DD251238A1 - Speicherelement fuer elektrische energie in form freier elektronen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speicherelement fuer elektrische Energie in Form freier Elektronen. Sie ist ueberall dort anwendbar, wo Energiespeicher erforderlich sind (z. B. Kraftfahrzeuge) sowie als Bauelement elektrischer und elektronischer Schaltungen. Ziel der Erfindung ist es, grosse Energie-Mengen bei geringem Gewicht, Volumen und hoher Kapazitaet kostenguenstig und umweltfreundlich so zu speichern, dass die Entnahme von Gleich- und Wechselstrom moeglich ist. Die erfindungsgemaesse Loesung ist dadurch gekennzeichnet, dass freie Elektronen in einem im wesentlichen kugelfoermigen Hohlkoerper, in dem ein Hochvakuum vorherrscht, mit Hilfe eines wechselnden magnetischen Feldes auf annaehernd kreisfoermige Bahnen gebracht und so gepspeichert werden.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Speicherelement für elektrische Energie in Form freier Elektronen, welches aus einem im wesentlichen kugelförmigen Hohlkörper besteht, in dessen Innerem ein Hochvakuum und ein wechselndes magnetisches Feld vorherrscht. Sie ist überall dort anwendbar, wo Energiespeicher erforderlich sind (z. B. Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge, schienengebundene Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Kraftwerkstechnik, stationäre Anlagen)

Weiterhin ist sie verwendbar als Bauelement elektrischer und elektronischer Schaltungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind mehrere Verfahren und Formen bekannt, elektrische Energie zu speichern.

Bei den bekannten galvanischen Elementen wird die elektrische Energie in Form chemischer Energie gespeichert. Diese haben den Nachteil, daß bei hohem Gewicht und Volumen ein relativ kleines Speichervermögen erreicht wird.

Weiterhin sind Speicherelemente in Form von Kondensatoren bekannt, wo die elektrische Energie in der Form gespeichert wird, daß Ladungsträger auf zwei sich gegenüberliegenden Platten aufgebracht werden und die Energie somit im elektrischen Feld gespeichert ist. Dabei wird die Speicherkapazität begrenzt durch die Oberfläche der Kondensatorplatten, der Durchschlagsspannung und dem daraus resultierenden Mindestabstand des Plattenpaares.

Gemäß US-Patent Nr.3873930 wird versucht, einem Teil der vorgenannten Nachteile zu begegnen, indem die Durchschlagsspannung des Kondensators durch ein starkes magnetisches Feld einen hohen Wert erfährt (Effekt der „magnetischen Isolation"). Daraus ergibt sich aber der Nachteil des sehr hohen elektrischen Energiepotentials zur \ Aufrechterhaltung der isolierenden Magnetfelder.

Eine weitere Variante eines Kondensators als Speicherelement für elektrische Energie ist aus der Auslegschrift 2707742 (BRD) bekannt. Die Lösung sieht einen Kondensator in Form eines Zylinders und eines Kegelstumpfes bzw. zweier Kegelstümpfe vor, dessen Dielektrikum durch ein Hochvakuum gebildet wird. In diesem Dielektrikum werden Elektronen in Umlauf gebracht, deren ballistische Bahnen mittels Torroid-Spule stabilisiert werden. Die Geschwindigkeit der umlaufenden Elektronen soll derart niedrig gehalten werden, daß keine relativistischen Effekte auftreten. Aus dem Grund sollen Kegelstümpfe verwendet werden, da es technisch schwer möglich ist, alle zu speichernden Elektronen auf die gleiche Geschwindigkeit zu bringen. Durch die Gestaltung des Gerätes wird eine örtlich unterschiedliche elektrische Feldstärke erzeugt, die die Elektronen auf die ihrer Geschwindigkeit entsprechenden Bahn hält. Dabei kommt es zu einigen Mängeln, die sich wie folgt äußern:

Wenn die Torroid-Spule die Aufgabe hat, die Bahnen der Elektronen zu stabilisieren, muß das magnetische Feld auf dieselben eine Kraft ausüben. Wird dies verhindert, indem, wie bei Spalte 4 Zeile 65 beschrieben, die Windungen der Torroid-Spule parallel zu den magnetischen Feldlinien der umlaufenden Elektronen gelegt werden, so wirkt auch keine (Lorentz)-Kraft; oder exakter ausgedrückt: die Lorentzkraft würde die Elektronen aus ihrer vorgesehenen Bahn ablenken, und das Gerät würde nicht mehr die ihm zugedachte Aufgabe erfüllen. Auch die Variante, die Magnetspulen derart vorzusehen, daß die entstehende Lorentzkraft die Bahnen der Elektronen stützt, wurden infolge der Lenzschen Regel zu enormen Induktionsströmen führen, die ja stets ihrer Ursache entgegenwirken und die Wirkung des magnetischen Feldes in unvorhergesehener Weise ändern oder zunichte machen.

