Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, which show schematic and exemplary embodiments.

Darin zeigen:

• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen;
• Fig. 2a und 2b zwei schematische Ansichten zur Veranschaulichung des Wirkungsmechanismus bei der Deformierung der Magnetfelder;
• Fig. 3a bis 3d verschiedene Kurvenformen des Stromes zur Versorgung der Sekundärspule;
• Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Plasmatriebwerkes;
• Fig. 5 ein Blockschaltbild eines hydrodynamischen Antriebs gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 6 ein Blockschaltbild eines praktischen Versuchsaufbaus zum Testen der Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen;
• Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen; und
• Fig. 9a bis 9c schematische Schaltbilder zur Erklärung der Berechnung der Auslenkung der Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen im Test gemäß Fig. 6.

Show:

• Fig. 1 a schematic view of a device for generating Alfvén waves;
• Fig. 2a and 2b two schematic views illustrating the mechanism of action in the deformation of the magnetic fields;
• Fig. 3a to 3d various waveforms of the current to supply the secondary coil;
• Fig. 4 a block diagram of a plasma engine according to the invention;
• Fig. 5 a block diagram of a hydrodynamic drive according to the present invention;
• Fig. 6 a block diagram of a practical experimental setup for testing the function of the method according to the invention;
• Fig. 7 a block diagram of a device for generating Alfvén waves;
• Fig. 8 a block diagram of another device for generating Alfvén waves; and
• Fig. 9a to 9c schematic diagrams for explaining the calculation of the deflection of the device for generating Alfvén waves in the test according to Fig. 6 ,

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine magnetische Düse 1 einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen, wobei eine Primärspule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Primärfeldes vorgesehen ist. Neben der Primärspule 2 befindet sich zumindest eine Sekundärspule 3, welche zur Primärspule 2 entgegengesetzt gepolt ist, und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird. Dadurch wird ein Magnetfeld hervorgerufen, welches periodisch deformiert wird. Durch die Spulen 2, 3 wird ein Rohr 4 geleitet, welches mit der Primärspule 2 abschließt. Seitlich neben der Sekundärspule 3 gegenüberliegend der Primärspule 2 befindet sich eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik und andere Komponenten von den Magnetfeldern der Spulen 2, 3 schützt. Das zentrale Rohr 4 beinhaltet einen Ionisationsmechanismus, beispielsweise auf Basis einer elektrischen Entladung. Die ionisierbare Materie wird über das Rohr 4 in das Magnetfeld geleitet. Anstelle einer Plasmaquelle kann auch eine gelöste Ionen enthaltene Flüssigkeit eingesetzt werden. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann das magnetische Primärfeld auch durch Permanentmagnete aufgebaut werden. Fig. 1 shows the section through a magnetic nozzle 1 of a device for generating Alfvén waves, wherein a primary coil 2 is provided for generating a magnetic primary field. In addition to the primary coil 2 is at least one secondary coil 3, which is polarized opposite to the primary coil 2, and is supplied with an oscillating electrical signal. This causes a magnetic field which is periodically deformed. Through the coils 2, 3, a pipe 4 is passed, which terminates with the primary coil 2. On the side next to the secondary coil 3, opposite the primary coil 2, there is a shielding plate 5, which protects the electronics and other components from the magnetic fields of the coils 2, 3. The central tube 4 includes an ionization mechanism, for example based on an electrical discharge. The ionizable matter is conducted via the tube 4 into the magnetic field. Instead of a plasma source, it is also possible to use a liquid containing dissolved ions. As already mentioned above, the magnetic primary field can also be built up by permanent magnets.

Der Wirkungsmechanismus wird besser anhand der Figuren 2a und 2b ersichtlich, welche schematisch die magnetische Düse 1 bei unterschiedlichen Schaltzuständen der Sekundärspule 3 zeigen. Gemäß Fig. 2a ist die Sekundärspule 3 ausgeschaltet und die Primärspule 2 liefert ein Magnetfeld, welches aufgrund der Abschirmplatte 5 zur Öffnung des Rohres 4 hin trichterförmig verläuft. Die durch das Rohr 4 geleitete Materie folgt diesem trichterförmigen Verlauf an der Öffnung des Rohres 4.The mechanism of action is better based on the FIGS. 2a and 2b which schematically show the magnetic nozzle 1 at different switching states of the secondary coil 3. According to Fig. 2a is the secondary coil 3 is turned off and the primary coil 2 provides a magnetic field, which is funnel-shaped due to the shield plate 5 to the opening of the tube 4 out. The matter conducted through the pipe 4 follows this funnel-shaped course at the opening of the pipe 4.

Wird nun entsprechend Fig. 2b die Sekundärspule 3 zugeschaltet, deformiert sich das Magnetfeld der Primärspule 2 und die Feldlinien engen sich am Ausgang des Rohres 4 ein, wodurch die durch die Alfvén-Wellen transportierte Materie entsprechend eingeschnürt wird.Will now be appropriate Fig. 2b the secondary coil 3 is switched on, the magnetic field of the primary coil 2 is deformed and the field lines are narrowed at the exit of the tube 4, whereby the matter transported by the Alfvén waves is constricted accordingly.

Es resultiert somit eine oszillierende Strömung der ionisierten Materie. Aufgrund der Berücksichtigung der Alfvén-Grenze wird durch die Alfvén-Wellen ein Massentransport möglich. Dazu muss die magnetische Feldstärke größer sein als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teilchen. Die Alfvén-Grenze bestimmt also, ob die Alfvén-Wellen überhaupt Masse transportieren können.This results in an oscillating flow of ionized matter. Considering the Alfvén border, the Alfvén waves enable mass transport. For this, the magnetic field strength must be greater than the kinetic energy of the interacting particles. The Alfvén boundary determines whether the Alfvén waves can transport mass at all.

Weiters ist der Wirkungsquerschnitt wesentlich dafür, ob die Alfvén-Wellen die Emissionsmasse überhaupt komprimieren können. Dieser Grenzwert wird im Allgemeinen als unkritisch betrachtet. Die Kompressibilität des eingeschlossenen Mediums hängt von der Alfvén-Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit des eingeschlossenen Mediums ab.Furthermore, the cross-section is crucial for whether the Alfvén waves can compress the emission mass at all. This limit is generally considered uncritical. The compressibility of the enclosed medium depends on the Alfvén velocity as a function of the speed of sound of the enclosed medium.

Die Figuren 3a bis 3d zeigen verschiedene Formen des Stromes zur Ansteuerung der Sekundärspule 3, welche an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden können. In der Praxis'hat sich gezeigt, dass bei einer Signalform gemäß Fig.3a vorteilhafterweise die Steilheit der ansteigenden und allenfalls auch der abfallenden Flanke verringert werden sollte. Es resultiert also quasi ein trapezförmiger Verlauf des Stromes zur Ansteuerung der Sekundärspule 3. Dadurch können Spannungsspitzen reduziert werden. Darüber hinaus kann auch ein sinusförmiger Wechselstrom zur Ansteuerung der Sekundärspule 3 verwendet werden. Auch durch Verwendung asymmetrischer Ansteuerungssignale können Verbesserungen erzielt werden.The FIGS. 3a to 3d show various forms of current for driving the secondary coil 3, which can be adapted to the respective applications. In practice, it has been shown that in the case of a signal form according to 3a Advantageously, the slope of the rising and possibly also the falling edge should be reduced. Thus, a trapezoidal profile of the current results in the quasi-secondary current control of the secondary coil 3. As a result, voltage peaks can be reduced. In addition, a sinusoidal alternating current for driving the secondary coil 3 can be used. Improvements can also be achieved by using asymmetric drive signals.

