DE3433961C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Eisbrechvorganges unter Verwendung von Laserstrahlen, mit denen das Eis vor dem eigentlichen Brechvorgang durch das Schiff bestrahlt wird, um die Festigkeit des Eises herabzu­ setzen.

Um die vereisten Seeregionen für die Schiffahrt freizuhal­ ten, werden Eisbrecher eingesetzt, die allerdings seit Jahr­ zehnten in praktisch unveränderter Bauweise verwendet werden. Diese konventionellen Eisbrecher leiden unter hohem Energieverbrauch, geringer Arbeitsgeschwindigkeit, Störan­ fälligkeiten infolge von Eisschäden und gleichweise schlech­ ten Seeigenschaften im freien Seeraum.

Ein wesentlicher Fortschritt wurde mit einem das Prinzip des Scherbruchs anwendenden Verfahrens erreicht. Auch bei dieser neuentwickelten Eisbrecherform ist eine optimale Eisbrechung nur bei bestimmten Eisstärken und in bestimmten Geschwindig­ keitsbereichen gewährleistet, so daß dieses Eisbrecherkon­ zept ergänzender Eisbrechhilfen bedarf, wenn Arbeitsgeschwin­ digkeit und Einsatzbreite wieder gesteigert werden sollen. Bekannt sind mechanische Eisbrechhilfen, mit denen das Eis vorgeritzt und angerissen wird.

Es ist ein Verfahren zum Bestrahlen von Eis bekannt (JP-OS 53-80 694). Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren, bei dem das Eis unter Aufwendung hoher Energie mit Ultraschall bestrahlt wird. Gleichfalls ein thermisches Verfahren wird durch die JP-OS 58-487 offenbart, bei dem Anrisse mittels Laserstrahlen erzeugt werden, wobei hier ebenfalls ein thermisches Schneiden des Eises durchgeführt wird. Dabei werden Laser mit hoher Energie eingesetzt, die mit UV- oder Infrarotstrahlen arbeiten (Bereich von 10¹⁴ Hz). Auch in der US-PS 35 39 221 wird ein Infrarotlaser zur Loc­ kerung von Gestein zur Anwendung gebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemä­ ßes Verfahren so zu verbessern, daß es möglichst einfach un­ ter Einsatz geringer Energie durchgeführt werden kann und eine wirkungsvolle Vorbereitung des Eises zum leichteren und schnelleren Brechen des Eises ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Eis mittels eines hochfrequenzmodulierten Lasers durch hochfre­ quente Schwingungen mit solcher Frequenz bestrahlt wird, daß die inter- und intramolekularen Schwingungsfrequenzen - Pho­ nonen - in der Kristallstruktur des Eises angeregt werden, um die mechanischen Eigenschaften des Eises zu verändern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Durch das erfinderische Verfahren wird die Struktur des Ei­ ses vor dem eigentlichen Brechvorgang geändert durch Anre­ gung der inter- und intramolekularen Schwingungsfrequenzen in der Kristallstruktur des Eises mittels Bestrahlung durch hochfrequente Schwingungen mit vergleichsweise niedriger Energie.

Die Bestrahlung bewirkt, daß die Kenndaten des Eises, wie die Festigkeit, der Elastizitätsmodul, der Schubmodul und die Bruchzähigkeit des Eises so verändert werden, daß die Brucharbeit des anschließenden Brechvorganges vermindert wird.

Mit dem Verfahren kann auch Eis mit definierter Geometrie herausgebrochen werden, indem die Konturen der erwünschten auszubrechenden Eisfläche bestrahlt und auf diese Weise eine Art Sollbruchfläche vorbereitet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Eis entlang vorgegebener Bahnen rasterartig bestrahlt. Somit wird die Kristallstruktur und damit die mechanischen Eigenschaften des Eises über die gesamte Fläche verändert. Die Festigkeit und der E-Modul werden in diesem Bereich ver­ kleinert, so daß von dem anschließend durchfahrenden Eisbre­ cher wesentlich weniger Energie gefordert wird.

Es gibt Anwendungen, z. B. für Forschungsarbeiten, bei denen eine möglichst homogene Strukturänderung des Eises erwünscht wird. Für diese Fälle wird vorgeschlagen, einen breiten Strahl zu verwenden, um das Eis möglichst flächenhaft in seinen mechanischen Eigenschaften zu verändern und damit ei­ ne gleichmäßige Strukturveränderung zu erreichen.

Das Verfahren zum Unterstützen eines Eisbrechvorganges ist nicht nur für Meereis, sondern auch für jede Eisschicht (Gletscher, Bergseen, u. a.) geeignet, die gebrochen werden muß.

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

Fig. 1 das bahnenweise Bestrahlen einer Eisfläche,

Fig. 2 das flächenmäßige Bestrahlen einer Eisfläche.

Das Eis wird mit Photonen bestrahlt, wobei als Strahlengerät ein Laser verwendet wird. Derartige Einstrahlungen bieten gegenüber den bekannten mechanischen Verfahren eine wesent­ lich einfacher durchführbare Eisbrecherhilfe. Das Strahlenge­ rät als hochfrequenzmodulierter Laser wird, wie in der Zeichnung Fig. 1 gezeigt, mit den Energiestrahlen 15 über das Eis 10 entlang paralleler Bahnen 11 hin- und hergeführt. Durch hochfrequente Schwingungen, deren Frequenz so abge­ stimmt ist, daß damit die inter- und intramolekularen Schwingungsfrequenzen im Eis angeregt werden, wird die Struktur des Eises entlang der Einstrahlbereiche in Form der Bahnen 11 verändert und damit die Festigkeit herabgesetzt. Das Eis läßt sich demzufolge im bestrahlten Bereich 12 an­ schließend durch das Schiff leichter brechen als in den nicht vorbehandelten Stellen 13.

In den Überlappungsbereichen 14 zweier bestrahlter Bahnen 11 kann aufgrund der doppelten Bestrahlung eine weitere Struk­ turveränderung erfolgen.

Will man diese Inhomogenität in der neuen Struktur vermeiden bzw. reduzieren, so wird man einen breiten Energiestrahl 15′ verwenden, der in einem Durchgang das Eis 10 im Bereich 16 großflächig beaufschlagt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Unterstützen eines Eisbrechvorganges unter Verwendung von Laserstrahlen, mit denen das Eis vor dem eigentlichen Brechvorgang durch das Schiff bestrahlt wird, um die Festigkeit des Eises herabzusetzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis mittels eines hochfrequenzmodulierten Lasers durch hochfrequente Schwingungen mit solcher Frequenz be­ strahlt wird, daß die inter- und intramolekularen Schwin­ gungsfrequenzen - Phononen - in der Kristallstruktur des Eises angeregt werden, um die mechanischen Eigenschaften des Eises zu verändern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis flächenmäßig bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis entlang vorgegebener Bahnen rasterartig bestrahlt wird.