Die gewählte Form des Kondensators als einen Zylinder bzw. Kegelstumpf ist in bezug auf die mechanische Festigkeit und die technologische Beherrschung derselben nicht günstig gewählt. Da das verwendete Dielektrikum ein Hochvakuum ist, wirken auf den Kegelmantel erhebliche Kräfte ein, die an die mechanische Festigkeit hohe Ansprüche stellen.

Des weiteren wird versucht, alle Elektronen auf die gleiche Geschwindigkeit zu bringen, indem die innere bzw. äußere bzw. beide Elektroden als Kegelstümpfe ausgebildet und somit eine ortsabhängig unterschiedliche Feldstärke entsteht. Die Elektronen werden so in ein Gebiet mit einer ihrer jeweiligen Geschwindigkeit angepaßten Feldstärke gebracht. Diese Maßnahme dürfte ihren Aufwand kaum rechtfertigen, da diverse äußere und innere Einflüsse auch so keine konstanten Bahnen der Elektronen zulassen wurden. Eher wird damit die Speicherkapazität beeinträchtigt, da so die Tendenz besteht, daß die umlaufenden Elektronen eine Art inneren Zylindermantel bilden, welcher im wesentlichen eine Fläche darstellen würde und kein räumliches Gebilde.

Beim Betreiben des in 2707742 (BRD) beschriebenen Gerätes ist auch nur der Abgriff von Gleichspannung (konstanter oder Impulsbetrieb) möglich, nicht jedoch der von in derTechnik üblichen Stromarten wie Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom. Eine weitere Form von Speicherelementen ist die der stromdurchflossenen Spulen, welche die elektrische Energie in der Form eines magnetischen Feldes speichern. Auch hier wird zur Aufrechterhaltung des magnetischen Feldes viel elektrische Energie benötigt zur stetigen Überwindung des ohmschen Widerstandes des Leitungsmaterials der Spule. Letztgenannter Nachteil soll durch die Verwendung von supraleitenden Spulen kompensiert werden. Allerdings dürften zur Aufrechterhaltung des Supraleitungseffektes wiederum große Energiemengen nötig sein. Auch der gerätetechnische Aufwand ist nicht unerheblich. Daß sich trotzdem die Entwicklung in diese Richtung zu vollziehen scheint, geht aus dem Inhalt der Erfindungsbeschreibungen DE 3027616 A1, DE 3027605 C2 und DE 2920355 C2 (Japan) hervor.

Eine Besonderheit dieser Entwicklungsrichtung bietet das US-Patent-Nr. 252929. Hier wird elektrische Energie in solcher Weise durch eine Spule geführt, daß ein gepulstes magnetisches Feld erzeugt wird, welches auf ein in supraleitendem Zustand gehaltenes Gas (z. B. flüssigen Wasserstoff) derart einwirkt, daß die atomaren Teilchen gegen die elektrostatischen Abstoßungskräfte und den Pauli-Ausschließungsdruck komprimiert werden. Bei Öffnung der magnetischen Falle wird die Erzeugung hoher Induktionsströme erwartet. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, daß ein hoher geräte-technischer und Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des Supraleitungszustandes notwendig ist. Außerdem dürfte hier nur Impulsbetrieb möglich sein.