Simulationen haben gezeigt, dass mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens zur Erzeugung von Alfvén-Wellen bzw. mit einer derartigen Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen Emissionsgeschwindigkeiten und Wirkungsgrade erzielt werden können, welche einen Antrieb bzw. eine Quelle für Plasma-Strahlen hoher kinetischer Energie effizient einsetzbar machen. Somit kann ein Antrieb auf Basis der Nutzung des Massentransportes von Alfvén-Wellen eine Bereicherung, insbesondere im Bereich der Raumfahrt, darstellen.Simulations have shown that emission speeds and efficiencies which efficiently drive a high kinetic energy source plasma jet can be achieved by the present Alfvén wave generation method and apparatus make it usable. Thus, a drive based on the use of the mass transport of Alfvén waves can enrich, in particular in the field of space travel represent.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines auf der vorliegenden Erfindung basierenden Plasmatriebwerkes, umfassend die bereits beschriebene magnetische Düse 1, umfassend die Primärspule 2 und zumindest eine Sekundärspule 3, welche zur Primärspule 2 entgegengesetzt gepolt ist und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird. Durch die Spulen 2, 3 wird ein Rohr 4 geleitet, welches im Bereich der Primärspule 2 abschließt. Seitlich neben der Sekundärspule 3 befindet sich eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik gegenüber dem von den Spulen 2 und 3 hervorgerufenen Magnetfeld abschirmt. Die Abschirmplatte 5 verhindert eine Expansion der magnetischen Feldlinien des von der Sekundärspule 3 erzeugten Sekundärfeldes in die Gegenrichtung zur Primärspule 2. Die Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie ist im gegebenen Beispiel durch einen Treibstofftank 9 und ein Steuerventil 10 für die Versorgung einer Ionisationskammer 11 mit Treibstoff aus dem Treibstofftank 9 gebildet. Die Emissionsmasse wird aus dem Treibstofftank 9 über das Steuerventil 10 in die Ionisationskammer 11 geleitet. Der ionisierte Treibstoff strömt als Plasma durch das Rohr 4 in die magnetische Düse 1, welche durch das von der Primärspule 2 erzeugte Primärfeld gebildet wird. Durch die Interaktion mit dem von der oszillierend versorgten Sekundärspule 3 erzeugten Sekundärfeld wird das Primärfeld durch die entgegengesetzte Polarität des Sekundärfeldes periodisch deformiert, wodurch sich die magnetische Düse 1 durch die Wirkung der dabei auftretenden Alfvén-Wellen pulsierend verengt, wodurch sich ein Beschleunigungsmechanismus einstellt. Dieser Beschleunigungsmechanismus wird durch das Vorhandensein der Abschirmplatte 5 unterstützt, da sich das Sekundärfeld nicht in die Gegenrichtung zur Primärspule 2 ausbreiten kann. Die dargestellte Plasmaquelle als Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie stellt nur eine mögliche Alternative dar. Im Prinzip kann das System auch andere Einrichtungen 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie enthalten. Die Spulen 2, 3 aber auch andere Komponenten werden mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung 6 mit entsprechender elektrischer Energie versorgt. Eine Steuereinrichtung 7, welche sowohl mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 6 als auch mit den Spulen 2, 3 und Komponenten der Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie verbunden ist, dient zur Steuerung der einzelnen Komponenten. Diese Steuereinrichtung 7 kann durch einen Rechner, einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller gebildet sein. Fig. 4 FIG. 12 is a block diagram of a plasma engine based on the present invention, including the already existing one described magnetic nozzle 1, comprising the primary coil 2 and at least one secondary coil 3, which is opposite polarity to the primary coil 2 and is supplied with an oscillating electrical signal. Through the coils 2, 3 a pipe 4 is passed, which terminates in the region of the primary coil 2. On the side next to the secondary coil 3 is a shield plate 5, which shields the electronics from the magnetic field caused by the coils 2 and 3. The shielding plate 5 prevents expansion of the magnetic field lines of the secondary field generated by the secondary coil 3 in the opposite direction to the primary coil 2. The device 8 for providing ionizable matter is in the example given by a fuel tank 9 and a control valve 10 for supplying an ionization chamber 11 with fuel formed from the fuel tank 9. The emission mass is conducted from the fuel tank 9 via the control valve 10 into the ionization chamber 11. The ionized fuel flows as plasma through the tube 4 into the magnetic nozzle 1, which is formed by the primary field generated by the primary coil 2. Due to the interaction with the secondary field generated by the oscillatingly supplied secondary coil 3, the primary field is periodically deformed by the opposite polarity of the secondary field, whereby the magnetic nozzle 1 narrows in a pulsating manner by the action of the Alfvén waves that occur, thereby establishing an acceleration mechanism. This acceleration mechanism is assisted by the presence of the shielding plate 5, since the secondary field can not propagate in the opposite direction to the primary coil 2. The illustrated plasma source as means 8 for providing ionizable matter is only one possible alternative. In principle, the system may also contain other means 8 for providing ionizable matter. The coils 2, 3 but also other components are supplied with an electrical supply device 6 with corresponding electrical energy. A control device 7, which is connected both to the electrical supply device 6 and to the coils 2, 3 and components of the device 8 for providing ionizable matter, serves to control the individual components. This control device 7 may be formed by a computer, a microprocessor or a microcontroller.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen, bei der die Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie aus einem Einlasskanal 12 besteht, durch welchen ionisierbare Flüssigkeit strömen kann. Über ein Steuerventil 13 wird die Durchsatzmasse der durch den Einlasskanal 12 einströmenden Flüssigkeit eingestellt und diese in das Rohr 4 weitergeleitet. Im Zentrum des Rohres 4 befindet sich eine als Kathode polarisierte Elektrode 14 und konzentrisch dazu eine als Anode ausgebildete Elektrode 15 zur Bildung einer Entladungsstrecke. Die Elektroden 14, 15 sind mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 6 verbunden. Die Durchsatzmasse strömt durch den Einlasskanal 12 über das Steuerventil 13 in das Rohr 4 der magnetischen Düse 1. Die magnetische Düse 1 wird durch die Wirkung der entstehenden Alfvén-Wellen pulsierend verengt, wodurch ein Beschleunigungsmechanismus resultiert. Über die zwischen den Elektroden 14, 15 gebildete Entladungsstrecke kann die Ionendichte am Eingang der magnetischen Düse 1 erhöht werden. Die einzelnen Komponenten können wiederum durch eine Steuereinrichtung 7 entsprechend gesteuert werden. Eine derartige Magneto-Hydro-Dynamische Variante kann beispielsweise zur Bildung eines Antriebs für U-Boote oder für hydrodynamische Pumpen verwendet werden. Auch hier befindet sich vorteilhafterweise neben der Sekundärspule 3 eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik gegenüber dem Magnetfeld abschirmt und eine Expansion der magnetischen Feldlinien in Gegenrichtung zur Primärspule 2 verhindert. Auch wenn die magnetische Abschirmung durch die Abschirmplatte 5 nicht vollständig gewährleistet ist, erfolgt dadurch in jedem Fall eine elektrische Abschirmung. Fig. 5 FIG. 12 shows a block diagram of another embodiment of an apparatus according to the invention for producing Alfvén waves, in which the device 8 for providing ionizable matter consists of an inlet channel 12 through which ionisable liquid can flow. Via a control valve 13, the throughput of the liquid flowing through the inlet channel 12 is adjusted and forwarded to the pipe 4. In the center of the tube 4 there is an electrode 14 polarized as a cathode and, concentrically therewith, an electrode 15 designed as an anode for forming a discharge gap. The electrodes 14, 15 are connected to the electrical supply device 6. The throughput mass flows through the inlet channel 12 via the control valve 13 into the tube 4 of the magnetic nozzle 1. The magnetic nozzle 1 is narrowed by the action of the resulting Alfvén waves pulsating, resulting in an acceleration mechanism. About the discharge gap formed between the electrodes 14, 15, the ion density at the entrance of the magnetic nozzle 1 can be increased. The individual components can in turn be correspondingly controlled by a control device 7. Such a magneto-hydro-dynamic variant can be used, for example, to form a drive for submarines or for hydrodynamic pumps. Here, too, there is advantageously, in addition to the secondary coil 3, a shielding plate 5 which shields the electronics from the magnetic field and prevents expansion of the magnetic field lines in the opposite direction to the primary coil 2. Even if the magnetic shielding is not completely guaranteed by the shielding plate 5, electrical shielding always takes place in this case.

Anhand der Fig. 6 bis 9 wird ein praktisches Beispiel erläutert und die ermittelten Messwerte simulierten Werten werden gegenübergestellt.Based on Fig. 6 to 9 A practical example is explained and the measured values obtained are compared with simulated values.

Im Folgenden werden die wichtigsten mathematischen Grundlagen der numerischen Simulation zum Beschleunigungsmechanismus von MOA vereinfacht zusammengefasst.In the following, the most important mathematical foundations of the numerical simulation for the acceleration mechanism of MOA are simplified summarized.

Die Phasengeschwindigkeit einer Alfvén-Welle kann entsprechend den Gleichungen von Hannes Alfvén entweder aus der Ladungsdichte oder aus der Massendichte des von der Welle durchlaufenen Mediums berechnet werden. Im vorliegenden Fall wird wegen des Zusammenhangs mit der Durchsatzmasse eines Triebwerks die Variante mit der Massendichte bevorzugt: $${\mathrm{v}}_{\mathrm{Alfvén}}\mathrm{=}\mathrm{c}\mathrm{/}\mathrm{sqrt}\left(\mathrm{1}\mathrm{+}\left(\left({\mathrm{\mu }}_{\mathrm{0}}\mathrm{.}{\mathrm{c}}^{\mathrm{2}}\mathrm{.}\mathrm{phi}\right)\mathrm{/}{\mathrm{B}}^{\mathrm{2}}\right)\right)$$

wobei gilt:

c =

Vakuumlichtgeschwindigkeit

µ₀ =

magnetische Feldkonstante

phi =

Massendichte

B =

magnetische Flussdichte

The phase velocity of an Alfvén wave can be calculated according to the equations of Hannes Alfvén either from the charge density or from the mass density of the medium traversed by the wave. In the present case, because of the relationship with the throughput of an engine the variant with the mass density preferred: $${\mathrm{v}}_{\mathrm{Alfvén}}\mathrm{=}\mathrm{c}\mathrm{/}\mathrm{sqrt}\left(\mathrm{1}\mathrm{+}\left(\left({\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\mu "\; filenames="imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">\mu </figure-callout>}}_{\mathrm{0}}\mathrm{,}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="c"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}^{\mathrm{2}}\mathrm{,}\mathrm{phi}\right)\mathrm{/}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="B"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">B</figure-callout>}}^{\mathrm{2}}\right)\right)$$

where:

c =

Vacuum speed of light

μ ₀ =

magnetic field constant

phi =

mass density

B =

magnetic flux density

Für die Massendichte phi ist dabei zu berücksichtigen, dass der Mechanismus gepulst arbeitet. Daher gilt $$\mathrm{phi}\mathrm{=}\left(\mathrm{M}\mathrm{/}\mathrm{f}\right)\mathrm{.}\left(\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{vol}\right)$$

M =

Massendurchsatz pro Sekunde

f =

Oszillationsfrequenz des Magnetfeldes

vol =

Volumen der magnetischen Düse

For the mass density phi it has to be considered that the mechanism works pulsed. Therefore, applies $$\mathrm{phi}\mathrm{=}\left(\mathrm{M}\mathrm{/}\mathrm{f}\right)\mathrm{,}\left(\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{vol}\right)$$

M =

Mass flow rate per second

f =

Oscillation frequency of the magnetic field

vol =

Volume of the magnetic nozzle

Für den Zusammenhang zwischen Masse und Volumen ist also auch die Masse pro Oszillationstakt entscheidend.For the relationship between mass and volume, therefore, the mass per oscillation cycle is crucial.

