DE1488432C3 - Verfahren zur magnetohydrodynamischen Erzeugung von Elektrizität - Google Patents

Description

Impfens bestehen die resultierenden, elektrisch leitenden Gase aus einem Gemisch von Elektronen, positiven Ionen und neutralen Atomen, das der Einfachheit halber als »Plasma« bezeichnet werden soll.

Bei diesen Generatoren strömt das Plasma durch ein Magnetfeld, dessen Richtung vorzugsweise senkrecht zur Richtung der Plasmaströmung verläuft, und die Bewegung des elektrisch leitenden Plasmas in bezug auf das Magnetfeld erzeugt eine EMK, deren Richtung sowohl zur Richtung der Plasmaströmung, als auch zur Richtung des Magnetfeldes senkrecht verläuft. Bei jeder Art von Plasmagenerator, ganz gleich ob dieser aus der herkömmlichen Ausführung besteht (bei derein Hallstromfluß unerwünscht ist und keine verwertbare Ausgangsleistung des Generators »5 erzeugt) oder aus einem Hallstromgenerator (bei dem ein Hallstromfluß erwünscht ist und die verwertbare Ausgangsleistung des Generators erzeugt), verläuft der von der vorgenannten EMK erzeugte Stromfluß parallel zu dieser, und dieser Stromfluß muß vorhanden sein, damit eine verwertbare Ausgangsleistung erzeugt wird. Je nach der Ausführung des Generators kann dieser Strom (allgemein als »normaler Strom« bezeichnet zum Unterschied vom Hallstrom) zwischen gegenüberliegenden Elektroden oder innerhalb des Plasmas in sich geschlossen fließen. Als Folge dieses Stromflusses erfolgt längs der Plasmaströmung eine Trennung in positive und negative elektrische Ladungen, wobei ein Spannungsgefälle erzeugt wird, das allgemein entweder als »Hallpotential« oder als »Hallfeld« bezeichnet wird, und das den Stromfluß im Inneren des Generators in der Richtung der Plasmaströmung unterstützt. Bei dem herkömmlichen MHD-Generator verursacht dieser Stromfluß (allgemein als Hallströme bezeichnet) Energieverluste, die für den Betrieb des Generators nachteilig sind, und es wurden verschiedene Maßnahmen getroffen, um deren Bildung zu verhindern.

Es ist jedoch entsprechend der Erfindung möglich, einen MHD-Generator zu bauen, bei dem das Hallpotential mit Vorteil ausgenutzt wird.

Da Elektronen leichter und daher beweglicher sind als Ionen, so tragen sie im allgemeinen den größten Teil des Stromes in einem MHD-Generator. Da die Kräfte des Magnetfeldes auf die Stromträger ausgeübt werden, so wirkt auf die Elektronen der größte Teil der Kräfte ein, die durch deren Bewegung im Feld erzeugt werden.

Wie bereits erwähnt, wird zwischen den Elektroden ein Elektronenstrom (der normale Strom) induziert 5< > durch das Produkkt (FX B), aus der Geschwindigkeit V des Plasmas und dem Magnetfeld B. Bei der bevorzugten Anordnung, bei der die Geschwindigkeit des Plasmas rechtwinklig zum Magnetfeld verläuft, ist dieses Produkt gleich dem arithmetischen Produkt aus den Vektoren, da der Sinus des Winkels zwischen diesen eins ist. Das Magnetfeld wirkt auf den Strom ein und erzeugt eine Kraft, die die Bewegung der Elektronen längs des Kanals mit dem übrigen Teil des Plasmas zu verzögern sucht. Andererseits wirken auf die Ionen, die eine viel größere Masse als die Elektronen besitzen, nur kleine Kräfte ein, wenn sie sich im Magnetfeld bewegen, und sie werden vom Plasma stromab mitgeführt. Auf diese Weise erfolgt die bereits genannte Trennung der Ladungen mit der Folge, daß ein elek-Irisches Feld in der Richtung der Plasmaströmung erzeugt wird. Wie bereits erwähnt, wird dieses elektrische Feld häufig als »Hallfeld« bezeichnet, da die hierbei auftretenden Erscheinungen denen ähnlich sind, die den sogenannten »Halleffekt« verursachen, der früher in massiven Leitern beobachtet wurde.

