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Verfahren und Vorrichtung zur direkten Umwandlung der Energie eines
ionisierten Gasstromes in elektrische Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur direkten Umwandlung der
Energie eines ionisierten Gasstromes in elektrische Energie, ohne Anwendung eines
Magnetfeldes, wobei ein unter Druck stehender Gasstrom verwendet wird und in dem
Gasstrom wenigstens zwei in Strömungsrichtung mit Abstand angeordnete Elektroden
angeordnet sind.
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Es sind bereits verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von elektrischer
Energie durch strömende ionisierte Gase oder Dämpfe bekannt. Bei bekannten Einrichtungen
dieser Art wird elektrische Energie dadurch erzeugt, daß man einen Dampfstrahl aus
einer oder mehreren Düsen austreten läßt, wobei die Düsen eine solche Form haben,
daß der Dampf während des Ausströmens mehrfach seine Richtung ändern muß. In einigem
Abstand von den Düsen ist bei dieser Einrichtung eine Kollektorplatte angeordnet,
die eine der beiden Elektroden bildet, während die andere Elektrode die Düsen darstellen.
Durch das Ausströmen des Dampfes aus den Düsen werden die Düsen elektrisch negativ
und der ausströmende Dampf positiv geladen, wobei der Dampf nach dem Austreten seine
elektrische Ladung an den mit Spitzen versehenen Kollektor abgibt. Bei dieser bekannten
Einrichtung erfolgt die Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz durch Reibung.
Für eine kontinuierliche Umwandlung in elektrische Energie ist die Einrichtung nicht
geeignet.
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Bei einer anderen auf dem gleichen Prinzip beruhenden Vorrichtung
wird der Dampf in einen Behälter eingeleitet, wobei an der Eingangsstelle wiederum
eine mehrfache Umlenkung des Dampfstromes stattfindet. Die zweite Elektrode wird
hierbei durch ein Gitter gebildet. Zur Verbesserung der Wirkung wird in dem Behälter,
in den der Dampf einströmt, ein bestimmter Unterdruck aufrechterhalten.
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Es sind weiterhin Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen zur
Umwandlung der Energie eines Gas- oder Dampfstromes in elektrische Energie die bewegten
Gasströme einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden. Derartige Einrichtungen
werden im allgemeinen als magneto-gasdynamische elektrische Generatoren (MGD-Generatoren)
bezeichnet. Ein derartiger Generator enthält im allgemeinen einen Kanal, durch den
ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Medium, das als elektrisch leitendes
Plasma dient, strömt. Dieser Kanal ist von einer Wicklung umgeben, die, senkrecht
zur Richtung der Plasmaströmung, einen Magnetfluß erzeugt. Im Bereich dieses Magnetflusses
ist der Kanal auf gegenüberliegenden Seiten von Elektroden begrenzt, an die der
Nutzstromkreis angeschlossen ist, in dem unter der Einwirkung der zwischen den Elektroden
induzierter EMK ein elektrischer Strom fließt. Zur Verbesserung der Ladungstrennung
ist es für einen derartigen Generator auch bereits bekannt, eine Ionisierung des
Gas- oder Dampfstromes durch radioaktive Strahlen eines Kernreaktors vorzusehen.
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Die bekannten MGD-Generatoren beruhen auf dem Prinzip, einen ionisierten
Gas- oder Dampfstrom mit hoher Strömungsgeschwindigkeit quer durch ein Magnetfeld
zu leiten, wobei durch Ladungstrennung eine Quer-EMK entsteht, die durch längs der
Strömungsbahn verlaufende Elektroden abgegriffen werden kann.
