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"Magnetoplasmadynamische Energieumwandlungsverfahren und Alternator
zur Durch£-ührung dieses Verfahren Die erfindung richtet sich auf ein Verfahren
zur Umwandlung von Wärme in alternierte elektrische Energie mittels eines beweglichen
Plasmagases, und auf den dazugehörigen magnetoplasmadynamischen hl-ternator bzw.
Generator, Dieses Umwandlungsverfahren und die entsprechende Vorrichtung dienen
zur Erzeugung von elek-trischer Energie, filr privaten oder industriellen Bedarf,
in der Größenordnung von 10 Kilowat-t bis 100 Megawatte oder mehr.
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Bei den bisher bekannten Verfahren und Generatoren wird ein Strom
warmen, elektrisch leitenden Gases, Kurz als Plasma bezeichnet,
von
einer Zustandsänderung in ein Magntischen Feld B "gestoßen", das mit Hilfe eines
Außengenerators in rechten linkel der Plasmarichtung zugesetzt wird. Bewegt sich
das Plasma mit der Geschwindigkeit V fort, folgt daraus nach dem Gesetz von LAPLACE
die Errichtung einer elektromotorischen Gegenkraft E = V x B x L (L = Breite zwischen
Elektroden). Dadurch entsteht in dem Plasma mit elektrischer Leitfähigkeit
eine Stromdichte J = #p x #, die im allgemeinen auf einem oder mehreren Paaren von
Elektroden gesammelt wird, welche seitlich in der wärmefesten und elektrisch isolierenden
Düse zur Ableitung des aus strömenden Plas-mas auf einer Ebene angeordnet sind,
und zwar im rechten Winkel zu den Richtungen der Geschwindigkeit V und dem errichteten
magnetischen Induktionsfeld B (B maximum etwa 5 Weber). Bei diesem Verfahren muß
der elektrisch erzeugte Strom J, und zwar unter der Einwirkung eines elektromagnetischen
Stromkreises außerhalb der Düse der das Plasma "erregt", auf eine der Erregung eines
Gleichstromgenerators ähnliche Art durch das Plasma hindurch.
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In Anbetracht der Tatsache, daß die geringe Beweglichkeit der Ionen
in einem gasförmigen Plasma die elektrische Leitfähigkeit ganz von dem Vorhandensein
beweglicher Elektronen in genägendem Maße abhängig macht, muß bei diesem Verfahren
die kathodische Elektrode Elektronen abgeben, und zwar gleich der Höhe des erzeugten
Hauptstromes. Wie erwähnt, würde dieses Verfahren meist zur Erzeugung elektrischer
Energie, in einer Größenrdnung bis hundert megawate oder mehr benutzt.
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Andererseits kaiui die erzeugte Spannung infolge der Begrenzung von
induktiver Erregung B und Plasmageschwindigkeit V (V maximum 4000 m/sec) nicht sehr
hoch sein. Folglich ergeben sich I3elastungen der Kathode von ungefähr 104 Ampère/Bruttomegawatt.
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Elektronische Abgaben von dieser Größe sind nach dem derzeitige Stand
der Teclmik kaum möglich, da die Kathoden allzu hohen Belastungen nicht widerstehen.
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l)ie Begrenzungen durch magnetisches Brregerfeld, schwache Plasmaleitfähigkeit,
und maximale Elektronenabgabe der Kathode bewirken zusammen eine Verringerung des
im Plasma erzeugten Strom und Energie. Sie vermindern entsprechenderweise die Energieumwandlung,
sowie die Wirkungsgrade der nach diesem Verfahren arbeitenden Generatoren oder Alternatoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verringerungen zu
beseitigen oder stark zu vermindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren und mit IIilfe des dazu entsprechenden, magnetoplasmadynamischen (gekürzt:
M.P.D.) Alternators gelöst, nach den erstens anstatt eines magnetischen Feldes einem
beweglichen und pulsierenden Plasma ein elektrischer Erregerstrom im rechten Winkel
seines Ausströmens zugesetzt wird, so daß sich ein gestreifter Wand-erstrom bildet.
Zweitens induziert die diesen Wanderstrom begleitende magnetische Wanderwelle in
dem feststehenden metallenen Kreis einen alternieren Strom elektrischer Energie,
welcher dann den Verbrauchern zugeleitet wird.
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Bei dieses Verfahren ist es unentbehrlich, daß der Erregerstrom
sich
unter Druck von neutralem Gas leicht zwischen beiden Blektroden bewegt, ohne daß
sich sein Weg allzuviel verlängert. Leine solche Verlängerung des Erregerstromweges
würde durch die entsprechende Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit den Erregerstrom
beträchtlich schwächen. Zu diesem Zweck-müssen die emittierenden Kathoden- und Anoden-Flecken
auf.den Elektroden mit der gleichen Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung wie der
aktive Plasmafluß wandern.
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Dies setzt in weiterer Ausgestaltung voraus, daß die Elektroden ununterbrochen
sind und über ihre gesamte Länge aus dem gleichen Material bestehen. Außerdem muß
der Werkstoff der Elektroden das schnelle Wandern der Kathoden- und Anoden-Flecken
ermöglichen.