Die auf die Elektronen einwirkenden Kräfte werden von den Elektronen auf den übrigen Teil der Plasmapartikel durch Zusammenstoß und durch das Hallfeld übertragen. Weiterhin wird die Bewegung der Plasmapartikel durch Zusammenstoß mit den Ionen verzögert, die, obwohl sie mit dem Rest des Plasmas stromab mitgeführt werden, von dem elektrischen Feld zurückgehalten werden, das zwischen diesen und den stromauf geführten Elektronen besteht. Bei der Überwindung der Kräfte als Folge der Zusammenstöße mit den Ionen und Elektronen wirkt das Plasma mit. Dies ist in einer Einrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Leistung zu erwarten.

Der Gedanke, das Hallpotential an sich in einem Generator auszunutzen, ist nicht neu. Zum Beispiel wird in der USA.-Patentschrift 2210918 eine ältere Ausführung eines Hallstromgenerators beschrieben, bei dem die im Plasma induzierten normalen Ströme im Plasma in einem in sich geschlossenen Stromkreis fließen können. Die in der genannten Patentschrift offenbarte Einrichtung ist jedoch durch große, sowohl viskose als auch thermische Verluste gekennzeichnet wegen des großen Verhältnisses der Oberfläche zum Volumen des ringförmigen Strömungskanals, durch den das Arbeitsmittel strömt. In der USA.-Patentschrift 3 091709 wird eine andere Ausführung eines Hallstromgenerators beschrieben, der keinen ringförmigen Strömungskanal aufweist und nicht den Mängeln des Generators nach der erstgenannten USA.-Patentschrift 2210918 unterworfen ist, z.B. den großen viskosen und thermischen Verlusten und Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines kräftigen Magnetfeldes innerhalb eines verhältnismäßig großen Volumens. Zum Unterschied von der Einrichtung nach der USA.-Patentschrift 2210918 werden in der Vorrichtung nach der obengenannten USA.-Patentschrift 3 091709 einander gegenüberliegende Elektroden verwendet, die in der Richtung der Plasmaströmung in Segmente aufgeteilt und zwischen den Schlußelektroden angeordnet sind und die zum Anzapfen des Hallpotentials benutzt werden, das von dem Fluß des normalen Stromes zwischen den gegenüberliegenden Elektroden erzeugt wird.

In der deutschen Auslegeschrift 1126015 sind die einzelnen Außenelektroden elektrisch miteinander verbunden, so daß die Anschlüsse des Verbrauchers eine einzige Anzapfung für den elektrischen Strom darstellen, während erfindungsgemäß gesonderte Anzapfungen zwischen einem Punkt nahe der inneren Grenze des Magnetfeldes und mehreren isolierten Punkten nahe der äußeren Grenze des Magnetfeldes vorgesehen sind.

Aus theoretischer Analyse und Experimenten, die bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, hat sich ergeben, daß es bei Generatoren nach der vorgenannten USA.-Patentschrift 3 091709 in der Praxis unmöglich ist, eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisierung zu erhalten und auszunutzen, wie dies bei der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Dasselbe gilt für die Einrichtung nach der USA.-Patentschrift 2210918, da es unmöglich ist, in einer ringförmigen Arbeitskammer oder einem Arbeitskanal ein genügend starkes und geeignetes Magnetfeld zu erzeugen. Es hat sich ferner gezeigt, daß Generatoren, deren Elektroden in

das Plasma hineinragen, gleichfalls unbefriedigend sind wegen Jer aerodynamischen Verluste und örtlichen Halleffekte, die bei derartigen Elektroden auftreten.

Die theoretische Analyse hat ferner ergeben, daß die vorgenannten örtlichen Halleffekte als Folge einer in das Plasma oder in ein elektrisch leitendes Gas hineinragenden Elektrode die Leistungsdichte oder das innere Leitvermögen des Generators vermindern, ungeachtet des Umstandes, daß die Elektroden eine beliebig feine Längsunterteilung aufweisen können.