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Es ist ferner eine Vorrichtung zur Umwandlung von Strömungsenergie
in elektrische Energie bekannt, bei der gleichfalls ein Strom eines gasförmigen
Arbeitsmittels, das Teilchen mit positiver Ladung und freie Elektronen enthält,
durch ein die Strömungsrichtung kreuzendes Magnetfeld geführt wird. Die Elektroden,
an denen der Nutzstromkreis abgenommen wird, sind hierbei an in Richtung der Strömung
versetzten Stellen angeordnet. Bei dieser Vorrichtung werden die freien Elektronen
durch das Magnetfeld und durch das sich im Betrieb ausbildende elektrische Feld
in einer im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung
und quer zum
magnetischen Feld gerichteten Bewegung gehalten, wobei durch die in der Nähe der
Elektroden entstehenden Raumladungen die mit dem Gasstrom stetig nachströmenden
Elektronen aufgefangen werden. Andere im Arbeitsraum sich frei bewegende Elektronen
sind an dem Nutzstrom nicht beteiligt; sie nehmen an der Kraftübertragung nur als
Glied einer Kette teil. Diese Vorrichtung hat einen verhältnismäßig umfangreichen
und komplizierten Aufbau.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, ein Verfahren
zur direkten Umwandlung der Energie eines ionisierten Gasstromes in elektrische
Energie zu entwickeln, bei dem kein Magnetfeld benötigt wird. Die Erfindung befaßt
sich ferner mit der Ausbildung geeigneter Vorrichtungen zur Durchführung des neuen
Verfahrens.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
ein elektrisch neutraler Gasstrom zur Erzeugung eines Druckgradienten in einen Behälter
eingeleitet wird, in dem die Elektroden an zwei Stellen unterschiedlichen Druckes
angeordnet sind, und daß der Gasstrom in dem Bereich zwischen den beiden Elektroden
einer Ionisierung ausgesetzt wird, wobei die Energieumwandlung ausschließlich durch
den Druckunterschied des Gasstromes an den beiden Stellen, an denen sich die Elektroden
befinden, hervorgerufen wird.
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Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal wird die Ionisierung durch eine
Quelle von Neutronen und gegebenenfalls ionisierenden Strahlen hervorgerufen. Die
Quelle von Neutronen und gegebenenfalls ionisierten Strahlen kann gemäß Ausgestaltung
der Erfindung ein Kernreaktor, insbesondere ein Schwimmreaktor sein, in den der
Behälter eingetaucht ist. Die Ionisierung kann auch durch Röntgen- und/oder Gammastrahlen
hervorgerufen werden.
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Es ist außerdem eine zusätzliche Ionisierung anwendbar, die durch
Anordnung einer Schicht von -spaltbaren Produkten auf der Elektrode an der Stelle
niederen Druckes herbeigeführt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter die Form eines an seinen
beiden Stirnseiten geschlossenen Kreiszylinders hat, dessen eine Stirnwand einen
am Umfang verlaufenden Schlitz und dessen andere Stirnwand in der Mitte ein Loch
aufweist, daß längs der Zylinderwandung eine Düse für eine tangentiale Einleitung
des Gasstromes an. eine entsprechende Öffnung in der Zylinderwandung angeschlossen
ist und daß' innerhalb des Zylinders die Elektroden vorgesehen. sind.
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In weiterer Ausbildung dieser Vorrichtung wird für eine der beiden
Elektroden ein linienförmiger Leiter verwendet, der parallel zur Zylinderachse an
der Innenwandung des aus elektrisch isolierendem Material hergestellten Zylinders
angeordnet ist, während: die andere Elektrode durch einen in der Achse des. Zylinders
befindlichen zylindrischen Leiter gebildet wird: Eine der beiden Elektroden kann
auch durch die Innenfläche des aus einem elektrisch leitenden Materials hergestellten-
Behälters gebildet sein, während die andere Elektrode wiederum aus einem in der
Achse des Zylinders befindlichen. zylindrischen Leiter besteht.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform hat der Behälter die Form
einer am Boden offenen Flasche, in die der Gasstrom vom Boden her eingeleitet wird,
wobei die erste Elektrode als Ringelektrode im Innern des Behälters und die zweite
Elektrode, ebenfalls in Ringform, außerhalb des Behälters in der Nähe der düsenförmig
ausgebildeten Flaschenöffnung angeordnet ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bietet gegenüber den bekannten Verfahren
zur Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie vor allem den Vorteil,
daß es leicht und ohne großen apparativen Aufwand durchführbar ist. Die nach der
Erfindung vorgesehene Vorrichtung enthält keine beweglichen mechanischen Teile;
sie ist deshalb außerordentlich betriebssicher. Die elektrische Energie kann außerdem
in angemessenen Werten erzeugt werden. Die Vorrichtung erfordert praktisch keine
Wartung.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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F i g. 1 und 2 zeigen schematisch schaubildlich bzw. im Schnitt eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators zur Erzeugung elektrischer
Energie; F i g. 3 zeigt schaubildlich eine abgewandelte Ausführungsform des Generators
der F i g. 1 und 2; F i g_ 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Generators.
