DE3737794A1 - Anlage zur erzeugung anthropogener bedingungen zur vorgabe von regenwolken - Google Patents

Description

Stand der Technik

Eine Anlage zur künstlichen Herbeiführung von Regenwolken gibt es bisher nicht. Daher ist die ganze Anlage als neu anzusehen.

Es gibt zwar ein Verfahren, aus Konvektivwolken, die Regen abgeben, mehr Regen herauszuholen als sie von Natur aus hergeben würden. Das ist das dynamische Cloud-Seeding (=dynamische Wolkenbearbeitung) durch Applizierung bestimmter Stoffe, die die Regenbildung fördern.

Außerdem gibt es ein anderes Verfahren, aus Wolken, unabhängig von deren Fähigkeit, Regen abzugeben, Regentropfen herauszuholen. Das ist das einfache Cloud-Seeding.

Bei der einfachen Wolkenbearbeitung werden hygroskopische Stoffe wie z. B. Silberjodid, oder Wasserstaub oder Staub­ partikel anderer Art einzeln oder gleichzeitig oder abwechselnd der Wolke beigefügt, was regelmäßig von Flugzeugen aus geschieht, aber auch durch Raketen, Artilleriegeschosse und in anderer Weise geschehen kann. Es werden dabei Wolken, die die Null-Grad-Ebene überschreiten ebenso wie solche, die unterhalb dieser Ebene bleiben, bearbeitet.

Sinn der Wolkenbearbeitung ist es, die Kleinsttröpfchen der Wolke miteinander zur Koaleszenz (Verschmelzung) zu bringen; denn man hat festgestellt, daß nur dann, wenn Kondensattröpfchen mit einem Radius von mehr als 18/1000 mm - Regenkerne - in nennenswerter Zahl in der Wolke vorhanden sind, Niederschlag stattfindet. In sog. "stabilen" Wolken, d. h. in solchen, die nicht regnen, sind die Tröpfchen normalerweise wesentlich kleiner. Solange die Tröpfchen den kritischen Radius nicht überschreiten, können sie nicht miteinander verschmelzen. Die Wolkenbearbeitung dient also dazu, die erforderliche Anzahl an Regenkernen während der kurzen Lebensdauer einer Konvektivwolke herbeizuführen. Dieses Verfahren wird insbesondere von der CSIRO (=Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) in Australien angewandt.

Bei der dynamischen Wolkenbearbeitung, die z. B. besonders in Israel angewandt wird, macht man sich die Tatsache zunutze, daß Konvektivwolken unterkühltes Kondensat bilden können, sobald sie die Null-Grad-Ebene überschreiten. Die Applizierung von Silber-Jodid-Rauch läßt die unterkühlten Tröpfchen gefrieren und setzt dabei eine Kettenreaktion in Gang, was zu einer Explosion der Wolke führt weil in kürzester Zeit große Mengen der Gefrierwärme des Wassers frei werden. Durch die Explosion der Wolke vergrößert sich deren Volumen beträchtlich. Die gebildeten Eiskerne verschmelzen mit noch nicht vereisten Kondensattröpfchen. Das dynamische Cloud-Seeding wird nur bei Wolken angewandt, die die Null- Grad-Ebene überschreiten und bei denen man annehmen kann, daß sie auch ohne Bearbeitung Niederschlag bilden. Die Bearbeitung hat also den Zweck, die ohnehin zu erwartende Niederschlagsmenge zu erhöhen.

Bei beiden Verfahren geht man von vorhandenen natürlichen Wolken aus.

Man hat auch schon versucht, Konvektion künstlich durch Schwärzen eines begrenzten Teils der Erdoberfläche herbeizuführen. Diesen Versuchen konnte jedoch nur ein begrenzter Erfolg zuteil werden, weil Luftmassen, die stärker als die Umgebungsluft erwärmt werden, bei Erreichen einer bestimmten Temperaturdifferenz, die im allgemeinen 4°C nicht überschreitet, vom Erdboden abheben und dann nicht mehr durch die Strahlungsenergie der Sonne - ihrer einzigen Energiequelle - mit weiterer Energie versorgt werden können. Die Dauer der Aufheizung solcher Luftmassen ist daher begrenzt und beträgt in der Regel nicht mehr als 5 bis 15 Minuten. Dadurch bleibt die Aufstiegshöhe bei stabiler Atmosphäre begrenzt, so daß sich oft nicht einmal Wolken bilden können. Ist die Atmosphäre instabil, gibt es ohnehin aufsteigende Luftmassen genügender Höhenausdehnung, und künstliche Verfahren zur Herbeiführung solcher Aufwinde sind überflüssig.