Der einzige Weg, den für die gewerbliche Erzeugung einer genügend hohen MHD-Leistung erforderlichen Ionisierungsgrad zu erhalten, bestand bisher darin, ein heißes Arbeitsgas vorzusehen, das »ge- ¹S impft« und auf eine sehr hohe Temperatur in der Größenordnung von 3000° K erhitzt wird.

Leider können solche hohen Temperaturen nur mit Brennern erreicht werden, bei denen fossile Brennstoffe verwendet werden. Es war daher vor der vorlie- a° genden Erfindung praktisch nicht möglich, in einem Plasma- oder MHD-Generator einen Wärmeaustauscher, z.B. einen nuklearen Reaktor zu benutzen. Zum Beispiel wird mit Zäsium geimpftes Argon für diese Zwecke unterhalb von ungefähr 2200° K nicht ^a5 genügend ionisiert, und diese Temperatur liegt immer noch jenseits der Leistungsfähigkeit neuzeitlicher nuklearer Reaktoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plasma für die genannten Zwecke mittels einer nicht im Gleichgewicht befindlichen Ionisierung ausreichend zu ionisieren, d. h. die Elektronen im Arbeitsgas auf Energietemperaturen zu erhitzen, die oberhalb der Temperaturen der Ionen und neutralen Atome im Gas liegen, während eine Gastemperatur von nur ungefähr 1865° K benötigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß getrennt elektrische Ströme abgenommen werden, die in dem festgelegten Raum des Gasstromes zwischen einem Punkt nahe der inneren Grenze des Magnetfeldes und mehreren isolierten Punkten nahe der äußeren Grenze des Magnetfeldes fließen.

Die Erfindung will darüber hinaus die bei Generatoren zur Durchführung dieses Verfahrens möglichen, elektrisch hochleitenden Längsströmungen verhindern.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Außenelektrode aus mehreren elektrisch gegeneinander isolierten und als Ringsegment geformten Einzelelektroden aufgebaut ist und daß getrennte Lasten zwischen den entsprechenden Außenelektroden und der Innenelektrode angeschlossen sind.

Da in das Plasma hineinragende Elektroden unter anderem örtliche Halleffekte hervorrufen können, liegen nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die zum Gasstrom freiliegenden Außenelektroden im wesentlichen mit der unmittelbar benachbarten Kanaloberfläche in einer Ebene.

Im Gegensatz zu anderen Ausgestaltungen des Ka- ⁶°. nals, die aus den oben angeführten Gründen nicht befriedigend sind, erfüllt die Scheibenform die Anforderungen an eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisierung, ohne unzulässige elektrische und aerodynamische Inhomogenitäten zu verursachen, während zugleich die Anwendung der höchst einfachen, wirtschaftlichen und an sich bekannten Verfahren zum Erzeugen starker Magnetfelder im Kanal ermöglicht wird, die für eine ungleichmäßige Ionisierung erforderlich sind. Im besonderen gestattet die Scheibenform die Verwendung von allgemein torusförmigen Feldspulen an der Außenseite und damit einer Kühlfläche am Kanal.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Seitenansicht der Einrichtung nach der Erfindung, die den grundsätzlichen Aufbau und die Arbeitsweise darstellt,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1 und die

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer anderen Ausführung der Außenelektrode.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Wärmequelle 10 mit einem Gaseinlaßrohr 11 für ein einatomiges Gas, das in herkömmlicher Weise auf eine Temperatur z.B. von 1500° K bis 2000° K erhitzt und durch ein Gasauslaßrohr 12 abgelassen wird. Für eine nicht gleichmäßige Ionisierung wird vorzugsweise ein inertes Gas, z. B. Argon, vorgesehen. Infolge des Umstandes, daß nur ein Teil des durch die Wärmequelle 10 strömenden Gases schließlich ionisiert werden kann, und da es offenbar erwünscht ist, den höchstmöglichen Grad von Ionisierung zu erreichen, wird dem Gas im Auslaßrohr 12, das zugleich als Mischkammer dient, eine Alkalisubstanz beigemischt. Alkalien wie Zäsium, Natrium, Pottasche usw. sind anderen Substanzen vorzuziehen, die gleichfalls verwendet werden können, da Alkalien für ihr verhältnismäßig kleines Ionisierungspotential, also ihre leichte Ionisierbarkeit, bekannt sind.