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In einem einen Druckgradienten aufweisenden Gasstrom sind zwei Elektroden
1, 2 in einer ersten Zone 3 bzw. einer zweiten Zone 4 des Gasstroms angeordnet,
zwischen welchen infolge des Druckgradienten eine Druckdifferenz Pi- P, vorhanden
ist (wobei P1 der in der Zone 3 herrschende höhere Druck und P, der in der Zone
4 herrschende niedrigere Druck ist). Dieser Gasstrom wird wenigstens in dem diese
beiden Zonen enthaltenden Abschnitt ionisiert. Zwischen den beiden Elektroden 1,
2 ist dann eine Potentialdifferenz verfügbar, welche eine wachsende Funktion der
Druckdifferenz P1 P, zwischen diesen beiden Zonen 3, 4, sowie des Ionisierungsgrades
des. Gasstroms in diesem Abschnitt ist, wobei die in der Zone des höheren Drucks
P1 liegende Elektrode 1 positiv gegenüber der anderen Elektrode 2 wird.
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Bei den Ausführungsformen gemäß- der F i g. 1,. 2 und 3 wird zur Erzeugung
des Druckgradienten eine Vorrichtung benutzt, welche durch einen Behälter 5 in Form
eines Kreiszylinders gebildet wird; welcher an den beiden Grundseiten
$ und 10 geschlossen ist. Dieser Behälter wird längs wenigstens einer
Erzeugenden des Zylinders tangential zu diesem. mit einem Gasstrom mittels einer
Düse 6 gespeist, welche Druckgas durch einen Stutzen 7 empfängt, wie durch den Pfeil
F (F i g. 2). dargestellt. Die Stirnwand 8: besitzt eine mittlere Öffnung 9; während
die Stirnwand 10 einen Umfangsschlitz 11 aufweist, welcher nur durch Streben 12
zum Halten der Stirnwand 10 unterbrochen wird..
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Wenn ein, Gasstrom unter Ausführung einer Drehbewegung (in der Richtung
der Pfeile R:) in. der in F'i g..1 und. 2 oder in F i g.- 3. dargestellten Voiri'chtung
strömt, tritt bekanntlich in- dem Gasstrom- innerhalb des Behälters 5 ein: von dem:
Umfang zu der Achse des Behälters 5 gerichteter Druckgradient auf; wobei der Druck
von dem. Umfang in: Richtung auf die Achse abnimmt: Gleichzeitig bildet sieh. in
dem Gasstrom ein Temperaturgradient aus, wobei die Temperatur ebenfalls. von, dem
Umfang in Richtung auf die Achse abnimmt. Der-Druckgasstrom.tritt aus
dem
Behälter 5 gleichzeitig durch das mittlere Loch 9 und den Umfangsschlitz 11 aus,
wobei das durch den Schlitz 11 in der Richtung der Pfeile P austretende Gas einen
höheren Druck und eine höhere Temperatur hat, als das durch das Loch 9 in Richtung
der Pfeile A austretende Gas.
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Die Elektrode 1 ist am Umfang des Behälters 5 und die Elektrode 2
etwa in der Achse des Behälters angeordnet. Außer der in F i g. 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform der Elektroden innerhalb des aus einem dielektrischen Werkstoff
hergestellten Behälters kann sie auch durch die leitende Innenfläche des Behälters,
wie in F i g. 3 dargestellt, gebildet werden. Die Elektrode 2 besteht aus einem
Zylinder, welcher von der Stirnwand 10 getragen wird und mit seinem Ende 13 bis
fast an das Loch 9 reicht. Wird eine solche Anordnung ionisierenden Strahlen
14 (F i g. 1 und 2) ausgesetzt, z. B. durch Einführung in einen Kernreaktor,
z. B. einen Schwimmreaktor, so ionisieren diese Strahlen 14 (Röntgenstrahlen, Gammastrahlen)
den Gasstrom innerhalb des zylindrischen Behälters 5 unter Bildung eines Plasmastroms.