Es sind jedoch bei der Formänderung des Magnetfeldes auch technische Faktoren zu berücksichtigen. Die Signalantwortzeit und die Grenzfrequenz der Sekundärspule 3 bestimmen den Zeitraum, der für die Ausbildung des Sekundärfeldes benötigt wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Geometrie des Primärfeldes ändert, kann geringer sein als die eigentliche Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der durch die Sekundärspule 3 verursachten Störung der Feldgeomtrie des Primärfeldes entscheidend ist, ist daher die Zeitkonstante tau zu beachten, welche durch den Zusammenhang $$\mathrm{tau}\mathrm{=}\mathrm{L}\mathrm{/}\mathrm{R}$$

gegeben ist, wobei gilt

L =

Induktivität der Spule

R =

Ohmscher Widerstand

However, technical factors have to be taken into account when changing the shape of the magnetic field. The signal response time and the cutoff frequency of the secondary coil 3 determine the time required for the formation of the secondary field. The speed at which the geometry of the primary field changes may be less than the actual Alfvén velocity V _Alfvén . Since the propagation speed of the disturbance caused by the secondary coil 3 of the field geometry of the primary field is crucial, therefore, the time constant tau is to be observed, which by the context $$\mathrm{dew}\mathrm{=}\mathrm{L}\mathrm{/}\mathrm{R}$$

where is given

L =

Inductance of the coil

R =

Ohmic resistance

Die Schaltzeit t_s der Sekundärspule 3 beträgt $${\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}\mathrm{tau}\mathrm{.2.}\mathrm{Pi}$$

und die Grenzfrequenz f_g der Sekundärspule 3 $${\mathrm{f}}_{\mathrm{g}}\mathrm{=}\mathrm{1}\mathrm{/}{\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}$$

The switching time t _{s of} the secondary coil 3 is $${\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}\mathrm{dew}\mathrm{.2.}\mathrm{pi}$$

and the cutoff frequency f _{g of} the secondary coil 3 $${\mathrm{f}}_{\mathrm{G}}\mathrm{=}\mathrm{1}\mathrm{/}{\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}$$

Die "technische" Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén hängt davon ab, wie schnell sich die Störung bedingt durch die Ladezeit der Sekundärspule 2 ausbreitet und lautet. $${\mathrm{v}}_{\mathrm{Alfvén}\left(\mathrm{t}\right)}\mathrm{=}\mathrm{Weg}\mathrm{/}\mathrm{t}$$

wobei der Weg die Laufstrecke der Alfvén-Welle als mittleren Deformationsweg des Feldes beschreibt. Ist diese technische Alfvén-Geschwindigkeit geringer als die physikalisch mögliche Alfvén-Geschwindigkeit, so ist V_Alfvén(t) der relevante Wert.The "technical" Alfvén speed V _Alfvén depends on how fast the disturbance propagates due to the charging time of the secondary coil 2 and is. $${\mathrm{v}}_{\mathrm{Alfvén}\left(\mathrm{t}\right)}\mathrm{=}\mathrm{path}\mathrm{/}\mathrm{t}$$

the path describing the course of the Alfvén wave as the mean deformation path of the field. If this technical Alfvén velocity is lower than the physically possible Alfvén velocity, then V _{Alfvén (t) is} the relevant value.

Mit der Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén ist nun definiert, wie schnell das Magnetfeld seine Geometrie ändern kann. Nun ist es aber entscheidend wichtig, dass mit der Alfvén-Welle zumindest im Bereich hoher Felddichte auch Materie transportiert werden kann. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist dafür die Alfvén-Grenze zu berücksichtigen, welche dann überschritten ist, wenn die kinetische Energie eines wechselwirkenden Teilchens größer ist als die lokale magnetische Feldstärke. Dazu muss zunächst die kinetische Teilchenenergie aus der Ausgangstemperatur bestimmt werden. Die thermische Teilchengeschwindigkeit ergibt sich aus: $$\mathrm{T}\mathrm{.}\mathrm{k}\mathrm{.}\left(\mathrm{3}\mathrm{/}\mathrm{2}\right)\mathrm{=}\left(\mathrm{m}\mathrm{.}{{\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

T =

Temperatur

k =

Boltzmann-Konstante

m =

Teilchenmasse

V_T =

Teilchengeschwindigkeit

The Alfvén velocity V _Alfvén now defines how fast the magnetic field can change its geometry. Now, however, it is crucial that the Alfvén wave can transport matter, at least in the area of high field density. As already mentioned above, the Alfvén limit must be taken into account, which is exceeded when the kinetic energy of an interacting particle is greater than the local magnetic field strength. For this, the kinetic particle energy must first be determined from the starting temperature. The thermal particle velocity results from: $$\mathrm{T}\mathrm{,}\mathrm{k}\mathrm{,}\left(\mathrm{3}\mathrm{/}\mathrm{2}\right)\mathrm{=}\left(\mathrm{m}\mathrm{,}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; T"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

T =

temperature

k =

Boltzmann constant

m =

particle mass

V _T =

particle

Nun kann die kinetische Teilchenenergie mit der Feldstärke in Zusammenhang gebracht werden: $$\mathrm{Kinetische\; Teilchenenergie}\mathrm{=}\left(\mathrm{m}\mathrm{.}{{\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

$$\mathrm{Grenzwert}\mathrm{=}\mathrm{Energiedichte\; des\; Feldes}\mathrm{=}\left({\mathrm{\mu }}_{\mathrm{0}}\mathrm{.}{\mathrm{B}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

µ₀ =

magnetische Feldkonstante

B =

magnetische Flussdichte

Now the kinetic particle energy can be related to the field strength: $$\mathrm{Kinetic\; particle\; energy}\mathrm{=}\left(\mathrm{m}\mathrm{,}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; T"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

$$\mathrm{limit}\mathrm{=}\mathrm{Energy\; density\; of\; the\; field}\mathrm{=}\left({\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\mu "\; filenames="imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">\mu </figure-callout>}}_{\mathrm{0}}\mathrm{,}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="B"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">B</figure-callout>}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{2}$$

μ ₀ =

magnetic field constant

B =

magnetic flux density

Ist die kinetische Teilchenenergie kleiner als der Grenzwert, ist der Massentransport durch die Alfvén-Welle möglich.If the kinetic energy of the particle is smaller than the limit, the mass transport through the Alfvén wave is possible.

Im Fall der magnetischen Düse werden die mechanischen Wandkräfte durch Teilchen gebildet, die im Bereich hoher Felddichte um die Feldlinien kreisen. Diese Lorentz-Teilchen übertragen die sogenannten JxB-Kräfte auf das Einschluss-Volumen und streuen die aus dem Einschlussbereich strebenden Teilchen, dass die darin befindliche Materie nur aus der Düsenöffnung entweichen kann. Dabei ist zu beachten, dass eine Mindestdichte an Lorentz-Teilchen entlang der magnetischen Düsenwände vorhanden sein muss, damit der Mechanismus effektiv arbeitet. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so tritt vor allem im Falle einer nicht vollständigen Ionisierung der Emissionsmasse ein Massenverlust während der Kompression auf, weil die Düsenwände "undicht" sind. Dieser Effekt lässt sich näherungsweise wie folgt darstellen $$\mathrm{J}\mathrm{=}{{\mathrm{J}}_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{x}}$$

J = nicht ionisierte Restgasmasse, die im Einschlussvolumen verbleibt
J₀ = ursprüngliche Gesamtmasse nicht ionisierten Gases im Einschlussvolumen
x = Verlust-Faktor, enthält Verhältnis zwischen Mindest- und tatsächlicher Ionendichte, kann auch als Wirkungsquerschnitt beschrieben werden.In the case of the magnetic nozzle, the mechanical wall forces are formed by particles which revolve around the field lines in the region of high field density. These Lorentz particles transfer the so-called JxB forces to the confinement volume and scatter the particles out of the confinement region, allowing the matter inside to escape only from the nozzle orifice. It should be noted that there must be a minimum density of Lorentz particles along the magnetic nozzle walls for the mechanism to work effectively. If this condition is not met, especially in the case of incomplete ionization of the emission mass, mass loss occurs during compression because the nozzle walls are "leaking". This effect can be approximated as follows $$\mathrm{J}\mathrm{=}{{\mathrm{J}}_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{x}}$$

J = non-ionized residual gas mass remaining in the inclusion volume
J ₀ = original total mass of un-ionized gas in the inclusion volume
x = loss factor, contains ratio between minimum and actual ion density, can also be described as a cross-section.

J und Jo kann dabei als Wert x von 1 dargestellt werden. Diese Parameter haben nur dann Bedeutung, wenn die Ionen- oder Plasmaquelle keine vollständige oder ausreichende Ionendichte gewährleistet. Da der eigentliche Beschleunigungsmechanismus von dieser Quelle entkoppelt ist, kann letztere energetisch auf die Bereitstellung einer Mindestionendichte optimiert werden. Für den Mechanismus selbst stellt das einen Nebenparameter dar, welcher gegebenenfalls zu berücksichtigen ist.J and Jo can be represented as the value x of 1. These parameters are only relevant if the ion or plasma source does not ensure complete or sufficient ion density. Since the actual acceleration mechanism is decoupled from this source, the latter can be energetically optimized to provide a minimum ion density. For the mechanism itself, this represents a secondary parameter which has to be considered if necessary.

Verändert das magnetische Feld nun seine Form, so dass die magnetische Düse enger wird, findet eine räumliche Kompression der darin befindlichen Masse statt, wobei die Kompressionsgeschwindigkeit der Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén entspricht. Ist diese größer als die innere Schallgeschwindigkeit der Emissionsmasse, so wird letztere inelastisch komprimert, was im Falle eines ideal plastischen Gaskörpers zu entsprechender thermischer Anregung führt.If the magnetic field now changes its shape, so that the magnetic nozzle narrows, finds a spatial compression the mass contained therein, wherein the compression speed of the Alfvén velocity V _Alfvén corresponds. If this is greater than the internal speed of sound of the emission mass, then the latter is inelastically compressed, which in the case of an ideal plastic gas body leads to corresponding thermal excitation.