Die Wärmequelle 10 kann aus irgendeiner an sich bekannten Ausführung bestehen und braucht daher nicht weiter beschrieben zu werden. Für diesen Zweck kann z. B. ein Kernenergiereaktor eingerichtet werden, etwa ein Kiesbettheizer oder ein Graphitheizer. Wird z. B. ein Graphitheizer verwendet, so können dessen Hauptbestandteile aus einer großen Anzahl kleiner Graphitstäbe bestehen, die senkrecht in einem hohlen Graphitzylinder aufgestapelt sind, sowie aus Einrichtungen, die den Kern auf eine zum Erzeugen der gewünschten Gastemperatur von beispielsweise 2000° K ausreichende Temperatur erhitzen. In jedem Falle wird das Gas auf die Heiztemperatur erhitzt, indem es durch die Wärmequelle hindurchgeleitet wird. Wenn das erhitzte Gas die Wärmequelle verläßt, so wird es im Rohr 12 oder in einer Kammer, wie bei 13 dargestellt, mit einer leicht ionisierbaren Substanz vermischt, d. h. mit einer Substanz, die bei der Arbeitstemperatur des Gases ionisiert wird. Dieses heiße, elektrisch leitende Gas wird dann in den Generator geleitet.

Aus der Wärmequelle wird das elektrisch leitende Gas zu einem im Ganzen mit 14 bezeichneten, scheibenförmigen Kanal geleitet. Dieser scheibenförmige Kanal 14 weist eine erste, elektrisch nicht-leitende Wandung 15 mit einer in der Mitte angeordneten Öffnung 16 zur Aufnahme des heißen, elektrisch leitenden Gases aus der Wärmequelle 10 auf. Das Rohr 12 wird so kurz wie möglich bemessen, um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Der Kanal 14 weist ferner eine der Wandung 15 mit Abstand gegenüberstehende zweite, elektrisch nicht-leitende Wandung 17 auf. Die Wandungen 15 und 17 werden von geeigneten, nicht dargestellten Einrichtungen in dem

ordnungsgemäßen Abstand voneinander gehalten.

Die den Arbeitsabschnitt 35 des Kanals begrenzenden Wandungen 15 und 17 sind größtenteils ringförmig, flach und im wesentlichen parallel zueinander. Wenn gewünscht, können die Wandungen 15 und 17 etwas auseinanderstreben, um im Arbeitsabschnitt des Kanals eine gleichbleibende Gasgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Die in der Mitte gelegenen Abschnitte 21 und 22 der Wandungen 15 und 17 sind so geformt, daß sie eine Düse 23 bilden, wie in der Fig. 1 dargestellt.

Am Außenrand jeder Wandung sind die Feldspulen 24 und 25 angeordnet, die ein genügend starkes Magnetfeld erzeugen, das den Arbeitsabschnitt 35 des Kanals senkrecht zur Richtung der Gasströmung durchsetzt. Die Richtung der Gasströmung ist durch die Pfeile »u« angedeutet und die Richtung der magnetischen Kraftlinien durch die Pfeile »ß«.

Am Innenrand des Kanals oder am Gaseinlaß 16 ist im Kanal eine erste Elektrode 30 angeordnet, die für das elektrisch leitende Gas freiliegt, während eine ■zweite Elektrode 31 von der ersten Elektrode 30 in der Richtung der Gasströmung versetzt angeordnet ist, d.h. z. B. am Außenrand des Kanals, der gewissermaßen das Ende des Magnetfeldes bildet. Liegt ein noch zu behandelnder »Speichen«-Effekt nicht vor, oder ist dieser zu schwach, um die Wirksamkeit des Generators nennenswert zu beeinträchtigen, so können die beiden genannten Elektroden aus ununterbrochenen Ringen aus einem Elektrodenmaterial be^ stehen, wie in der F i g. 2 dargestellt. Die am weitesten innen gelegene Elektrode wirkt allgemein als Anode und nimmt Elektroden auf, während die Außenelektrode als Kathode wirkt und Elektronen aussendet. Obwohl es nicht wesentlich ist, können an den Wandungen 15 und 17 einander gegenüberstehende Anoden vorgesehen und durch einen äußeren Leiter miteinander verbunden werden, so daß sie als eine einzelne Anode wirken, und ebenso können an den Wandungen 15 und 17 einander gegenüberstehende Kathoden vorgesehen werden, die gleichfalls durch einen äußeren elektrischen Leiter miteinander verbunden sind und als eine einzelne Kathode wirken.