Hier setzt vorliegende Erfindung ein.

Neu ist die Erwärmung einer Luftmenge in einem geschlossenen großen Container mit Transparentdach, so daß der bekannte Glashauseffekt oder andere Energiequellen ausgenutzt werden können. Da die Luft während des Aufheizvorgangs am Entweichen in die freie Atmosphäre gehindert wird, kann sie bis weit über die von der Natur erzielbare Temperaturdifferenz hinaus aufgeheizt werden. Ihre Aufstiegshöhe kann daher im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren in bestimmten Rahmen willkürlich gewählt werden.

Bekannt ist in diesem Zusammenhang, Luft am ungehinderten freien Aufstieg in die Atmosphäre durch Überdachung zu hindern (s. P 22 37 411.4-22), doch setzt bei den bisherigen Verfahren mit Beginn des Aufheizvorgangs schon eine Luftbewegung ein, und die Luft entweicht am offenen Rand, ohne daran gehindert werden zu können. Wegen des offenen Daches kann die Aufheizdauer der Luft nicht willkürlich bestimmt werden, während die Aufheizungszeit bei vorliegender Anlage den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden kann.

Neu ist ferner, daß die zu erwärmende Luft am Boden befeuchtet werden kann, z. B. mit Hilfe von Meerwasser, das man z. B. auf heiße Bleche tropfen läßt, welche sich innerhalb des Containers befinden oder etwa über Düsen in die bereits erwärmte Luft hineinsprüht. Dadurch kann die relative Feuchte der zu präparierenden Luftmasse willkürlich beeinflußt werden, so daß damit auch die Höhe der Wolkenbasis willkürlich festgelegt werden kann.

Neu ist ferner, daß man der bereits fertig präparierten späteren Wolkenmasse schon am Boden mit Hilfe von Zerstäubern oder in ähnlicher Weise Wassertröpfchen der Größenordnung, die den späteren Niederschlag auslösen, hygroskopische Stoffe wie Silberjodid etc. oder Staubpartikel jeweils allein oder alternierend oder gleichzeitig beimischen kann.

Neu ist ferner, daß der Wolkenaufwind stationär an einer bestimmten Stelle stattfindet. Bekannt ist zwar, daß man Aufwinde an einer bestimmten Stelle herbeiführen kann (vgl. das bereits zitierte Patent). Aber man hat bisher noch keine Regenwolken stationär an einer bestimmten Stelle entstehen lassen können.

Neu ist ferner, daß man der aufsteigenden Luftmasse eine kreisende Bewegung, deren Stärke bis zu einem gewissen Grade variierbar ist, verleihen kann und dadurch infolge der Kreiselwirkung die Windkraft bis zu einem gewissen Grade unwirksam machen kann, indem man den Bereich, wo die Luft aufsteigt, in beliebig viele konzentrische Ringflächen unterteilt, die durch vertikale Ringe voneinander getrennt sind und indem man der aufsteigenden Luft mit Hilfe von Umlenkblechen oder Turbinen oder in anderer Weise außer der Vertikalkomponente auch eine Horizontalkomponente verleiht und die Luft gegen die Ringe prallen läßt, so daß eine Drehbewegung entsteht.

Ausführungsbeispiel

Die Luftmasse wird in einem ringförmigen, allseits verschließbaren Bauwerk mit flachem sägeshedartigem Dach, dessen Form eine automatische Reinigung des Daches durch beispielsweise Meerwasser bei Nacht zuläßt, und dessen Dachhaut aus Transparentmaterial, z. B. Glas oder durchsichtigem hartem Kunststoff besteht, solange erwärmt und befeuchtet, bis sie die erforderlichen Auslaßwerte erreicht hat.