Als Grundlage zur Bestimmung der durch inelastische Kompression zugeführten Energie kann man die Newton'sche Kraftgleichung $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{.}\left({\mathrm{v}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{2.}\mathrm{dl}\right)\right)$$

bei der gilt

F =

Kraft

M =

Masse

V =

Geschwindigkeit

dl =

Deformationsweg inelastisch

wie folgt ableiten $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{.}\left({{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; R"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v</figure-callout>}}_{\mathrm{R}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{2.}\mathrm{Def}\right)\right)\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{.}\left({{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; R"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v</figure-callout>}}_{\mathrm{R}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{2.}\left(\mathrm{dl}\mathrm{/}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{elast}}\right)\right)\right)$$

wobei Def den Deformations-Faktor für das Verhältnis der durch einen Impuls zugeführten Kraft zur elastisch transportierbaren und damit resultierenden Kraft darstellt. V_R beschreibt das Δv, also die Geschwindigkeitsänderung entlang einer Referenzstrecke von 1 m.The basis for determining the energy supplied by inelastic compression is Newton's Equation of Force $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{,}\left({\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v</figure-callout>}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{Second}\mathrm{dl}\right)\right)$$

in the applies

F =

force

M =

Dimensions

V =

speed

dl =

Deformation path inelastic

derive as follows $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{,}\left({{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; R"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{R}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{Second}\mathrm{Def}\right)\right)\mathrm{=}\mathrm{M}\mathrm{,}\left({{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; R"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{R}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left(\mathrm{Second}\left(\mathrm{dl}\mathrm{/}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{elast}}\right)\right)\right)$$

wherein Def represents the deformation factor for the ratio of the force applied by a pulse to the elastically transportable and thus resulting force. V _R describes the Δv, ie the change in velocity along a reference distance of 1 m.

Dementsprechend können aus diesem Faktor alle mit der ursprünglichen Gleichung zusammenhängenden Größen wie folgt abgeleitet werden $$\mathrm{Def}\mathrm{=}{\mathrm{F}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{/}{\mathrm{F}}_{\mathrm{res}}\mathrm{=}{{\mathrm{v}}_{\mathrm{ind}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}{{\mathrm{v}}_{\mathrm{res}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{=}{\mathrm{I}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{/}{\mathrm{I}}_{\mathrm{res}}\mathrm{=}\mathrm{dl}\mathrm{/}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{elast}}$$

wobei dl_elast den elastischen Anteil innerhalb des Gesamtdeformationsweges darstellt. Im Fall einer voll elastischen Deformation hat Def daher stets den Wert 1. Damit wird klar, dass sich aus dem Verhältnis der Weglängen ein dimensionsloser Faktor definieren lässt.Accordingly, from this factor, all quantities related to the original equation can be derived as follows $$\mathrm{Def}\mathrm{=}{\mathrm{F}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{/}{\mathrm{F}}_{\mathrm{res}}\mathrm{=}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; ind"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{ind}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{/}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="v\; res"\; filenames="imgf0001.png,imgf0002.png"\; state="\{\{state\}\}">v\; </figure-callout>}}_{\mathrm{res}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{=}{\mathrm{I}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{/}{\mathrm{I}}_{\mathrm{res}}\mathrm{=}\mathrm{dl}\mathrm{/}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{elast}}$$

where dl _{elast represents} the elastic fraction within the total _{deformation path} . Therefore, in the case of a fully elastic deformation, Def always has the value 1. This makes it clear that a dimensionless factor can be defined from the ratio of the path lengths.

Stellt I_ind den Impuls dar, welcher von der Alfvén-Welle zugeführt wird, so ist I_res der Anteil davon, welcher elastisch durch das komprimierte Medium transportiert werden kann. $${\mathrm{I}}_{\mathrm{def}}\mathrm{=}{\mathrm{I}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{-}{\mathrm{I}}_{\mathrm{res}}$$

ist also der Anteil des zugeführten Impulses, welcher in irreversible Deformation umgesetzt wird. Bei Gasen und Plasmen als ideal plastische Körper ohne Schermodul wird diese inelastische Deformation vollständig in Wärme umgesetzt.I _{Ind represents} the impulse which of the Alfvén wave is supplied, so I _{res is} the proportion thereof, which can be transported elastically through the compressed medium. $${\mathrm{I}}_{\mathrm{def}}\mathrm{=}{\mathrm{I}}_{\mathrm{ind}}\mathrm{-}{\mathrm{I}}_{\mathrm{res}}$$

So is the proportion of the supplied pulse, which is converted into irreversible deformation. For gases and plasmas as ideal plastic bodies without shear modulus, this inelastic deformation is completely converted into heat.

Sind also die Schallgeschwindigkeit des zu komprimierenden Mediums und die Alfven-Geschwindigkeit bekannt, kann daraus auch der Faktor für die Impulsverteilung bestimmt werden. Da sowohl die Masse pro Oszillationstakt als auch die Masse eines Teilchens bekannt sind, kann aus der Zahl der Teilchen sowie eben deren Masse die mittlere Impulsänderung und damit auch die mittlere Teilchengeschwindigkeit und die Temperatur ermittelt werden.Thus, if the speed of sound of the medium to be compressed and the Alfven velocity are known, the factor for the momentum distribution can also be determined from this. Since both the mass per oscillation cycle and the mass of a particle are known, the average change in momentum and thus also the average particle velocity and the temperature can be determined from the number of particles as well as their mass.

Daraus folgt im Plasma die neue Schallgeschwindigkeit aus neuer Temperatur aus $${\mathrm{v}}_{\mathrm{c}}\mathrm{=}{\mathrm{v}}_{\mathrm{t}}\mathrm{.}\mathrm{sqrt}\left(\mathrm{l}\mathrm{+}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}\mathrm{/}{\mathrm{T}}_{\mathrm{i}}\right)\right)$$

dabei sind

V_c =

Ionenschallgeschwindigkeit

V_t =

mittlere Teilchengeschwindigkeit der Ionen

T_i =

Ionentemperatur

T_e =

Elektronentemperatur

From this follows in the plasma the new speed of sound from new temperature $${\mathrm{v}}_{\mathrm{c}}\mathrm{=}{\mathrm{v}}_{\mathrm{t}}\mathrm{,}\mathrm{sqrt}\left(\mathrm{l}\mathrm{+}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{e}}\mathrm{/}{\mathrm{T}}_{\mathrm{i}}\right)\right)$$

are there

V _c =

Ion speed of sound

V _t =

mean particle velocity of the ions

T _i =

ion temperature

T _e =

electron temperature

Im vereinfachten Modell werden Ionen- und Elektronentemperatur als gleich angenommen. In der Praxis haben die Elektronen eine höhere Temperatur als die Ionen, weshalb eine Vereinheitlichung der Temperaturen als "worst-case"-Annahme gelten kann. Obwohl die Verteilung der Impulse im Plasma von der Masse der Teilchen abhängt und das Elektronengas daher keinen wesentlichen Anteil am Gesamtimpuls aufnimmt, kann als weitere worst-case-Bedingung angenommen werden, dass die Elektronen einen größeren Anteil aufnehmen, als sie es aufgrund ihrer Masse eigentlich sollten. Dabei kann auch der Impulsanteil der Photonen im Plasma mit einbezogen werden. Rechnerisch erhalten die Ionen dabei einen geringeren Impuls pro Teilchen, was die resultierende Ionenschallgeschwindigkeit reduziert. Aus der Annahme, dass ein gasförmiger Körper im Vakuum mit seiner eigenen Schallgeschwindigkeit expandiert, erhalten wir daraus die mittlere Ausströmgeschwindigkeit aus der magnetischen Düse. Da das Plasma bereits während der Kompression mit seiner eigenen ansteigenden Schallgeschwindigkeit expandiert, erhalten wir hier bereits einen wesentlichen Anteil der gesamten Schubleistung.In the simplified model, the ion and electron temperatures are assumed to be the same. In practice, the electrons have a higher temperature than the ions, which is why a standardization of the temperatures can be considered as a "worst-case" assumption. Although the distribution of the pulses in the plasma depends on the mass of the particles and the electron gas therefore does not take up any significant part of the total momentum, it can be assumed as a further worst-case condition that the electrons take up a larger proportion than they actually do on account of their mass should. It is also possible to include the pulse component of the photons in the plasma. Computationally the ions receive thereby a lower pulse per particle, which reduces the resulting ionic sound velocity. From the assumption that a gaseous body expands in vacuum with its own speed of sound, we obtain from it the average outflow velocity from the magnetic nozzle. Since the plasma already expands during its compression with its own increasing speed of sound, we already obtain a substantial portion of the total thrust output here.

Somit resultieren Ausgangs- und Endwerte für die Kompressionsphase durch die Alfvén-Welle während eines Arbeitstaktes. Da sich der Impuls als $$\mathrm{M}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{F}\mathrm{.}\mathrm{t}$$

beschreiben lässt, kann über t als Laufzeit der Welle integriert werden.Thus, initial and final values for the compression phase by the Alfvén wave during a work cycle result. Since the impulse as $$\mathrm{M}\mathrm{,}\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{F}\mathrm{,}\mathrm{t}$$

can be integrated over t as the propagation time of the wave.

Die Kompressionsphase wird in Zeitschritte aufgelöst, wodurch man Verläufe von Temperatur und Schallgeschwindigkeit erhält. Dabei werden die gleichen Grundlagen angewandt wie in der beschriebenen Gesamtrechnung. Aus den Verlaufsdaten werden dann mittlere Temperatur, Ausströmgeschwindigkeit und Schub während der Kompressionsphase bestimmt. Die auf die Kompression folgende Entspannungsphase wird ebenfalls als adiabatisch angenommen. Im Gegensatz zur Kompressionsphase muss hier aber keine durch die Alfvén-Welle von außen zugeführter Impuls aufgelöst werden, weshalb aus der Volumenänderung während der Entspannungszeit gerechnet werden kann. $$\mathrm{T}\mathrm{=}{\mathrm{T}}_{\mathrm{a}}\mathrm{.}\mathrm{(}{\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{a}}\mathrm{/}\mathrm{V}\right)}^{\mathrm{ad}}$$

dabei ist

T =

Temperatur nach Entspannung

T_a =

Ausgangstemperatur

V_a =

Ausgangsvolumen

V =

Endvolumen

ad =

Adiabaten-Exponent

The compression phase is resolved in time steps, whereby one obtains courses of temperature and speed of sound. The same principles are applied as in the described overall calculation. From the historical data then average temperature, discharge velocity and thrust are determined during the compression phase. The relaxation phase following the compression is also assumed to be adiabatic. In contrast to the compression phase, however, no impulse supplied from the outside by the Alfvén wave must be resolved here, which is why the change in volume during the relaxation time can be expected. $$\mathrm{T}\mathrm{=}{\mathrm{T}}_{\mathrm{a}}\mathrm{,}\mathrm{(}{\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{a}}\mathrm{/}\mathrm{V}\right)}^{\mathrm{ad}}$$

is there

T =

Temperature after relaxation

T _a =

outlet temperature

V _a =

output volume

V =

final volume

ad =

Adiabatic exponent

Auch hier wird die Volumenänderung in Zeitschritten integriert, woraus dann die entsprechenden Mittelwerte aus den Verläufen bestimmt werden.Again, the volume change is integrated in time steps, from which then the corresponding average values are determined from the progressions.