Die Wandungen 15 und 17 können aus irgendeinem geeigneten, elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt werden, ζ B. aus einem keramischen oder feuerfesten Material, das für die Betriebstemperatur des elektrisch leitenden Gases hitzefest ist. Ist eine Kühlung der Wandungen erforderlich, z. B. bei großen Anlagen, so können die Wandungen des Kanals aus einer an sich bekannten Konstruktion unter Verwendung von elektrisch isolierten Metallpflöcken bestehen. Die Elektroden können aus vielen verschiedenen, metallischen sowie nicht-metallischen, Materialien hergestellt werden, z. B. aus Kupfer, nichtrostendem Stahl, Wolfram, Zirkon usw. Je nach der Temperatur des elektrisch leitenden Gases können die Elektroden gekühlt werden, z. B. durch einen Umlauf eines Kühlmittels im Inneren der Elektroden. Im allgemeinen werden die Anoden bis unter die Elektronenemissionstemperaturen abgekühlt, während die Kathoden bei einer so hohen Temperatur arbeiten, daß eine ununterbrochene Elektronenemission erfolgt.

Obwohl nach der Darstellung der Arbeitsabschnitt 35 durch den in der Mitte gelegenen Teil 21 mit dem elektrisch leitenden Gas versorgt wird, kann das Gas auch dem Arbeitsabschnitt 35 durch den Mittelteil 22 hindurch zugeführt werden, entweder aus derselben Wärmequelle heraus oder aus einer zweiten Wärmequelle. Ferner kann trotz der Darstellung eines scheibenförmigen Kanals, bei dem das Gas im Arbeitsabschnitt 35 in einer zur Strömungsrichtung am Eingang des Kanals senkrechten Ebene strömt, der eingeschlossene Winkel zwischen der mittleren Richtung der Gasströmung am Einlaß des Arbeitsabschnittes und der mittleren Richtung der Gasströmung im Arbeitsabschnitt 90° übersteigen. Ist jedoch der eingeschlossene Winkel wesentlich größer als 90°, so werden die Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines geeigneten Magnetfeldes mit der erforderlichen Orientierung in bezug auf die Richtung der Gasströmung und die sich hieraus ergebenden Nachteile so groß, daß eine solche Ausgestaltung weniger vorteilhaft ist. Durch die radiale Bewegung des elektrisch leitenden Gases gleichmäßig um die Düse 23 herum zum Außenrand 33 des Kanal-Arbeitsabschnittes 35 und

ao damit durch die magnetischen Kraftlinien hindurch wird ein elektrisches Potential erzeugt, das dem Querprodukt (VX B) aus der Geschwindigkeit V des Gases und der Magnetfeldstärke B proportional ist. Unter dem Einfluß dieses Potentials fließt ein Elektrons nenstrom im Kanal kreisförmig herum. Da der Kanal scheibenförmig ist, ist dieser Stromfluß nicht nur ringförmig und in sich geschlossen, sondern auch senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und senkrecht zur Richtung der Gasströmung. Dieser zuweilen als normaler Strom bezeichnete Strom, besonders in MHD-Generatoren mit langgestreckten oder geradlinig verlaufenden Kanälen und mit einander gegenüberstehenden Elektroden zur Aufnahme des normalen-Stromflusses, stellt die Ursache für das vorgenannte Hallpotential zwischen den Elektroden 30 und 31 dar. Wird an die Elektroden 30 und 31 ein geeigneter Stromverbraucher angeschlossen, so fließt durch diesen ein Strom.