Zur Lufterwärmung dienen dünne Heizbleche, die unter Ausnutzung des Glashauseffekts oder in anderer Weise erhitzt werden. Mit Hilfe von Turbinen wird Luftumlauf herbeigeführt. Auf die Heizbleche tropft solange Salzwasser, bis die gewünschte relative Feuchte erreicht ist.

Um die bebaute Fläche so klein wie möglich zu halten, kann das Bauwerk - nachfolgend Ringkammer genannt - aus zwei oder mehreren Stockwerken bestehen. Das untere Stockwerk kann in die Erde hinein verlegt werden, während sich das andere darüber befindet. Heizbleche und Wasserverdampfungsanlage befinden sich nur in der oberen Ringkammer, Fig. 1, 2.

An die Ringkammer schließt sich nach innen eine weitere ringförmige Kammer - die Mischkammer - an. Die Mischkammer hat ebensoviele Stockwerke wie die Ringkammer. Die Mischkammer dient - ebenso wie die Unterteilung der Anlage in mehrere Stockwerke - der Verkleinerung der bebauten Fläche. Luft, die in der Ringkammer stärker erwärmt und mit mehr Feuchtigkeit versehen worden ist, als bei Austritt in die Atmosphäre erforderlich ist, wird hier mit Umgebungsluft gemischt.

Die obere Mischkammer wird mit Hilfe von Turbinen unmittelbar aus der Atmosphäre mit Umgebungsluft beschickt; zur un­ teren Mischkammer führt eine Frischluftzuleitung, die unter der unteren Ringkammer verläuft. Auch am Einlaß zur unteren Mischkammer befinden sich Turbinen, um die Luft aus dem Zuleitungskanal anzusaugen und in die Mischkammer hineinzutreiben, vgl. Abb. 2.

Kurz hinter den Einlässen der Mischkammer befinden sich Luft-Umlenkungs-Bleche, um die verschiedenen Luftmassen in gegensätzliche Richtungen zu bewegen und dadurch kräftige Wirbel zu erzeugen, die der Vermischung der Luftmassen dienen. Vor dem Auslaß der Mischkammer werden die Wirbel durch parallel verlaufende Luftleitbleche - Luftgitter - wieder zerstört, um die Turbulenz der Strömung hinter der Mischkammer möglichst gering zu halten.

Eine Mischkammer kann - muß aber nicht - vorhanden sein, falls der Luft in der Ringkammer bereits die erforderlichen Auslaßwerte gegeben werden.

An die ringförmige Mischkammer schließt sich nach innen eine kreisförmige Anlage an, die nach oben offen ist. Hier sind über die gesamte Kreisfläche verteilt vertikale Ringe vorhanden, die in horizontal verlaufenden Lamellen auslaufen. Die Lamellen zweier benachbarter Ringe bilden jeweils einen Ansaugschlitz, der in Richtung Mischkammer zeigt, um die Luft aus der Mischkammer aufzunehmen, vgl. Abb. 3 und 4. Jede Ringfläche (=Fläche zwischen zwei benachbarten vertikalen Ringen) hat also einen Zuleitungsschlitz.

Die Ringe sind durch radial verlaufende, vertikal gerichtete Stege miteinander verbunden. Diese Stege können um eine horizontal-radial verlaufende Achse gekippt werden, um der aufsteigenden Luft auch eine horizontale Komponente zu verleihen; durch Anprall gegen die Innenseite der Ringe wird der Luft darüber hinaus eine kreisförmige Bewegung aufgezwungen.

Dementsprechend steigt die gesamte Luftmasse nicht nur vertikal auf, sondern in Spiralform. Durch die kreisförmige Bewegung entsteht ein Kreiseleffekt, dessen Stärke durch den Kippwinkel der Stege beeinflußt werden kann. Der Kreiseleffekt kann verstärkt werden durch Turbinen, welche sich zwischen den Ringen befinden und ebenfalls um eine horizontal-radial verlaufende Achse gekippt werden können, so daß die Propellerebene des Lüfters schräg steht. Die Größe des Kippwinkels dieser Turbinen und Stege richtet sich nach der Stärke des natürlichen Horizontalwindes.