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Zu diesem Zweck wird, nach einem anderen Merkmal der Erfindung das
Kathodenmaterial aus Metallen oder Legierungen mit -sehr hohem Siedepunkt (über
2000 0c) und Sublimationswärme (über 100 k.Cal/gr.-Atom) gewählt, oder Vorrichtungen
welche ähnliche Eigenschaften zeigen (Funkkathoden, usw.).
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Ein M.P.D.-Alternator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Umwandlungsverfahrens
von Wärme in Elektrizität besteht aus einer Düse aus elektrisch isolierenden und
hochwärmefesten Werkstoff, die zwischen zwei Elektroden ron einem warmem Plasmagas
durchströmt ist, weiter aus einem Hilfsgenerator oder einer Stromquelle welche einen
Erregerstrom, und zwar Wechselstrom (oder modulierter) bei beständigen Plasma, und
Gleichstrom bei pulsierenden Plasme, an die beiden Elektroden liefertm fern.
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aus einem feststehenden, elektromagnetischen, metallenen Stromkreis
supraleitender Art, od. dgl. außerhalb der Düse, in welchen der erzeugte Hauptstrom
induziert wird, wobei der Plasmafluß, der Erregerstrom im Plasma und der Außenstromkreis
im rechten Winkel zueinander gerichtet sind sowie die Elektroden aus Material mit
einem Siede-punkt über 2000 0C und einer Sublimationswärme über 100 k.Cal/gr.-Atom
bestehen und in der Lange ununterbrochen sind.
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Da die Errichtung eines statischen Magnetfeldes es nicht gestatten
würde, einen elektrischen Strom durch Induktion in der Wicklung, oder den Wicklungen
des äußeren elek-tromagnetischen Stromkreises zu sammeln, ist es unerlässlich, dieses
Feld veränderlich zu machen. Deshalb wird durch bekannte Mittel entweder die Gasgeschwindigkeit,
die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas, oder der errichtete elektrische Erregerstrom
al-terniert oder moduliert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vermieden, daß der erzeugte
Hauptstrom das Plasma durchsetzt, sondern lediglich der viel schwächere Erregerstrom,
welcher sich der begrenzten Leitfähigkeit des Plasmas
Kupfer und Elektronenabgabefähigkeit der Kathoden anpaßt. Infolgedessen wird in
der Leitwicklung des äußeren Stromkreises der Hauptstrom induziert.
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Diese Leitwicklung besteht hierzu aus einem stark elektrisch leitenden
Reinmetall wie Kupfer, Aluminium, silber im kriogenischen Zustand oder aus einer
tiefgekühlten, supraleitenden Legierung.
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Da die elektrische Leitfähigkeit von solchen Leitwicklungen 106 bis
108 die den Plasmagasen entsprechen, wird der erzeugte Hauptstrom nicht mehr so
begrenzt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren setzt man dem Plasma ein elektrisches
Gleichstrom- oder fechselstrom-Brregerfeld und damit ein selbstionisierendes System
zu, das auch bei den niedrigen Temperaturen des Plasmas die Erzeugung und Speisung
der elektrischen Leitfähigkeit dieses Stroms begünstigt. Durch das starke elektrische
Feld wird eine hochgradige Ionisierung ausgelöst und zwar ohne "Temperaturausgleich"
zwischen den Elektronen und dem neutralen Gas. Dieses Verfahren hat außerdem den
Vorteil, eine untere Begrenzung der auswertbaren Temperaturunterschiede (z.B. 6000
C bis 2000 °C) im M.P.D.-Zyklus zu ermöglichen.
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Weitere Merlunale und Einzelheiten de-r Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung anhand der schema-tischen Zeichnung, die das Prinzip
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Alternators wiedergibt. Über die Anschlußklemmmen
10 und 11 wird ein von einem Hilfsgenerator 4 erzeugter elektrischer Erregerstrom
J in dem Plasmsfluß 2 zwischen den Elektroden 8 und 9 ausgebildet.
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niese Elektroden 8 und 9 sind ununterbrochen und bestehen aus en-tsprechenden
Material, z.B. Wolfram. Außerhalb der Diise 1 ist ein elektrischer Stromkreis 12,
z.B. aus einem kriogenischen Reinmetall, so angeord-net daß die Achse im rechten
Winkel sowohl zur Geschwind-igkeit V des Plasmastroms 2, als auch zum Erregerstrom
J verläuft. Die dabei entstehende und mit der Geschwindigkeit V wandernde Stromwelle,
die von einer entsprechenden
magnetischen Wanderwelle begleitet
ist, induziert in dem Stromkreis 12 einen elektrischen Strom, dessen Verlauf der
zeitlichen magnetischen Flußanderung entspricht. An den Anschlußklemmen 13 der beiden
Wicklungen des StroMçreises 12 kann ein Wechselstrom geliefert werden.
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Da das in der Zeichnung abgebildete Plasmagas pulsiert, ist bei dieser
Anordnung der Erregerstrom ein Gleichstrom. Bei beständigem Plasmagas dagegen ist
der Erregerstrom ein alternierender oder modulierter Strom. Nach dem Anlauf kann
der Erregerstrom vom Alternator selbst geliefert werden, und zwar,wenn es sich um
Gleichstrom handelt, über einen Gleichrichter.