Die Scheibenform eignet sich besonders für MHD-Generatoren, die bei einem hohen üjt-Wert arbeiten, z. B. von 10 und mehr. Der Generator mit einem langgestreckten oder geradlinig verlaufenden Kanal eignet sich nicht für die Arbeit mit einem hohen ωτ-Wert (niedriger Gasdruck und sehr starkes Magnetfeld im Kanal) wegen der Ungleichförmigkeiten, die von den bei einer solchen Ausgestaltung des Kanals erforderlichen, gegenüberstehenden Elektroden herrühren. Es wird angenommen, daß diese Ungleichförmigkeiten von den Stromkonzentrationen verur-

5· sacht werden, die an den Elektroden auftreten sowie am Isolator zwischen den Elektroden bei einem hohen ωτ-Wert. Infolgedessen tritt in Gasen, bei denen eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisierung zu erwarten ist (z. B. bei Argon), eine solche Ionisierung immer zuerst in einer Schicht über diesen Elektroden auf, und eine derartige Ungleichmäßigkeit führt zu einer raschen Verschlechterung des Arbeitens in Generatoren mit einem geraden Kanal.

Bei einem ringförmigen Kanal wie bei der Einrichtung nach der USA.-Patentschrift 2 210 918, bei dem die magnetischen Kraftlinien senkrecht zur Längsachse des Kanals verlaufen, ist es außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, die für einen Betrieb mit einem hohen ωτ-Wert erforderliche Magnetfeldstärke zu erzeugen. Bei der scheibenförmigen Ausführung sind andererseits nicht die einander gegenüberliegenden Elektroden erforderlich wie bei einem geraden Kanal, und die Scheibenform eignet sich bc-

sonders gut für die Erzeugung von sehr starken Magnetfeldern, die z. B. von supraleitenden Spulen erzeugt werden können. Die Erfindung ermöglicht daher den Betrieb eines MHD-Generators bei einem hohen ωτ-Wert mit einer bei dem Stagnationspegel eingefrorenen Ionisierung, wobei Hallspannungen in der Höhe von dem Vierfachen von (KxB) erzeugt werden. Mit den älteren Einrichtungen konnten solche Ergebnisse nicht erreicht werden.

Bei Experimenten mit einem kleinen Generator nach der Erfindung traten eine in merkbarer Höhe nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisation und eine Vergrößerung der Ausgangsleistung auf Grund der (VX B)-Ionisierung unter Bedingungen auf, die sehr gut demjenigen entsprachen, das auf der Basis von Experimenten mit elektrischen Feldern und der Theorie vorausgesagt werden kann, wenn Strahlungseffekte eingeschlossen werden. Diese Experimente wurden weiterhin bei Drücken, Temperaturen und Ionisierungspegeln durchgeführt, die nahe an denjenigen Werten lagen, die wahrscheinlich in der Praxis benutzt werden. Es wird daher angenommen, daß die bei den Experimenten vorherrschenden atomaren Vorgänge die gleichen sind, die in einem großen Generator auftreten würden. Weil der Generator bei einem ωτ-Wert von 10 oder mehr arbeiten kann, werden die freien Elektronen im Gas, die in den Arbeitsabschnitt des Kanals eintreten und dabei auf das Magnetfeld stoßen, stark erregt und schlagen Elektronen aus einigen der ankommenden neutralen Atomen heraus. Auf diese Weise kann die Gasionisierung um einen Faktor 10 gegenüber dem Wert erhöht werden, mit dem das Gas in das Magnetfeld eintrat. Am Punkt der größten Ausgangsleistung betrug weiterhin die Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Gases ungefähr das Vierfache des Gleichgewichtswertes, und die Ausgangsleistung lag zwischen dem Zweifachen und dem Zweieinhalbfachen des Höchstwertes, der bei dem thermischen Gleichgewicht für denselben Grad von Gasgleichförmigkeit zu erwarten war.