Für die Zeitverteilung ist dabei zu beachten, dass ein Oszillationstakt sich entsprechend der Phasengeomtrie eines Steuersignals in eine Null-Phase und eine Schaltphase teilt, wobei sich ein asymmetrischer duty-cycle mit kürzerer Null-Phase vorteilhaft erweist. Während der Null-Phase gilt die Ausgangssituation, die Sekundärspule 3 ist nicht entgegen der Primärspule 2 polarisiert, das Primärfeld wird nicht durch das Sekundärfeld deformiert und Plasma strömt aus der Quelle in die magnetische Düse. Die Schaltphase teilt sich in eine Kompressionsphase und eine Entspannungsphase. Während der Kompressionsphase wird die magnetische Düse durch das Sekundärfeld deformiert, das Plasma wird durch inelastische Kompression aufgeheizt, wodurch es bereits dabei beschleunigt expandiert. Während der Entspannungsphase bleibt die magnetische Düse durch das Sekundärfeld deformiert und das aufgeheizte Plasma expandiert während der Enspannung, wobei es abkühlt.It should be noted for the time distribution that an oscillation clock divides into a zero phase and a switching phase in accordance with the phase geometry of a control signal, whereby an asymmetrical duty cycle with a shorter zero phase proves advantageous. During the zero phase, the starting situation applies, the secondary coil 3 is not polarized against the primary coil 2, the primary field is not deformed by the secondary field and plasma flows from the source into the magnetic nozzle. The switching phase is divided into a compression phase and a relaxation phase. During the compression phase, the magnetic nozzle is deformed by the secondary field, the plasma is heated by inelastic compression, thereby expanding it already accelerated. During the relaxation phase, the magnetic nozzle remains deformed by the secondary field and the heated plasma expands during the relaxation, during which it cools.

Die dabei auftretenden Spitzenwerte sind größer als die auf die Zeiträume gerechneten Mittelwerte. Für die Mittelwerte während eines ganzen Oszillationstaktes ist dabei auch die Null-Phase zu berücksichtigen.The peak values occurring are greater than the averages calculated over the periods. For the mean values during an entire oscillation cycle, the zero phase must also be taken into account.

Anschließend werden die Werte für Schub und Ausströmgeschwindigkeit auf die Zeiteinheit einer Sekunde aufgerechnet.The values for thrust and outflow velocity are then calculated to the time unit of one second.

Beispiele zur SimulationExamples for simulation

Im Folgenden werden 2 Rechenbeispiele gegenübergestellt. In der 1. Spalte werden einige Werte für eine Konfiguration im niederen Leistungsbereich dargestellt, welche bereits experimentell mit einem Prototypen getestet wurde (s. unten). In der 2. Spalte stehen die entsprechenden Werte für eine Konfiguration im geplanten Hochleistungsbereich. Im ersten Fall wird Stickstoff als Arbeitsgas angenommen. In der Hochleistungsvariante Argon als Arbeitsgas angenommen. 1. Beispiel 2. Beispiel Arbeitsgas N₂ Ar Volumen magnet.Düse 3, 142. 10^-5 3,142.10^-5 m³ Masse/sek. 1,0.10^-6 1,0.10^-7 kg Frequenz 1,0.10² 1,0.10⁷ Hz Feldstärke 5,0.10^-2 6,5.10^-3 T Ausgangstemperatur der Durchsatzmasse 1,0.10² 3,2.10⁴ K Ionenmasse m 2,335867551.10^-26 5,977908.10^-26 kg von der Feldgeometrie abhängiger mittlerer Laufweg der Alfvén- Welle 1,5.10^-2 1,5.10^-2 m entsprechend 1.2.: Masse/Frequenz 1,0.10^-8 1,0.10^-13 kg Massendichte phi 3,1826.10^-4 3,1826.10^-9 kg/m³ aus 1.1. : V_Alfvén 2, 4998014.10³ 1,02765843.10⁵ m/s Aus der von den Eigenschaften der Spule abhängigen Grenzfrequenz ergibt sich durch 2.4. V_Alfvfén(t) 1,79049306.10³ 1,02765843.10⁵ m/s bei einer Schallgeschwindigkeit in der Ausgangssituation von V_c 5,95518008 10² 6,65915895 10³ m/s folgt nach 6.3. ein Kompressibiltätsfaktor von Def 9,03973057.10⁰ 2,38154512.10² und aus einem während einer Laufzeit der Alfvén-Welle von 8,37758064.10^-6 4,6157.10^-8 s zugeführten Gesamtimpuls von 2,09422856.10^-8 1,5.10^-9 kg.m/s nach 6.4. einen thermischen Impuls von 1,8625592.10^-8 1,4993.10^-9kg m/s was zu einer mittleren thermischen Teilchengeschwindigkeit V_T 4,23116478.10² 1,5316.10⁵ m/s und damit nach 7.1. zu einer Ionenschallgeschwindigkeit V_C 5,98377061.10² 2,1660.10⁵ m/s führt. Aus dem Integral zwischen Ausgangs- und Endwert der Schallge- schwindigkeiten ergibt sich ein Mittelwert während der Kom- pression von 5,96947535.10² 1,1163.10⁵ m/s Aus der Entspannungsphase ergibt sich aus 9.1. ein Endwert von 3,71829384.10¹ 1,2964.10⁵ m/s und ein integrierter Mittelwert von 1,04113686.10² 1,6229.10⁵ m/s Insgesamt ergibt sich eine mittlere Expansionsgeschwindigkeit von 3,50228722.10² 1,3144.10⁵ m/s Bei einem Ionen-Anteil von 1,0 100,0 % bei einer Durchsatzmasse pro Oszillationstakt von M 1,0.10^-8 1,0.10^-14 kg erhalten wir eine nicht ionisierte Restgasmasse pro Oszil- lationstakt von 9,9.10^-9 0,0.100 kg und nach 5.1. eine für den Schub relevante Emissionsmasse von 9,912181891.10^-9 1,0.10^-14 kg pro Oszillationstakt inklusive Ionenanteil, daraus folgt eine für den Schub relevante Emissionsmasse pro Sekunde von 9,912181891.10^-7 1,0.10^-7 kg Daraus ergibt sich ein mittlerer Schub während der Kompression von 5,4452.10^-4 1,1163.10^-2 N während der Entspannungsphase 9,49706.10^-5 1,6229.10^-2 N zusammen über die Schaltphase 9,572385.10^-5 1,3799.10^-2 N und permanent von 4,78619269.10^-5 1,31448.10^-2 N Die Zeitanteile eines Oszillationstaktes setzen sich zusammen aus Zeit pro Oszillationstakt 1,0.10^-2 1,0.10^-7 s Null-Phase 5,0.10^-3 5,0.10^-9 s Schaltphase 5,0.10^-3 9,5.10^-8 s Wobei sich die Schaltphase teilt in Kompressionszeit 8,37758064.10^-6 4,61575.10^-8 s Entspannungszeit 4,99162242 10^-3 4,88424 10^-8 s In the following, 2 calculation examples are compared. The first column shows some values for a low power configuration, which has already been experimentally tested with a prototype (see below). The second column shows the corresponding values for a configuration in the planned high-performance area. In the first case, nitrogen is assumed to be working gas. In the high-performance variant argon was assumed as working gas. 1st example 2nd example working gas N ₂ Ar Volume magnet nozzle 3, 142. 10 ^-5 3,142.10 ^-5 m ³ Mass / sec. 1.0.10 ^-6 1.0.10 ^-7 kg frequency 1,0.10 ² 1,0.10 ⁷ Hz field strength 5,0.10 ^-2 6,5,10 ^-3 T outlet temperature the throughput mass 1,0.10 ² 3,2.10 ⁴ K Ion mass m 2,335867551.10 ^-26 5,977,908.10 ^-26 kg dependent on the field geometry, the mean distance of the Alfvén wave 1.5.10 ^-2 1.5.10 ^-2 m according to 1.2 .: Mass / frequency 1.0.10 ^-8 1.0.10 ^-13 kg Mass density phi 3,1826.10 ^-4 3,1826.10 ^-9 kg / m ³ from 1.1. : V _Alfvén 2, 4998014.10 ³ 1.02765843.10 ⁵ m / s From the dependent on the properties of the coil cutoff frequency results from 2.4. V _{Alfvfén (t)} 1.79049306.10 ³ 1.02765843.10 ⁵ m / s at a speed of sound in the initial situation of V _c 5,95518008 10 ² 6,659,158,910 ³ m / s follows after 6.3. a compressibility factor of Def 9,039,73057.10 ⁰ 2,38154512.10 ² and from one during a lifetime of the Alfvén wave of 8.37758064.10 ^-6 4,6157.10 ^-8 s supplied total impulse of 2,09422856.10 ^-8 1.5.10 ^-9 kg.m / s after 6.4. a thermal pulse of 1.8625592.10 ^-8 1,4993.10 ^-9 kg m / s resulting in a mean thermal particle velocity V _T 4,23116478.10 ² 1,5316.10 ⁵ m / s and thus after 7.1. to an ionic sound velocity V _C 5,98377061.10 ² 2,1660.10 ⁵ m / s leads. From the integral between the initial and final value of the sound speeds, this results in an average value during pression of 5,96947535.10 ² 1,1163.10 ⁵ m / s From the relaxation phase results from 9.1. a final value of 3,718,293,410 ¹ 1,2964.10 ⁵ m / s and an integrated mean of 1,04113686.10 ² 1,622.10 ⁵ m / s Overall, there is an average rate of expansion from 3,50228722.10 ² 1.3144.10 ⁵ m / s At an ion content of 1.0 100.0 % at a throughput per oscillation cycle of M 1.0.10 ^-8 1.0.10 ^-14 kg we get a non-ionized residual gas mass per oscil- lation clock of 9,9,10 ^-9 0,0.100 kg and after 5.1. a relevant for the thrust emissions of 9,912181891.10 ^-9 1.0.10 ^-14 kg per oscillation cycle including ion content, followed by one for the thrust relevant emission mass per second of 9,912181891.10 ^-7 1.0.10 ^-7 kg This results in a mean thrust during compression from 5,4452.10 ^-4 1,1163.10 ^-2 N during the relaxation phase 9.49706.10 ^-5 1,6229.10 ^-2 N together over the switching phase 9.572385.10 ^-5 1.3799.10 ^-2 N and permanently from 4,78619269.10 ^-5 1.31448.10 ^-2 N The time components of an oscillation cycle are combined out Time per oscillation clock 1.0.10 ^-2 1.0.10 ^-7 s Zero phase 5,0.10 ^-3 5,0,10 ^-9 s switching phase 5,0.10 ^-3 9.5.10 ^-8 s Where the switching phase divides into compression time 8.37758064.10 ^-6 4,61575.10 ^-8 s relaxation time 4,9916,2242 10 ^-3 4,88424 10 ^-8 s