Man stellt dann das Auftreten einer elektromotorischen Kraft fest, deren Größe mit
der Drehgeschwindigkeit des Strömungsmittels in dem Behälter 5 praktisch proportional
zunimmt und mit der Intensität der ionisierenden Strahlen 14 wächst. Die
Umfangselektrode 1,
welche in die Zone 3 eintaucht, in welcher das Gas den
höheren Druck hat, ist stets positiv gegenüber der Elektrode 2.
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Infolge der Druckdifferenz bzw. der Dichtedifferenz zwischen den Zonen
3 und 4 ist in ihnen die mittlere freie Weglänge der Elektronen und auch der Ionen,
welche in dem Gasstrom durch die ionisierenden Strahlen 14 erzeugt werden,
verschieden, wobei die mittlere Weglänge in der Niederdruckzone 4 größer als in
der Zone 3 mit höherem Druck ist. Infolgedessen haben die Elektronen des Plasmas
in der Zone 4 eine größere kinetische Energie als in der Zone 3. Sie polarisieren
daher die Elektrode 2 gegenüber der Plasmamasse des Behälters 5 negativ auf einen
dem Absolutwert nach höheren Wert als den, auf welchen die Elektrode 1 negativ polarisiert
wird. Die Elektrode 1 wird daher positiv gegenüber der Elektrode 2. Es tritt somit
eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 auf, deren Wert gleich
ist der Differenz zwischen den Größen der negativen Polarisation der Elektroden
1 und 2.
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Es ist ferner wahrscheinlich, daß die auf den sich in dem Behälter
5 in der Richtung der Pfeile R drehenden Gasstrom wirkende Fliehkraft eine Ansammlung
der schwereren. Ladungen (positive Ionen) an der Innenwand des Kastens 5 in der
Zone 3 bewirkt, wodurch die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 1 und 2 noch
vergrößert wird. Zur Bildung des Gasstroms wird zweckmäßig ein Gas, z. B. Stickstoff
oder Neon, benutzt, welches keine Neigung hat, die von der Ionisierung herrührenden
Elektronen zur Bildung von negativen Ionen zu fixieren, wie dies bei Sauerstoff
und somit bei Luft der Fall sein könnte.
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Es gelingt so, in der Vorrichtung nach F i g. 1 und 2, eine elektromotorische
Kraft in der Größenordnung von einigen zehn Volt zwischen den Elektroden 1 und 2
zu erzeugen. Diese Spannung ist an den Klemmen 15 a, 16 a der beiden
mit den voneinander isolierten Elektroden 1 und 2 verbundenen Leitungen 15 und 16
verfügbar. Der Behälter 5 mit seinen Böden 8 und 10 besteht dagegen aus einem elektrisch
isolierenden (dielektrischen) Stoff. Die Klemme 15a ist natürlich positiv
gegenüber der Klemme 16 a.
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Die verfügbare Stromstärke kann dadurch erhöht werden, daß, wie in
F i g. 3 dargestellt, die ganze innere Umfangsfläche des Behälters 5 zur Bildung
der Elektrode 1 ausgenutzt wird, wobei dann diese Fläche elektrisch leitend und
von der Elektrode 2 isoliert ist, während die Stirnwände 10 und 8 aus einem elektrisch
isolierenden Stoff bestehen.
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Zur Erzielung eines hohen Ionisierungsgrades ist die Oberfläche der
Elektrode 2 (F i g. 3) wenigstens teilweise mit einer Schicht 19 eines spaltbaren
Produkts überzogen, z. B. Uranoxyd, wobei diese Schicht z. B. schraubenförmig ist,
so daß ein Teil der Oberfläche der Elektrode 2 blank bleibt und weiter durch die
Elektronen der Zone 4 polarisiert wird, und der Behälter 5 wird gegebenenfalls zusätzlich
zu den ionisierenden Strahlen 14 in die Nähe einer Quelle von Neutronen 20, z. B.