Die Variante der Speicherung von elektrischer Energie in Form kinetischer Energie liegt bei Teilchenbeschleunigern aller Art vor. Dabei tritt die kinetische Energie in solcher Größe auf, daß mehr oder weniger starke relativistische Effekte auftreten. Ziel der Verwendung von Teilchenbeschleunigern ist es, hohe Energien für kernphysikalische Experimente in geeigneter Form bereitzustellen. Die gespeicherte Energie ist, im Vergleich zum notwendigen Aufwand, gering, da nur wenige Ladungsträger mit geringer Masse vorliegen. Auch dürfte die Umwandlung in elektrische Energie auf eine Reihe praktischer Probleme stoßen (geringer Wirkungsgrad, Erwärmung beim Auftreffen der Ladungsträger auf Materie u.a.).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Speicherelement zu schaffen, das die vorangeführten Nachteile vermeidet, den Herstellungsaufwand gering hält, das Gerät umweltfreundlich gestaltet, ein breites Anwendungsgebiet hat, Umwege über andere Energieformen zur Umwandlung ausschließt und einen hohen Wirkungsgrad garantiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement zu schaffen, welches elektrische Energie in Form freier Elektronen direkt speichert und die Entnahme von Gleich- und Wechselstrom in jeder gewünschten Form zuläßt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an zwei sich gegenüberliegenden Punkten, welche sich im Inneren eines im wesentlichen kugelförmigen Hohlkörpers mit vorherrschendem Hochvakuum befinden, einmal die Kathode und einmal die Anode eingebracht sind. In geringem Abstand zur Anode befindet sich eine Steuer-Anode(Gitter) zur Absaugung der Elektronen. Parallel zu der Linie, die durch Anode und Kathode gebildet wird, befinden sich, ebenfalls an zwei gegenüberliegenden Punkten, zwei Spulenkörper, deren magnetische Feldlinien die des elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode in einem Winkel von 90° kreuzen. Die Innenwand des Hohlkörpers ist mit einer sekundäremittierenden Schicht belegt, so daß ein auftreffendes Elektron hoher kinetischer Energie die Auslösung rnehrerer Sekundärelektronen geringerer kinetischer Energie bewirkt. Wird nun zwischen Kathode und Anode eine Spannung angelegt, so werden von der Kathode Elektronen emittiert, welche sich in Richtung Anode bewegen. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die zwei Spulenkörper werden die Elektronen durch die wirkende Lorentzkraft aus ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt und entsprechend der angelegten Frequenz in Umdrehung versetzt (ähnlich dem Ankereines Elektro-Motors). Die mittlere Umlaufgeschwindigkeit der Elektronenwolke läßt sich mit Hilfe der Frequenz der anliegenden Spannung an den Spulenkörpern bestimmen. Den abstoßenden Coulombkräften der Elektronen wirkt der Pincheffekt und die Lorentzkraft entgegen. Elektronen, deren Geschwindigkeit die Mittlere derart übersteigt, daß sie aus ihren erzwungenen Kreisbahnen ausbrechen, treffen auf die sekundäremittierende Schicht und erzeugen so Sekundärelektronen solch geringer kinetischer Energie, daß sie wiederum auf die Kreisbahn gezwungen werden.

Zur Nutzung der gespeicherten elektrischen Energie werden die Elektronen mit Hilfe des Gitters mittels einer Steuerspannung abgesaugt. Wird ein Wechselstrom gewünscht, so läßt sich ebenfalls über das Gitter die entsprechende Frequenz aufprägen. Es läßt sich nachweisen, daß die auf diese Weise speicherbare elektrische Energie große Werte annehmen kann. Sie ergibt sich allgemein aus

We,= — ε_ο ·Ε²· V(ε_Γ = 1 im Hochvakuum) ⁽¹⁾

Die Feldstärke E ist der Quotient aus wirkender Kraft zur Ladungsmenge. Die wirkende Kraft im elektrischen Feld wiederum ist

Unter der praktisch vertretbaren Annahme, daß Qi = Q2 ist, kann man auch schreiben

Die Feldstärke ist somit

Mit Q = I · At (6)

isti '

Wenn man für das Volumen nun das einer Kugel angibt

V = yjrr³ (8)

ergibtsich für die gespeicherte elektrische Energie

l²-t²

W_el = —f—- (9)

24 · ε₀ · r

unter der Annahme, daß der Wirkungsgrad η = 1 ist.

Von Interesse ist natürlich auch der Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des beschriebenen Effektes der Speicherung von Elektronen. Da es sich dabei um ein magnetisches Feld handelt, gilt allgemein

2 Mo

Nunfolgt aus der Bahngleichung

Q-v-B =

m-v² (11)

Für die Umlauffrequenz der Elektronenwolke gilt

f = _y_ (13) und damitv² = 4^f²T² (14)

277Γ

Indirekt ist aus Gl. (14) zu entnehmen, daß die Geschwindigkeit der Elektronen erst bei extrem hohen Frequenzen derart ansteigen würde, daß für die Funktion des Gerätes hinderliche relativistische Effekte auftreten würden. Das Volumen, welches vom magnetischen Fluß durchflutet wird, ist

V = rrr³ (15)

Dies ergibt sich daraus, daß das Volumen des magnetischen Flusses als gerader Kreiszylinder aufgefaßt werden kann, welcher die Kugel einschließt. Somit ergibt (14) in (12) mit (15) in (10):

W_mag,= (16)

Die Energie, die zum Betreiben des Gerätes aufgewendet werden muß, ist gering. Aus Gl. (16) ist weiter zu schlußfolgern, daß der relative Aufwand zur Aufrechterhaltung des Speichereffektes in dem Maße geringer wird, in dem die Größe der gespeicherten Energiemenge steigt.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Speicherelement soll an Hand nachfolgender Skizzen erläutert werden.