Bei der Durchführung der oben beschriebenen Experimente wurde ein besonderer Effekt bemerkt, oberhalb ungefähr des Punktes, bei dem eine nicht gleichmäßige Ionisierung begann, d. h. oberhalb des Punktes der größten thermischen Ionisierung. Oberhalb dieses Punktes war die Ionisierung anscheinend unstabil und führte zu mehreren elektrisch hochleitenden Längsströmungen, die der Einfachheit halber als »Ionisierungsspeichen« bezeichnet werden sollen. Diese »Speichen« verminderten die Gleichförmigkeit

¹S des Gases und bewirkten mindestens zum Teil einen Kurzschluß des Hallpotentials zwischen den Elektroden 30 und 31.

Nach der baulichen Ausführung der Erfindung kann die Tendenz zur Bildung der vorgenannten Ioni-

*° sierungsspeichen zumindest vermindert, wenn nicht verhindert werden, indem die Außenelektrode 31 in eine Anzahl von gesonderten Elektroden 31a, 316, 31c... 31« aufgeteilt wird, die voneinander isoliert sind, wie in der F i g. 3 dargestellt, wobei an die einzel-

•5 nen Außenelektroden und an die Innenelektrode 30 gesonderte Stromverbraucher angeschlossen werden. Der Fluß des normalen Stromes wird durch den Pfeil /_v angedeutet und der Fluß des Hallstromes durch

.■' den Pfeil I_H. Wenn gewünscht, kann die Innenelektrode 30 gleichfalls in einzelne Elektroden aufgeteilt werden. Infolge der Aufteilung der Außenelektrode wird die Leistung für jeden Stromverbraucher nur einem begrenzten Teil des Generators entnommen, so daß die Bildung von »Speichen« sehr erschwert wird ebenso wie deren Aufrechterhaltung, wenn sie sich einmal gebildet haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur magnetohydrodynamischen Erzeugung von Elektrizität unter Ausnutzung der Hall-Spannung, bei dem eine leicht ionisierbare Substanz in ein inertes Gas injiziert und das inerte Gas auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um einen wesentlichen Teil der in das inerte Gas injizierten ionisierbaren Substanz zu ionisieren und das Gas elektrisch leitend zu machen, bei dem weiterhin das elektrisch leitende Gas innerhalb eines festgelegten scheibenförmigen Raumes frei expandieren kann und radial in ihm durch ein axial verlaufendes torusförmiges Magnetfeld fließt, wobei der Gasdruck und die Magnetfeldstärke in dem Raum so festgelegt sind, daß eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisation des Gases erzeugt wird, und an der inneren und äußeren Grenze des Magnetfeldes in dem Raum angeordnete ringförmige Elektroden zur Stromabnahme dienen, dadurch gekennzeichnet, daß getrennt elektrische Ströme abgenommen werden, die in dem festgelegten Raum des Gasstromes zwischen einem Punkt nahe der inneren Grenze des Magnetfeldes und mehreren isolierten Punkten nahe der äußeren Grenze des Magnetfeldes fließen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur magnetohydrodynamischen Erzeugung von Elektrizität nach Anspruch 1, bestehend aus einem im wesentlichen scheibenförmigen Kanal mit einer Mittelöffnung, durch die das Gas längs einer vorbestimmten Achse eintritt und aus der das Gas am Umfang den Kanal in einer zur vorbestimmten Achse senkrecht liegenden Richtung verläßt, wobei die Mittelöffnung mit einer Quelle eines einatomigen Gases verbunden ist, das auf eine Temperatur von mindestens 1500° Kelvin erwärmt und mit der bei dieser Temperatur ionisierbaren Substanz geimpft ist, wobei das Magnetfeld durch den Kanal von einer elektromagnetischen Wicklung erzeugt wird, die eine so zu dem Gasdruck in Beziehung stehende Feldstärke liefert, daß eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisation des Gases erhalten wird, und mit Anschlußelektroden, bestehend aus einer inneren Elektrode in der Form eines kontinuierlichen Ringes, der isoliert an der Innenwand des Kanals nahe der Mittelöffnung angeordnet ist, und aus einer Außenelektrode, die um den Umfang herum an der inneren Kanalwand gegen die kontinuierliche ringförmige Elektrode in Stromabrichtung des Gasstromes verschoben angeordnet ist, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode aus mehreren elektrisch gegeneinander isolierten und als Ringsegment geformten Einzelelektroden aufgebaut ist und daß getrennte Lasten (1, 2, 3,... «) zwischen den entsprechenden Außenelektroden und der Innenelektrode angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Gasstrom freiliegenden Außenelektroden im wesentlichen mit der unmittelbar benachbarten Kanaloberfläche in einer Ebene liegen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität mittels magnetohydrodynamischer Generatoren (kurz MHD-Generatoren genannt) unter Ausnutzung der Hall-Spannung, wobei eine leichtionisierbare Substanz in ein inertes Gas injiziert und das inerte Gas auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um einen wesentlichen Teil der in das inerte Gas injizierten ionisierbaren Substanz zu ionisieren und das Gas elektrisch leitend zu machen, bei dem