Sinn dieser Anordnung ist es, die Wirkung der Windstärke des Naturwindes auf die Aufwindmasse zu vermindern.

Über jeder Ringfläche befinden sich - verteilt über die gesamte Ringfläche - Sprühdüsen, um Wasserstaub in die aufsteigende Luft zu versprühen. Außer den Wassersprühern können auch Auslässe für hygroskopische Stoffe wie Silberjodid u. a. oder für Staubpartikel vorhanden sein.

Über die Zuleitungsschlitze wird den Ringflächen aus der Mischkammer bzw. aus der Ringkammer Luft zugeführt, sobald diese fertig präpariert ist.

Der Innenteil ist in zwei flächengleiche Hälften geteilt: Die äußere Hälfte empfängt Luft aus der oberen Mischkammer, die innere Hälfte Luft aus der unteren. Die äußere Hälfte ist in flächengleiche Ringflächen aufgeteilt, z. B. in 50 Ringflächen. Die innere Hälfte ist in Ringflächen mit gleichen Ringabständen und daher ungleichen Ringflächen aufgeteilt; die Ringflächen werden hier von außen nach innen kleiner. Der Grund dafür liegt in der besseren Beherrschung der Luftgeschwindigkeiten in den Ansaugschlitzen und in einer Verminderung der Reibungsverluste. Die Innenhälfte kann z. B. aus 70 Ringflächen bestehen.

Mit Hilfe der Aufteilung in einzelne Ringflächen wird die Luft über die gesamte, von der Mischkammer eingeschlossene Kreisfläche gleichmäßig verteilt; der horizontale Luftstrom wird in einen vertikalen verwandelt.

Nach der Umlenkung in die Vertikale und/oder vorher wird dem Luftstrom Wasserstaub bzw. hygroskopische Stoffe, zweckmäßigerweise in Schichten, zugeführt. Danach tritt der vertikal-kreisförmige Strom warmer, feuchter und mit Wasserstaub etc. versehener Luft in die freie Atmosphäre, wo er infolge seiner gegenüber der Umgebungsluft geringeren Dichte aufsteigt.

Die ganze Anlage ist in einzelne apfelsinen-scheiben-artige Sektionen unterteilt, um umlaufende Winde und das Aufeinandertreffen gegensätzlich gerichteter Luftströmungen zu verhindern. Die Begrenzungswände der Sektionen setzen sich daher bis zum Mittelpunkt der Anlage fort, vgl. Abb. 5.

Ist die Anlage in 2 (oder mehr) Ebenen unterteilt, dann besteht zwischen den Ringkammern Luftzirkulation, die mit Hilfe von Turbinen herbeigeführt wird, um die Luft aller Kammern gleichmäßig zu erwärmen und zu befeuchten, vgl. Abb. 1.

Ist der Präpariervorgang beendet, werden die Kammern gegeneinander verschlossen, und die obere Ringkammer entleert in eine obere Mischkammer, die untere Ringkammer in eine untere Mischkammer. Die obere Mischkammer entleert in die Außenhälfte des Innenteils, die untere Mischkammer in dessen Innenhälfte.

Es sind grundsätzlich 2 Verfahren zur Herbeiführung einer Cumulus-congestus-Wolke denkbar:

• a) Es wird nur ein Teil des Volumens eines Cumulus congestus präpariert und in die Höhe geschickt: Der präparierte Teil steigt infolge seiner gegenüber der Umgebungsluft geringeren Dichte in dieser auf und verursacht dabei unter sich einen Sog, ähnlich dem Sog eines untergehenden Schiffes. In diesen Sog gelangt Umgebungsluft und wird mit in die Höhe gerissen. Ist die Umgebungsluft feucht und warm, bildet sie in verhältnismäßig geringer Höhe Wolken. Von einer bestimmten Höhe ab, die von dem Schichtungsgradienten der Umgebungsluft abhängt, ist die eingesogene, aufsteigende Luftmasse wärmer als die Umgebungsluft gleicher Höhenstufe, so daß die eingesogene Luft von da an selbst als eine Art aufsteigender Warmluftpfropfen wirkt und andere Luft nach sich zieht.