Im 1. Beispiel wird entsprechend den Experimentalbedingungen mit symmetrischem duty-cycle gearbeitet, während im 2. Beispiel bereits mit asymmetrischer Phasengeomtrie gerechnet wird.In the first example, symmetrical duty-cycle is used according to the experimental conditions, while in the second example asymmetric phase geometry is already used.

Durch die genannten worst-case-Bedingungen liegen die in der ersten Spalte angeführten Werte unter den tatsächlich gemessenen. Der permanente Schub wurde dabei mit 1,4 mN gemessen. Dabei ist zu beachten, dass in der Berechnung boot-strap-Effekte, wie der Anteil des Kaltgas-Schubs und die Wirkung der Ionenquelle nicht hinzu gerechnet wurden. Bei der Messung waren diese Effekte jedoch unwesentlich, da die Ionenquelle z.B. mit einer Eingangsleistung von 1 W arbeitete, wodurch diese keinen wesentlichen Beitrag an der Erhöhung der Ionentemperatur hatte.Due to the mentioned worst-case conditions, the values listed in the first column are below those actually measured. The permanent thrust was measured at 1.4 mN. It should be noted that in the calculation boot-strap effects, such as the proportion of cold gas thrust and the effect of the ion source were not added. In the measurement, these were Effects, however, negligible, since the ion source, for example, with an input power of 1 W, whereby this had no significant contribution to the increase of the ion temperature.

In der Simulation werden verschiedene Referenzionendichten angenommen und bei unterschiedlichen Massendurchsätzen im Verhältnis zu einer geringen Ionisierungsrate von 1% gestellt. Die dabei auftretenden Massenverluste durch inkohärente Expansion sind hauptsächlich verantwortlich für den bei der Messung beobachteten Resonanzbereich, der sich durch ein Schubminimum im Arbeitsbereich um 400 Hz zeigt.In the simulation, different reference ion densities are assumed and set at different mass flow rates in relation to a low ionization rate of 1%. The resulting mass losses due to incoherent expansion are mainly responsible for the resonance range observed during the measurement, which is indicated by a shear minimum in the working range around 400 Hz.

Die Referenzionendichten sind aus den Daten anderer MPD-Systeme extrapolierte Werte und definieren die Ionendichte, die mindestens notwendig ist, um die aus dem 2. Grenzwert definierte Bedingung einzuhalten. Ist die Ionen- bzw. Plasmaquelle als Nebensystem ausreichend leistungsfähig, um die entsprechende Mindestionendichte zu gewährleisten, ist es beim vorliegenden System daher nicht notwendig eine vollständige Ionisierung bereits durch ein solches Nebensystem zu erreichen. Da der eigentliche Beschleunigungsmechanismus im Gegensatz zu Konkurrenzsystemen unabhängig von der Ionen- bzw. Plasmaquelle arbeitet, kann für letztere der nötige Energieaufwand auch in anderen Leistungsbereichen auf ein Minimum optimiert werden. Die daraus resultierende Verbesserung des Wirkungsgrades schlägt sich in weiterer Folge auf das Gesamtsystem positiv nieder.The reference ion densities are extrapolated values from the data of other MPD systems and define the ion density that is at least necessary to meet the condition defined by the 2nd threshold. If the ion or plasma source as a secondary system is sufficiently powerful to ensure the corresponding minimum ion density, it is therefore not necessary in the present system to achieve complete ionization by such a secondary system. Since the actual acceleration mechanism operates independently of the ion or plasma source, unlike competing systems, the latter can be optimized to a minimum in the other power ranges for the latter. The resulting improvement in efficiency is subsequently reflected positively on the overall system.

Grundsätzlich zeigt sich, dass die theoretischen Vorhersagen gut mit den praktischen Ergebnissen übereinstimmen. Da die Simulation mit worst-case-Bedingungen arbeitet und die experimentellen Messungen tatsächlich quantitativ höher liegen, während der qualitative Verlauf übereinstimmt, ist zu erwarten, dass die vorhergesagten Ergebnisse auch im höheren Leistungsbereich zumindest erreicht werden können.Basically, it turns out that the theoretical predictions are in good agreement with the practical results. Since the simulation works with worst-case conditions and the experimental measurements are indeed quantitatively higher while the qualitative course agrees, it can be expected that the predicted results can at least be achieved even in the higher power range.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild des Testaufbaus, in dem ein Prototyp der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen praktisch eingesetzt wurde. Die Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfvén-Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde in einer Vakuumkammer 21 durch Aufhängung platziert und mit einer Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie, im gegebenen Fall einer Stickstoffflasche, über nicht näher erläuterte Leitungen mit Ventilen verbunden. Es wurde die Vakuumkammer des Lehrstuhls für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München in Garching verwendet. Mit Hilfe eines Laser-Reflexionsmessgerätes 22 wurde die Distanz d zur Einrichtung 20 zur Erzeugung der Alfvén-Wellen ermittelt. Entsprechende Rechnereinrichtungen 23, 24 überwachten bzw. steuerten die Komponenten des Testaufbaus. Fig. 6 shows a block diagram of the test setup in which a prototype of the device according to the invention for generating Alfvén waves was practically used. The device 20 for producing Alfvén waves according to the present invention was placed in a vacuum chamber 21 by suspension and connected to a means 8 for providing ionizable matter, in the present case a nitrogen cylinder, via unspecified lines with valves. It became the vacuum chamber of the Department of Space Technology of the Technical University of Munich used in Garching. With the aid of a laser reflection meter 22, the distance d to the device 20 for generating the Alfvén waves was determined. Corresponding computer devices 23, 24 monitored or controlled the components of the test setup.

Fig. 9a bis 9c zeigen schematische Schaltbilder der Aufhängung der Einrichtung 20 zur Erzeugung der Alfvén-Wellen in der Vakuumkammer 21 und die Ermittlung der Kraft über die vom Laser-Reflexionsmessgerät 22 ermittelte Distanz d. Aus Fig. 9b ist die Gleichung $$\mathrm{sin\alpha }\mathrm{=}\mathrm{\delta }\mathrm{/}\mathrm{l}$$

ableitbar. Unter Heranziehung der Skizze gemäß Fig. 9c über die Kräfteverhältnisse folgt $$\mathrm{F}=-{\mathrm{F}}_{\mathrm{R}}$$

$$\mathrm{G}\mathrm{=}\mathrm{m}\mathrm{.}\mathrm{g}={\mathrm{F}}_{\mathrm{R}}+{\mathrm{F}}_{\mathrm{S}}$$

$$\mathrm{sin\alpha }\mathrm{=}-\mathrm{F}\mathrm{/}\mathrm{G}$$

$$\mathrm{F}\mathrm{=}-\mathrm{m}\mathrm{.}\mathrm{g}\mathrm{.}\mathrm{sin\alpha }$$

Fig. 9a to 9c 12 show schematic diagrams of the suspension of the device 20 for generating the Alfvén waves in the vacuum chamber 21 and the determination of the force over the distance d determined by the laser reflection meter 22. Out Fig. 9b is the equation $$\mathrm{sin\; .alpha}\mathrm{=}\mathrm{\delta }\mathrm{/}\mathrm{l}$$

derivable. Using the sketch according to Fig. 9c follows the balance of power $$\mathrm{F}=-{\mathrm{F}}_{\mathrm{R}}$$

$$\mathrm{G}\mathrm{=}\mathrm{m}\mathrm{,}\mathrm{G}={\mathrm{F}}_{\mathrm{R}}+{\mathrm{F}}_{\mathrm{S}}$$

$$\mathrm{sin\; .alpha}\mathrm{=}-\mathrm{F}\mathrm{/}\mathrm{G}$$

$$\mathrm{F}\mathrm{=}-\mathrm{m}\mathrm{,}\mathrm{G}\mathrm{,}\mathrm{sin\; .alpha}$$

Schließlich folgt die resultierende Kraft F aus $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{-}\mathrm{m}\mathrm{.}\mathrm{g}\mathrm{.}\mathrm{\delta }\mathrm{/}\mathrm{l}\mathrm{.}$$

Finally, the resultant force F follows $$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{-}\mathrm{m}\mathrm{,}\mathrm{G}\mathrm{,}\mathrm{\delta }\mathrm{/}\mathrm{l}\mathrm{,}$$

