DE19744794C2

DE19744794C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Räumung von Plastikminen

Info

Publication number: DE19744794C2
Application number: DE19744794A
Authority: DE
Inventors: Thomas Samland
Original assignee: Thomas Samland
Current assignee: SAMLAND, THOMAS, 78166 DONAUESCHINGEN, DE
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: US20020108485A1; DE19744794A1; US6487950B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Räumung von Plastikminen und eine dazu verwendbare Vorrichtung.

Ein nahezu weltweites Problem stellen die auf ca. 110 Millionen geschätzten verborgenen Landminen dar, die nahezu immer und oftmals in armen Regionen der Erde nach Einstellung der Kampfhandlungen nicht geräumt werden. Eine Mine kostet etwa 10 Dollar, während die Räumung derselben je nach Verfahren etwa 200 bis 500 Dollar kostet. Schon aufgrund dieser Zahlen ist evident, daß Minen aufgrund der geringen Kosten nahezu weltweit eingesetzt wurden bzw. werden und daß statistisch gesehen mehr Minen gelegt als geräumt werden.

Um das Problem der verborgenen Landminen zu lösen muß neben dem weltweiten Verbot des Einsatzes dieser Waffe, dessen sich dankenswerterweise bereits die Diplomaten und Politiker angenommen haben, ein Verfahren entwickelt werden, das zuverlässig und kostengünstig bzw. schnell und ohne viel Einsatz die Minen zu räumen imstande ist.

Neben den Kosten ist ein weiteres Hauptproblem bislang der direkte Einsatz von Menschen beim Minenräumen, die dadurch außerordentlichen Gefahren ausgesetzt sind. Allein in Kuwait kamen Presseberichten zufolge neben zahlreichen Zivilisten mehr als 80 Minenräumer ums Leben. Also ist ein Minenräumverfahren per Distanz insofern von Vorteil, da es weder für Menschen, noch für Material bei den notwendigen Sicherungsmaßnahmen des minenverseuchten Geländes eine Gefährdung darstellt.

Aus der DE 195 12 537 A1 ist ein Verfahren zur Suche von Landminen und eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bekannt. Dazu werden elektro magnetische Gleich- oder Wechselfelder eingesetzt, um die Landminen zu orten oder sogar zu zerstören. Aufgrund der geforderten Erzeugung des elektromagnetischen Feldes mittels einer Spulenanordnung sind jedoch höchstens Frequenzen nennenswerter Leistung bis in den unteren MHz- Bereich hinein generierbar. Neben der geringen Absorption der emittierten Leistung in dem genannten Frequenzbereich durch die Mine muß die starke Absorption der Strahlung durch den die Mine umgebenden Erdboden berücksichtigt werden, so daß die bekannte Anordnung für den genannten Zweck eigentlich nur dann einsetzbar ist, wenn die Landminen freilegen.

US-PS 4,434,345 ist beschreibt ein Verfahren zum Schutz vor Frost in Obstplantagen. Das dort beschriebene Mikrowellensystem, bestehend aus einem Hohlleiter, einem Hornstrahler und einem Reflektor, ist nur bei großen geometrischen Abmessungen in der Lage, Leistungen in der Größenordnung von mehr als 1 kW zu emittieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zivile Räumung der Minenfelder von nicht vollständig metallummantelten Sprengkörpern, wie etwa Minen, insbesondere Anti-Personen-Minen, sog. APM's, im folgenden der Einfachheit halber als Plastikminen bezeichnet, zuverlässig, schnell und mit geringem Aufwand vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens dadurch gelöst, daß gebündelte Mikrowellen hoher Leistung emittiert und das verminte Gelände bzw. der Lageort der Minen gezielt bestrahlt wird. Bevorzugt wird dazu zunächst das minenverseuchte Gelände mittels der Strahlung gerastert, anschließend mittels Radardetektoren anhand der Frequenz und Intensität der Rückstrahlung Rückschlüsse auf die genaue Lage der Minen gezogen und diese schließlich gezielt bestrahlt. Die Information über die Lage der Minen kann auch aus anderen Informationen gewonnen werden; so können etwa auch andere Detektionsverfahren zum Einsatz kommen, vgl. etwa die US-PS 5,592,170 oder Sieber et al (Anti personnel mine detection by using polarimetric microwave imaging. JRC, Ispra/Daimler-Benz, Ulm. In: Konferenz Einzelbericht: Detection Technology for Mines and Minelike Targets, Orlando, USA, Apr. 17-21, 1995, Bd. 2496 (1995), Seiten 14-19).

Metallummantelte Minen lassen sich mit dem hier beschriebenen Verfahren nicht zerstören, wohl aber lokalisieren.

Unter Mikrowellen werden Zentimeter- und Millimeterwellen, d. h. Frequenzbereiche SHF und EHF nach DIN 40015 verstanden.