Dabei stellt Skizze 1 eine mögliche Variante des Speicherelementes für elektrische Energie, mit dem die Abnahme von Gleich- und Einphasen-Wechselstrom möglich ist, dar. Als Kathode, also Elektronenquelle, sind für alle Ausführungen mehrere Varianten denkbar:

— Glühkathode

— zugespitzte Kathode

— Sekundär-Elektronen-Vervielfacher

— Beta-Strahlung radioaktiver Substanzen

sowie Kombinationen der vier genannten. Nach der Emission aus der Metalloberfläche werden die Elektronen im magnetischen Feld durch die Lorentzkraft auf annähernd kreisförmige Bahnen gelenkt. Da Wechselspannung anliegt, dreht sich die entstehende Elektronenwolke mit der Frequenz um die vertikale Achse. Da somit eine Relativbewegung der Elektronen zu den magnetischen Feldlinien weitestgehend ausgeschlossen wird, ist der aus den Spulen erzeugte „Gegen"-Induktionsstrom gering. Treffen schnelle Elektronen die sekundäremittierende Schicht, werden Elektronen geringerer kinetischer Energie ausgeschlagen, welche wiederum in die rotierende Elektronenwolke eingehen. Soll elektrische Energie entnommen werden, wird der Regelwiderstand auf einen geringeren Wert geschaltet. Somit vergrößert sich der Ruhestrom, welcher wohl stets vorhanden sein wird, und es werden Ladungen abgesaugt. Wird Wechselstrom benötigt, so wird, ebenfalls durch einen Wechselstromgenerator, die entsprechende Frequenz über das Gitter aufgeprägt. Da der Energieverbrauch der Spulen gering ist, empfiehlt es sich, den Wechselstromgenerator über den eingestellten Ruhestrom des Gerätes zu versorgen. Somit stellt das Ganze ein autonomes-System dar.

Skizze 2 stellt eine mögliche Variante zur Entnahme von Drehstrom dar. Die drei Spulen erzeugen ein Drehfeld, von einem entsprechenden Generator abgegriffen, in dem sich die Elektronen auf annähernd kreisförmigen Bahnen bewegen. Der Abgriff der elektrischen Energie erfolgt analog wie bei Skizze 1. Hier ist es jedoch angebracht, die beim Ladevorgang als Kathode wirkende Elektrode ebenfalls mit einem Gitter zu versehen. Die drei Regelwiderstände, welche die Gitter ansteuern, müssen gekoppelt werden. Die Zuleitung des Gitters zur Kathode muß mit einem Schalter versehen sein, um beim Ladevorgang nicht das Gitter in Funktion treten zu lassen, bzw. man schaltet es in diesem Falle als Anode zur Verbesserung des Ladevorganges. Selbstverständlich sind auch mehr Spulen und/oder mehr Elektroden anwendbar; dies richtet sich nach dem jeweiligen Bedarfsfall. Kombinationen aus Varianten der Skizzen 1 und 2 sind ebenfalls möglich und werden in den Erfindungsansprüchen dargelegt.

Claims (8)

1. Speicherelement für elektrische Energie in Form freier Elektronen als ein im wesentlichen kugelförmigen Körper, in dem ein Hochvakuum herrscht, mit eingebrachten, als Anode und Kathode wirkenden. Elektroden mit Steuer-Gitter, dadurch gekennzeichnet, daß die zu speichernden Elektronen mit Hilfe eines wechselnden magnetischen Feldes, welches durch an ein elektrisches Bauelement liegenden Wechselstrom erzeugt, auf annähernd kreisförmige Bahnen gebracht wird.

2. Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des im wesentlichen kugelförmigen Körpers mit einer sekundäremittierenden Schicht belegt ist.

3. Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Elektroden durch Gitter mit Hilfe des dem Gerät eigenen Ruhestromes erfolgt.

4. Speicherelement nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Elektroden durch Gitter mit Hilfe einer vom Speicherelement unabhängigen Stromquelle erfolgt.

5. Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenquelle zum Laden kalte Kathoden und/oder Glühkathoden und/oder Sekundär-Elektronen-Vervielfacher und/oder Beta-Strahlen radioaktiver Elemente dienen.

6. Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromabnahme über die jeweiligen Gitter Wechselspannung einer gewünschten Frequenz aufgeprägt wird.

7. Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der elektrischen Bauelemente, welche das magnetische Feld erzeugen, direkt oder indirekt über den Ruhestrom des Speicherelementes erfolgt.

8. Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der elektrischen Bauelemente, welche das magnetische Feld erzeugen, über eine vom Speicherelement unabhängige Energiequelle erfolgt.