Der Messablauf wurde durch die folgenden Schritte gekennzeichnet

• 1. Vakuumkammer in Betrieb nehmen
• 2. Distanz d bestimmen (Nullanzeige)
• 3. Gaszufuhr einschalten
• 4. Arbeitsdruck einstellen
• 5. Schaltventil 25 öffnen
• 6. Vakuumkammerinnendruck überprüfen
• 7. Distanz d bestimmen
• 8. Ionenquelle in Betrieb nehmen
• 9. Distanz d bestimmen
• 10. Primärspule in Betrieb nehmen (mit Zeitlimit)
• 10.1. Primärspulenzeitlimit einstellen (wegen Temperaturüberschreitung)
• 10.2. Primärspulenspannung einstellen
• 11. Distanz d bestimmen
• 12. Sekundärspule in Betrieb nehmen
• 13. Distanz d bestimmen
• 14. Primärspulentemperatur überwachen
• 15. Primärspule und Sekundärspule abschalten und abkühlen lassen
• 16. Distanz d bestimmen
• 17. Ionenquelle abschalten
• 18. Distanz d bestimmen
• 19. Gaszufuhr abschalten
• 20. Distanz d bestimmen

The measuring procedure has been marked by the following steps

• 1. Start up the vacuum chamber
• 2. Determine distance d (zero display)
• 3. Switch on the gas supply
• 4. Adjust working pressure
• 5. Open switching valve 25
• 6. Check vacuum chamber internal pressure
• 7. Determine distance d
• 8. Commission the ion source
• 9. Determine distance d
• 10. Commission the primary coil (with time limit)
• 10.1. Set primary coil timeout (due to temperature overrun)
• 10.2. Set primary coil voltage
• 11. Determine distance d
• 12. Commission the secondary coil
• 13. Determine distance d
• 14. Monitor primary coil temperature
• 15. Switch off the primary coil and secondary coil and allow to cool
• 16. Determine distance d
• 17. Switch off the ion source
• 18. Determine distance d
• 19. Switch off the gas supply
• 20. Determine distance d

Von den bisher 4 durchgeführten Tests erbrachte der am 28.05.2004 durchgeführte Versuch den endgültigen Beweis, dass der Mechanismus funktioniert. Aufgrund der Auswertung wurden weitere Nebenparamter in die numerische Simulation eingebracht. Diese Parameter betreffen in erster Linie die vorhandene Test-Situation. Als Beispiele können die Grenzfrequenz der Sekundärspule 2 und der Schubverlauf bei geringer Ionisierungsrate angeführt werden.Of the 4 tests carried out so far, the test carried out on 28.05.2004 provided the final proof that the mechanism works. Based on the evaluation, additional secondary parameters were introduced into the numerical simulation. These parameters primarily relate to the existing test situation. As examples, the cut-off frequency of the secondary coil 2 and the thrust curve at low ionization rate can be cited.

Für den Prototypen der Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfvén-Wellen wurden 3 verschiedene Plasmaquellen gebaut, von denen bisher 2 getestet wurden. Damit konnte auch demonstriert werden, dass der eigentliche Beschleunigungsmechanismus von der Ionen- bzw. Plasmaquelle unabhängig zu bewerten ist.For the prototype of the device 20 for the production of Alfvén waves 3 different plasma sources were built, of which 2 have been tested so far. It was thus also possible to demonstrate that the actual acceleration mechanism can be independently evaluated by the ion or plasma source.

Fig. 7 zeigt eine Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfvén-Wellen unter Verwendung einer Hochspannungsentladungsstrecke als Ionenquelle, wobei Stickstoff N₂ über eine Zuleitung und das Schaltventil 25 der Anode 27 zugeführt wird und zwischen der Anode 27 und der Kathode 29 Hochspannung angelegt wird, wodurch im Entladungsbereich der durchströmende Stickstoff N₂ durch Stöße der Elektronen ionisiert wird. Zur Ansteuerung der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 dient eine Steuerungselektronik 26, welche mit einer Rechnereinheit 23 verbunden ist. Fig. 7 shows an apparatus 20 for generating Alfvén waves using a high voltage discharge path as an ion source, wherein nitrogen N ₂ via a feed line and the switching valve 25 of the anode 27 is supplied and between the anode 27 and the cathode 29 high voltage is applied, whereby in the discharge region of the flowing nitrogen N ₂ is ionized by collisions of the electrons. For controlling the primary coil 2 and the secondary coil 3 is a control electronics 26, which is connected to a computer unit 23.

Fig. 8 zeigt eine Variante der Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfvén-Wellen mit einer Hochfrequenz-Ionenquelle, wobei über einen Hochfrequenz-Generator 28 die entsprechende zur Erzeugung der ionisierbaren Materie notwendige Hochfrequenzenergie zwischen Anode 27 und Kathode 29 zugeführt wird. Nach dem Induktionsgesetz wird ein hochfrequentes elektrisches Wirbelfeld induziert, das die Entladungselektrönen zur Beschleunigungskathode 30 so lange beschleunigt, bis sie den Stickstoff N₂ ionisieren können. Fig. 8 shows a variant of the device 20 for generating Alfvén waves with a high-frequency ion source, via a high-frequency generator 28, the corresponding required for the generation of ionizable matter high-frequency energy between the anode 27 and cathode 29 is supplied. According to the law of induction, a high-frequency electric vortex field is created which accelerates the discharge electrons to the accelerating cathode 30 until they can ionize the nitrogen N ₂ .

Der Prototyp ist auf einen niederen Leistungsbereich ausgelegt. Das Ziel war es einen proof-of-principle zu erreichen und Grundlagendaten für weitere technische Optimierungen zu erhalten.The prototype is designed for a low power range. The goal was to achieve a proof-of-principle and to obtain basic data for further technical optimization.

Das Gerät hat kein aktives Kühlsystem und wurde für bis zu maximal 1 Minute durchgehend betrieben. Die Kühlung erfolgte akkumulativ, wodurch zwischen den einzelnen Betriebszeiten thermische Regenerationsintervalle berücksichtigt werden mussten.The device has no active cooling system and was operated continuously for up to a maximum of 1 minute. The cooling took place accumulatively, whereby thermal regeneration intervals had to be taken into account between the individual operating times.

Bei den praktischen Untersuchungen wurde die Sekundärspule 3 mit einem rechteckförmigen Stromsignal angesteuert, wobei die Oszillationsfrequenz 100 Hz betrug. Die Flanken des rechteckförmigen Signals waren abgeflacht. Die Länge der Aufhängungen der Einrichtung 20 in der Vakuumkammer 21 betrug 0,44 m und die Masse der Einrichtung 20 6 kg. Der Druck in der Vakuumkammer 21 betrug 3,1 × 10^-3 mbar. Der Arbeitsdruck des Stickstoffs N₂ betrug 5 mbar. Mit Hilfe des Reflexionsmessgeräts 22 konnten Abweichungen ermittelt werden, welche einer Kraft von 1,07 mN entsprachen.In the practical investigations, the secondary coil 3 was driven with a rectangular current signal, the oscillation frequency being 100 Hz. The flanks of the rectangular signal were flattened. The length of the suspensions of the device 20 in the vacuum chamber 21 was 0.44 m and the mass of the device 20 6 kg. The pressure in the vacuum chamber 21 was 3.1 × 10 ^-3 mbar. The working pressure of the nitrogen N ₂ was 5 mbar. With the help of the reflection meter 22 deviations could be determined, which corresponded to a force of 1.07 mN.

In der folgenden Tabelle werden noch die wichtigsten durch Simulation ermittelten Kennwerte eines erfindungsgemäßen Antriebs wiedergegeben, um zu veranschaulichen, welches Potenzial in der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Antrieb bzw. zur Richtungskorrektur von Raumfahrzeugen steckt. Dabei wurden verschiedene Medien, wie Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Neon und Xenon, bei verschiedenen Massendurchsätzen M durch das Treibstoffsystem und verschiedenen Oszillationsfrequenzen f_Oszil herangezogen und die Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfven, die mittlere Ausströmgeschwindigkeit V₀ der Treibstoffmasse, der Schub, der erzielte gesamte Wirkungsgrad η, die Leistung P_Strahl, die in den Abgasstrahl zur Beschleunigung der Materie eingesetzt wird, und die gesamte eingeführte Leistung P simuliert. M f_Oszil V_Alfvén V₀ Schub η P_Strahl P g/s MHz km/s km/s mN % kW kW Argon (Ar) 0,0001 10 324,97 131,13 13,11 7,70 0,86 11,16 0,0100 10 32,50 26,11 261,12 52,73 3,41 6,46 0,0040 1 16,25 15,18 60,70 62,67 0,46 0,74 Kohlendioxid (CO₂) 0,0001 10 324,97 129,54 12,95 7,52 0,84 11,16 0,0100 10 32,50 24,56 245,61 48,34 3,02 6,24 0,0040 1 16,25 14,07 56,26 61,34 0,40 0,65 Wasserstoff (H₂) 0,0001 10 324,97 147,66 14,77 9,70 1,09 11,23 0,0100 10 32,50 33,21 332,10 39,56 5,51 13,94 0,0007 6 95,14 82,99 58,10 63,11 2,41 3,82 Neon (N₂) 0,0001 10 324,97 131,45 13,14 7,74 0,86 11,16 0,0100 10 32,50 26,41 264,09 53,48 3,49 6,52 0,0040 1 16,25 15,36 61,46 62,35 0,47 0,76 Xenon (Xe) 0,0001 10 324,97 128,67 12,87 7,42 0,83 11,16 0,0100 10 32,50 23,65 236,48 45,46 2,80 6,15 0,0040 1 16,25 13,33 53,31 58,32 0,36 0,61 In the following table, the most important parameters of a drive according to the invention determined by simulation are reproduced in order to illustrate the potential inherent in the device according to the invention for driving or for directional correction of spacecraft. In this case, various media, such as argon, carbon dioxide, hydrogen, neon and xenon, used by the fuel system and various oscillation frequencies f _Oszil at various mass flow rates M and the Alfvén velocity V _Alfvén, the medium outflow velocity V ₀ of the fuel mass, the thrust generated total efficiency η, the power P _beam , which is used in the exhaust gas jet to accelerate the matter, and the total introduced power P simulates. M f _oscil V _Alfvén V ₀ thrust η P _beam P g / s MHz km / s km / s mN % kW kW Argon (Ar) 0.0001 10 324.97 131.13 13.11 7.70 0.86 11.16 0.0100 10 32.50 26.11 261.12 52.73 3.41 6.46 0.0040 1 16.25 15.18 60.70 62.67 0.46 0.74 Carbon dioxide (CO ₂ ) 0.0001 10 324.97 129.54 12.95 7.52 0.84 11.16 0.0100 10 32.50 24.56 245.61 48.34 3.02 6.24 0.0040 1 16.25 14.07 56.26 61.34 0.40 0.65 Hydrogen (H ₂ ) 0.0001 10 324.97 147.66 14.77 9.70 1.09 11.23 0.0100 10 32.50 33.21 332.10 39.56 5.51 13.94 0.0007 6 95.14 82,99 58,10 63.11 2.41 3.82 Neon (N ₂ ) 0.0001 10 324.97 131.45 13.14 7.74 0.86 11.16 0.0100 10 32.50 26.41 264.09 53.48 3.49 6.52 0.0040 1 16.25 15.36 61.46 62.35 0.47 0.76 Xenon (Xe) 0.0001 10 324.97 128.67 12.87 7.42 0.83 11.16 0.0100 10 32.50 23.65 236.48 45.46 2.80 6.15 0.0040 1 16.25 13.33 53.31 58.32 0.36 0.61