Eine Mine setzt sich neben der Umhüllung, die oftmals wohl aus Kostengründen und der längeren Haltbarkeit wegen aus Kunststoff und nicht aus Metall besteht, wodurch sie mit Metalldetektoren gar nicht und auch sonst nur sehr schwer detektierbar sind, im wesentlichen aus einem Zünder mit Initialsprengstoff und dem eigentlichen Sprengstoff zusammen, der in der Regel unempfindlicher gegen Stoß und Temperaturveränderungen ist. Physikalisch betrachtet besitzt sowohl der Initialsprengstoff, als auch der Sprengstoff eine Dielektrizitätszahl ε_r, die von der Frequenz des elektrischen Feldes bzw. der elektromagnetischen Welle abhängig ist. Bestrahlt man eine nicht vollständig metallummantelte Mine, vereinfachend als Plastikmine bezeichnet, mit einer elektromagnetischen Welle, so wird ein Teil der Energie der Welle absorbiert. Der Effekt auf den (Initial-) Sprengstoff ist je nach Intensität und Frequenz der Welle:

1. Ausgasung des Sprengstoffes und damit Entschärfung der Mine
2. Explosion aufgrund von Zündung des (elektrischen) Zünders oder des (Initial-) Sprengstoffes aufgrund des elektromagnetischer Effektes oder
3. Verpuffung bzw. Explosion infolge der Erhitzung des Sprengstoffes über die Verpuffungstemperatur hinaus.

Die Verpuffungstemperaturen liegen je nach verwendetem (Initial-) Sprengstoff zwischen 150°C und 380°C.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, Frequenzen zwischen 3 GHz und 80 GHz, insbesondere ISM-Frequenzen gemäß EN 55011 bzw. VDE 0875 in diesem Bereich und hiervon bevorzugt 61,250 GHz, zu nützen, die effektiv mit Gyrotrons gemäß Patentanspruch 11 erzeugt werden können (vgl. hierzu auch die schematische Darstellung in Fig. 1). Die wesentlichen Vorteile dieses Frequenzbandes neben der Bereitstellung einer hohen und bevorzugt auch kohärenten Strahlungsleistung im cw- oder gepulsten Modus durch ein Gyrotron gerade gegenüber der durch ein Magnetron erzeugten Strahlung bei 0,91 GHz oder 2,45 GHz sind:

1. Aufgrund der relativ kurzen Wellenlänge bei höherer Frequenz können die vorgeschlagenen Mikrowellenstrahlen quasioptisch über Metallspiegel mit relativ geringer Geometrie reflektiert und fokussiert werden.
2. Die absorbierte Hochfrequenzleistung im Dielektrikum (hier: die Mine) ist proportional zur Frequenz und zum dielektrischen Verlusttangens, der wiederum in diesem Bereich für viele Sprengstoffe ungefähr proportional zur Frequenz zunimmt. Bei der in Patentanspruch 5 vorgeschlagenen Frequenz von 61,250 GHz ist die Mikrowellenabsorption also im Vergleich zu 2,45 GHz um mehr als den Faktor 400 effektiver.
3. Die höhere Frequenz erlaubt darüberhinaus ein höheres Auflösungsvermögen als "ground penetration radar". Bisherige Systeme bewegen sich etwa mit 5 cm bis 10 cm am Rande des geforderten Auflösungsvermögens (Sieber et al: aaO).

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Pulsbetrieb mit Gyrotrons noch höhere Leistungen möglich. Bevorzugt werden beim Einsatz von gepulster Strahlung mindestens zwei Hochleistungspulse auf jede Mine abgegeben.

Gemäß Patentanspruch 3 erhält man ein Frequenzband, welches bis zu mindestens 0,5 m und somit tief genug in die Erde eindringt und vom Sprengstoff als Dielektrikum hinreichend stark absorbiert wird.

Noch höhere Frequenzen haben aufgrund der geringeren Wellenlänge den entscheidenden Nachteil, nicht mehr tief genug in die Erde einzudringen.

Da Mikrowellen hingegen gerade im Frequenzbereich von 3 GHz bis 80 GHz auch in feuchter Erde etwa 0,5 m tief eindringen und etwa mit Gyrotrons Maser hohe Strahlungs- Leistung oberhalb 10 kW cw in diesem Frequenzbereich mit Wirkungsgraden η von bis über 50% vorliegen, deren kohärente Strahlung sich leicht mittels Metallspiegeln fokussieren und ablenken läßt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese zur Räumung durch Entschärfung oder Explosion zu nutzen.

Insbesondere die Verwendung der bevorzugten 61,250 GHz- Frequenz hat den Vorteil, von der Atmosphäre relativ stark absorbiert zu werden und damit die Reichweite von Streustrahlung stark einzuschränken.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Gyrotron verfügt bevorzugt über Permanentmagneten und ein wassergekühltes Mikrowellentransmissionsfenster. Eine solche Ausgestaltung erleichtert das Handling des Gyrotrons durch eine erhebliche Einsparung an Gerätevolumen. Des weiteren ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise mit quasioptischen Reflektoren zur Fokussierung bzw. zur Ablenkung der Strahlung versehen.