ίο weiterhin das elektrisch leitende Gas innerhalb eines festgelegten scheibenförmigen Raumes frei expandieren kann und radial in ihm durch ein axial verlaufendes, torusförmiges Magnetfeld fließt, wobei der Gasdruck und die Magnetfeldstärke in dem Raum so festgelegt sind, daß eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisation des Gases erzeugt wird, und an der inneren und äußeren Grenze des Magnetfeldes in dem Raum angeordnete ringförmige Elektroden zur Stromabnahme dienen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, bestehend aus einem im wesentlichen scheibenförmigen Kanal mit einer Mittelöffnung, durch die das Gas längs einer vorbestimmten Achse eintritt und aus der das Gas am Umfang den Kanal in einer zur vorbestimmten Achse senkrecht liegenden Richtung verläßt, wobei die Mittelöffnung mit einer Quelle eines einatomigen Gases verbunden ist, das auf eine Temperatur von mindestens 1500° Kelvin erwärmt und mit der bei dieser Temperatur ionisierbaren Substanz geimpft ist, wobei das Magnetfeld durch den Kanal von einer elektromagnetischen Wicklung erzeugt wird, die eine so zu dem Gasdruck in Beziehung stehende Feldstärke liefert, daß eine nicht im Gleichgewicht befindliche Ionisation des Gases erhalten wird, und Anschlußelektroden, bestehend aus einer inneren Elektrode in der Form eines kontinuierlichen Ringes, der isoliert an der Innenwand des Kanals nahe der Mittelöffnung angeordnet ist, und aus einer Außenelektrode, die um den Umfang herum an der inneren Kanalwand gegen die kontinuierliche ringförmige Elektrode in Stromabrichtung des Gasstromes verschoben angeordnet ist, vorhanden sind. Generatoren dieser Art erzeugen eine elektrische Leistung durch Bewegen eines elektrisch leitenden Mediums in bezug auf ein Magnetfeld. Das benutzte Medium besteht üblicherweise aus einem elektrisch leitenden und heißen Hochdruckgas. Aus der Gasquelle strömt das Medium durch den Generator und induziert auf Grund seiner im allgemeinen großen Geschwindigkeit in bezug auf das Magnetfeld eine EMK zwischen gegenüberliegenden Elektroden im Generator. Das Gas kann z. B. einfach in die Umgebungsluft abgeleitet werden oder, in komplizierteren Anlagen, in eine Rückgewinnungseinrichtung mit einer Pumpe, die das Gas zur Gasquelle zurückleitet. Es können mehrere verschiedenartige Gase verwendet werden; beispielsweise einfach Luft, Verbrennungsprodukte oder inerte Gase wie Helium oder Argon. Um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, werden die Gase auf eine hohe Temperatur erhitzt und können in Abhängigkeit vom Grad der gewünschten Leitfähigkeit oder im Falle der Verwendung einer inerten Gases mit einer Substanz angereichert oder »geimpft« werden, die bei der Betriebstemperatur des Generators leicht ionisiert. Für diesen Zweck können Natrium, Pottasche, Zäsium oder ein Alkalimetalldampf benutzt werden. Unbeachtet des verwendeten Gases und der Art des