Es resultieren, je nach angesetztem Massendurchsatz M und Oszillationsfrequenz f_Oszil unterschiedliche Wirkungsgrade. Dadurch kann je nach Einsatzfall eine optimale Einstellung erfolgen. Beispielsweise wird bei Vorhandensein besonders geringer Leistung P, wie sie beispielsweise auf Satelliten der Fall ist, eine Lagekorrektur bei möglichst hohem Wirkungsgrad durchgeführt. Durch die vorliegende Erfindung kann enorm viel Treibstoff gespart werden und somit die maximale Beladung eines Raumfahrzeugs besser ausgenutzt werden. Elektrische Triebwerke, wie sie in der Raumfahrt verwendet werden, zeichnen sich durch hohe Ausströmgeschwindigkeiten aus, haben aber den Nachteil geringer Schubdichten. Mit Plasmatriebwerken können zwar höhere Schubdichten erzielt werden, jedoch bei geringeren Ausströmgeschwindigkeiten. Beispielsweise liegen die Ausströmgeschwindigkeiten V₀ bei bekannten Plasmatriebwerken im Bereich von 30-50 km/s und bei elektrischen Triebwerken bis 80 km/s. Übliche Werte für den Schub bei Plasmatriebwerken sind 250-300 mN bei elektrischen Triebwerken unter 50 mN. Mit einem Antrieb, der gemäß dem vorliegenden Verfahren arbeitet, können die Vorteile einer hohen Ausströmgeschwindigkeit von elektrischen Triebwerken mit höheren Schubdichten von Plasmatriebwerken durch geeignete Wahl des Massendurchsatzes des Treibstoffs und der Arbeitsfrequenz in einem Gerät kombiniert werden.Depending on the applied mass flow rate M and oscillation frequency f _Oszil, different efficiencies result. This can be done depending on the application, an optimal setting. For example, in the presence of particularly low power P, as is the case for example with satellites, a position correction is carried out with the highest possible efficiency. The present invention can save a great deal of fuel and thus better utilize the maximum load of a spacecraft. Electric engines, as used in space, are characterized by high outflow speeds, but have the disadvantage of lower Thrust densities. Although higher thrust densities can be achieved with plasma thrusters, but at lower outflow velocities. For example, the discharge velocities V ₀ in known plasma engines are in the range of 30-50 km / s and in electric engines up to 80 km / s. Common thrust levels for plasma thrusters are 250-300 mN for electric engines below 50 mN. With a propulsion system operating in accordance with the present method, the benefits of high outflow velocity from electric thrusters having higher thrust densities of plasma thrusters can be combined by appropriate choice of fuel mass flow rate and operating frequency in a device.

Claims (33)

1. A method for the generation of Alfvén waves, in which material which can be ionised is provided and passes through a magnetic field, characterised in that the magnetic field comprises a magnetic primary field which is deformed periodically by at least one oscillating magnetic secondary field of the opposite polarity to the primary field, as a result of which Alfvén waves are formed in the material which can be ionised and is located in this magnetic field, which Alfvén waves propagate at a velocity (V_A) which depends on the mass density of the material passing through the magnetic field and on the field strength of the magnetic field, with the field strength of the magnetic field being greater than the kinetic energy of the material which is located in the magnetic field, so that mass is transported by the Alfvén waves.
2. The method as claimed in Claim 1, characterised in that the Alfvén velocity (V_A) is less than or equal to the speed of sound of the material which is located in the magnetic field.
3. The method as claimed in Claim 1, characterised in that the Alfvén velocity (V_A) is greater than the speed of sound of the material which is located in the magnetic field.
4. The method as claimed in any one of Claims 1 to 3, characterised in that the magnetic primary field is essentially constant.
5. The method as claimed in any one of Claims 1 to 3, characterised in that the magnetic primary field is switched off periodically.
6. The method as claimed in Claim 5, characterised in that the oscillating magnetic secondary field is likewise switched off during the periods in which the primary field is switched off.
7. The method as claimed in any one of Claims 1 to 6, characterised in that the magnetic field is focussed in the axial and/or radial direction.
8. The method as claimed in any one of Claims 1 to 7, characterised in that the field strength of the magnetic primary field is varied while the magnetic secondary field is switched on.
9. The method as claimed in any one of Claims 1 to 8, characterised in that the Alfvén waves are being phase-delayed.
10. The method as claimed in any one of Claims 1 to 9, characterised in that the Alfvén waves generate a thrust on the basis of the reaction principle.
11. The method as claimed in any one of Claims 1 to 9, characterised in that the Alfvén waves generate a particle beam of high kinetic energy.
12. The method as claimed in any one of Claims 1 to 9, characterised in that the Alfvén waves supply additional impulses to an accelerated mass.
13. The method as claimed in any one of Claims 1 to 9, characterised in that phonons are generated or amplified in the material which is located in the magnetic field.
14. The method as claimed in any one of Claims 1 to 13, characterised in that phonons are generated or amplified in a surrounding medium by means of the material which is located in the magnetic field.
15. The method as claimed in any one of Claims 1 to 14, characterised in that the material which is located in the magnetic field is compressed and thermally excited, and in that the thermal excitation of the material generates or amplifies electromagnetic radiation.
16. A device for the generation of Alfvén waves, having a device (8) for providing material which can be ionised, having a magnetic nozzle (1), which is formed from at least one device (2) for generating a magnetic primary field and at least one secondary coil (3) for generating a magnetic secondary field, and a channel (4) for guiding the material which can be ionised through the magnetic fields, and electrical supply devices (6), characterised in that the at least one secondary coil (3) is of the opposite polarity to the device (2) for generation of the primary field, and is supplied with an oscillating electrical signal, as a result of which the magnetic primary field is deformed periodically by the magnetic secondary field, and Alfvén waves are formed in the material which can be ionised and is located in this magnetic field, which Alfvén waves propagate at the Alfvén velocity (V_A), with the field strength of the magnetic field being greater than the kinetic energy of the material which is located in the magnetic field, so that mass is transported by the Alfvén waves.
17. The device as claimed in Claim 16, characterised in that the device (2) for generation of the magnetic primary field is formed by a primary coil (2).
18. The device as claimed in Claim 16 or 17, characterised in that the device (2) for generation of the magnetic primary field is formed by permanent magnets.
19. The device as claimed in any one of Claims 16 to 18, characterised in that the coils (2, 3) are designed to be liquid-cooled.
20. The device as claimed in any one of Claims 16 to 18, characterised in that the coils (2, 3) are designed to be superconductive.
21. The device as claimed in any one of Claims 16 to 20, characterised in that the device for providing material which can be ionised is formed by a container with gas which can be ionised and by an injector device for introduction of the gas which can be ionised into the magnetic field.
22. The device as claimed in any one of Claims 16 to 21, characterised in that the device for providing material which can be ionised is formed by a source for supplying electrically conductive liquid.
23. The device as claimed in any one of Claims 16 to 22, characterised in that a device is provided for phase-delaying of the Alfvén waves which are generated.
24. The device as claimed in any one of Claims 16 to 23, characterised in that a device is provided for focussing the magnetic field.
25. The device as claimed in Claim 24, characterised in that the focussing device is formed by the primary coil (2) and, if appropriate, the secondary coil (3) with a magnetic core composed of various materials, for example based on an FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) core.
26. The device as claimed in any one of Claims 16 to 25, characterised in that a magnetic shield is provided.
27. The device as claimed in Claim 26, characterised in that the magnetic shield contains a shielding plate (5), which is arranged on the opposite side of the magnetic field to the outlet direction of the Alfvén waves.
28. The device as claimed in any one of Claims 16 to 27, characterised in that a control device (7) is provided, which control device is connected to the electrical supply devices for the coils (2, 3).
29. The device as claimed in Claim 28, characterised in that the control device (7) is formed by a computer.
30. A thruster for a vehicle, characterised in that a device as claimed in any one of Claims 16 to 29 is provided.
31. The thruster as claimed in Claim 30, characterised in that the device for providing material which can be ionised is formed by a plasma generator, and thrust is generated with the aid of the Alfvén waves on the basis of the reaction principle.
32. The thruster as claimed in Claim 30, characterised in that the device for providing material which can be ionised is formed by a device for supplying electrically conductive liquid.
33. The thruster as claimed in any one of Claims 30 to 32, characterised in that the device for providing material which can be ionised is formed by an arcjet thruster.

Images