Gyrotrons mit Leistungen im kW-Bereich und Frequenzen um 30 GHz werden seit kurzem in geschlossenen, abgeschirmten Räumen zur Keramiksinterung eingesetzt. Dabei läßt sich die Strahlung auf eine Fläche von 1 cm² fokussieren (Thumm, Manfred: State-of-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers 1994, Wissenschaftliche Berichte FZKA 5564, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe, 1995, S. 32)

Schließlich sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, den Mikrowellenemitter an bzw. innerhalb eines Fahrzeuges oder auch eines Flugzeuges oder eines Hubschraubers zu montieren. Die Energieversorgung ist durch die Mitführung eines Stromgenerators gewährleistet. Dabei ist die Fahrzeugelektronik gegen evtl. auftretende Streustrahlung zuverlässig abzuschirmen.

Die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung ist nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines konventionellen Gyrotron-Oszillators und

Fig. 2 den Einsatz quasioptischer Reflektoren zur Ablenkung und Fokussierung des Mikrowellenstrahles.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines konventionellen Gyrotron-Oszillators: Die von der Elektronenkanone 1 emittierten und beschleunigten Elektronen werden innerhalb eines Hohlraumresonators 2 durch starke Magneten 3, in der Regel supraleitende Elektromagneten, auf spiralförmige Bahnen gezwungen und geben ihre Energie teilweise an das elektromagnetische Feld ab, das sich aufbaut. Die so entstandene kohärente Mikrowellenstrahlung 6 verläßt das Gyrotron durch ein Mikrowellentransmissionsfenster 4 und wird anschließend mittels quasioptischer Reflektoren 5, 5' umgelenkt und evtl. fokussiert.

Fig. 2 zeigt schematisch den Einsatz quasioptischer Reflektoren 5, 5' zur Ablenkung und Fokussierung des Mikrowellenstrahles 6. Hier trifft die Strahlung sukzessive auf einen planen 5 und anschließend auf einen fokussierenden parabolischen Reflektor 5'. Geht man von einem Koordinatensystem aus, deren x-Achse dem Betrachter entgegensieht, so läßt sich der Strahl etwa durch Drehung des zweiten Reflektors 5' um seine x- oder z-Achse ablenken, so daß man eine gewisse Fläche mit dem Strahl erfassen kann.

Eine gleichzeitige Bewegung des parabolischen Reflektors entlang der y-Richtung und einer geeigneten Drehung des planen Reflektors um seine x-Achse gestattet eine Veränderung der Fokussion und damit der Brennweite des Strahles.

Claims

1. Verfahren zur Räumung von Plastikminen mittels, gezielter Emission gebündelter Mikrowellenstrahlung hoher Leistung auf das verminte Gelände bzw. den Lageort der Minen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine kohärente Mikrowellenstrahlung generiert wird, welche dann durch Reflexion mittels quasioptischer Reflektoren auf den potentiellen Lageort der Landminen gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das minenverseuchte Gelände gerastert wird, der genaue Lageort der Minen mittels Radar aufgrund der Rückstrahlung im Mikrowellen- bzw. IR-Bereich (Frequenzspektrum, Intensitäten) festgestellt und der ermittelte Lageort der Minen gezielt bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenstrahlung im Frequenzbereich von 3 GHz bis 80 GHz liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der ISM- Frequenzbereiche von 5,800 GHz, 24,125 GHz oder 61,250 GHz genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Frequenz 61,250 GHz verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung ≧ 10 kW beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung gepulst emittiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Pulse pro Mine emittiert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Frequenz (f) der Mikrowellenstrahlung eine solche gewählt wird, bei welcher die Dielektrizitätszahl ε_r des Zünders bzw. des verwendeten Sprengstoffes relativ hoch ist, d. h. ε_r(f) << 1 sowie die Strahlung noch tief genug in den Erdboden eindringt.

10. Vorrichtung zur Räumung von Plastikminen nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Gyrotron zur Erzeugung der kohärenten Mikrowellenstrahlung und quasioptische Reflektoren (5) zur Fokussierung bzw. zur Ablenkung der Mikrowellenstrahlung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gyrotron mit Permanentmagneten (3) und einem wassergekühlten Mikrowellentransmissionsfenster (4) eingesetzt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die quasioptischen Reflektoren (5) aus Kupfer bestehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die quasioptischen Reflektoren (5) aus Aluminium bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die quasioptischen Reflektoren (5) aus Graphit bestehen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung an bzw. in einem ggf. ferngesteuerten Fahrzeug bzw. einem Luftfahrzeug montiert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromgenerator in dem jeweiligen Transportgerät den Mikrowellengenerator mit elektrischer Energie versorgt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeug- bzw. Luftfahrzeugelektronik hinreichend gegen evtl. auftretende Rück- und Streustrahlung durch die Hochleistungsmikrowellenstrahlung verursacht abgeschirmt ist.