eines Kernreaktors; insbesondere eines Schwimmreaktors in (leichtem oder schwerem)
Wasser, in welches der Behälter 5 eingetaucht werden kann, gebracht. Unter der Wirkung
der (langsamen) Neutronen eines solchen Schwimmreaktors oder einer anderen Neutronenquelle
treten in dem spaltbaren Produkt der Schicht 19 Kernspaltungsvorgänge auf, wodurch
Strahlen und ionisierende Teilchen erzeugt werden, deren Wirkung gegenüber der der
unmittelbar von dem Schwimmreaktor oder der Neutronenquelle herrührenden ionisierenden
Strahlen vorherrschend wird und eine kräftige Ionisierung des Gasstroms in dem Behälter
5 erzeugt und diesen im wesentlichen in ein Gemisch aus negativen Elektronen und
positiven Ionen (Plasma) umwandelt, Die Elektronen und in geringerem Maß die positiven
Ionen dienen hierbei in der oben erläuterten Weise dazu, die Elektroden 1 und 2
auf verschiedene Potentiale zu bringen, d. h. eine Potentialdifferenz zwischen den
Klemmen 15a und 16 a herzustellen. Abgesehen von den Ionisierungseinrichtungen und
der Ausbildung der Elektrode 1, entsprechen der Aufbau und die Arbeitsweise
des Generators der F i g. 3 denen des Generators der F i g. 1 und 2.
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Innerhalb des Erfindungsgedankens sind natürlich Abwandlungen der
beschriebenen Ausführungsformen möglich. So sind insbesondere in F i g. 4 sehr einfache
Einrichtungen dargestellt, welche durch eine Kammer oder einen Behälter 17 gebildet
werden, in welchem ein Druckgas ankommt, wie durch den Pfeil F dargestellt. Das
Gas tritt aus dem Behälter 17 durch eine Düse 18 ins Freie in Richtung der Pfeile
G, wodurch ein Druckgradient entsteht, insbesondere zwischen einer innerhalb des
Behälters 17 liegenden Zone 3 mit hohem Druck P1 und einer außerhalb des Behälters
liegenden Zone 4 mit niedriger! Druck P2. In dem Behälter 17 wird der Gasstrom einer
kräftigen Ionisierung ausgesetzt, z. B. durch ionisierende Strahlen 14, und in den
Zonen 3 und 4 werden zwei z. B. ringförmige Elektroden 1 und 2 vorgesehen.
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Wie oben unter Bezugnahme auf F i g. 1 und 2 erläutert, wird die Elektrode
2, welche sich in der Nähe der Niederdruckzone 4 befindet (in welcher die Elektronen
des ionisierten Gasstroms oder Plasmas eine größere freie Weglänge und somit eine
größere kinetische Energie haben als in der Zone 3) auf ein dem Absolutwert nach
höheres negatives Potential gebracht, als die in die Hochdruckzone 3 eintauchende
Elektrode
1. Die Elektrode 2 wird daher gegenüber der Elektrode 1 negativ.
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Es genügt dann, an die Elektroden 1 und 2 die Leiter 15,16 anzuschließen,
um an den Klemmen 15 a und 16a dieser Leiter über eine nutzbare Potentialdifferenz
verfügen zu können.
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Nachstehend sind einige Zahlenangaben über eine ausgeführte erfindungsgemäße
Vorrichtung gemacht. In einer Vorrichtung der in F i g. 1 und 2 dargestellten Art,
welche mit Argon gespeist und durch Röntgenstrahlen mit einer zwischen 10 und 25
keV liegenden Energie ionisiert wurde (bei dieser Energie ist die Ionisierung durch
den photoelektrischen Effekt vorherrschend, es kann jedoch gleichzeitig der Augereffekt
auftreten), konnten 108 bis 109 primäre Ionen-Elektronenpaare hoher Energie je cm3
und je Sekunde erzeugt werden, wobei die primären Elektronen schnell ihre Energie
verlieren und dabei etwa 1011 sekundäre Ionen-Elektronenpaare je cm3 und je Sekunde
erzeugen. Es scheinen im wesentlichen die sekundären Elektronen zu sein, welche
die Herstellung der Potentialdifferenz in der Größenordnung von einigen zehn Volt
an um 1 cm voneinander entfernten Elektroden mit einer Fläche eines Bruchteils eines
Quadratzentimeters ermöglichen, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden Elektroden
100 mm Hg betrug. Dieser vorherrschende Einfuß der sekundären Elektronen würde auch
den Wert des Kurzschlußstroms (in der Größenordnung von 10-9A) erklären.