Dieses Verfahren erfordert warm-feuchte Umgebungsluft in Bodennähe und ist für sehr trockene Umgebungsluft nicht geeignet.

• b) Es wird die gesamte Luftmenge eines Cumulus congestus präpariert und in die Höhe geschickt. Regen wird in erster Linie aus dem Kondensat dieser Menge gewonnen. - Dieses Verfahren kann auch in sehr heißer und trockener Umgebungsluft angewendet werden.

I. Die theoretischen Grundlagen

Es wird davon ausgegangen, daß entgegen einer weit verbreiteten Annahme (vgl. für viele: N. H. Fletcher, Cloud Physics, Cambridge 1962, S. 22) ein laterales Entrainment entweder gar nicht oder nur in sehr geringem Umfang stattfindet. Das ergibt sich aus der in der Anlage beigefügten Aufnahme eines Aufwindschlauches sowie von Bildern von Tornados: Alle Aufwindfelder weisen einen geringeren Druck als die Umgebung auf; bei Tornados ist die Differenz besonders groß. Das dürfte unbestritten sein. Man müßte also annehmen, daß von der Seite her ein Einsog stattfindet. Wäre das der Fall, würde der Aufwindschlauch Einbuchtungen aufweisen. Tatsächlich sind die seitlichen Ränder jedoch glatt (vgl. Bild 6 und 7). Damit ist seitlicher Einsog ausgeschlossen. Inwieweit ein Entrainment von der Oberseite her stattfindet, kann dahingestellt bleiben. Es würde bei künstlichen Wolken nicht anders als bei natürlichen Wolken stattfinden. Kann es aber bei natürlichen Wolken Aufstieg und Niederschlag nicht verhindern, kann es das auch bei künstlichen Wolken nicht.

II. Die Konvektion

In der Natur finden Ablösungen von Luftmassen über derselben Stelle etwa alle 5 bis 15 Minuten statt. Das ist fachbekannt. Die Einstrahlungsenergie der Sonne, die zur Aufheizung des Bodens zur Verfügung steht, beträgt während mehrerer Stunden des Tages etwa 500 W/m². Das ist ebenfalls fachbekannt. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung überschreitet in der Natur 30% normalerweise nicht. Das ergibt sich aus Messungen, die der Antragsteller durchgeführt hat.

Unterstellt man einen Wirkungsgrad von 50%, dann ergibt sich bei einer mittleren Aufheizdauer von 10 Minuten eine Luftmenge von ca. 75 kg, die durch eine Fläche von 1 m² um rund 4°C - die durchschnittliche Ablösungs-Temperatur-Differenz - aufgeheizt werden kann, was bei 40°C eine Luftsäule von ca. 65 m Höhe und 1 m² Querschnitt füllen würde. Da die Differenztemperatur der Säule aber nicht gleichmäßig 4°C beträgt, sondern von unten nach oben abfällt, ist die Säule höher als 65 m und erreicht bei linearem Temperaturabfall ca. 130 m.

Ablösungen finden bei stabiler wie instabiler Atmosphäre statt. Unabhängig vom Zustand der Atmosphäre können mehrere Segelflugzeuge im selben Aufwindfeld in vertikalen Abständen von einigen hundert Metern aufsteigen. Der Vertikalabstand der Segelflugzeuge ist also größer als die senkrechte Ausdehnung der beheizten Luftmasse. Es muß sich also unterhalb der beheizten Luftmasse unbeheizte Umgebungsluftmasse befinden, die durch den Sog der beheizten Luftmasse mit aufsteigt.

Bei stabiler Atmosphäre wird die unbeheizte nachgesogene Luft infolge ihres trocken-adiabatischen Gradienten in den verschiedenen Höhenstufen kälter als die Umgebungsluft. Erfahrungsgemäß ergeben sich bei stabiler Atmosphäre Aufstiegshöhen von ca. 1000 bis 1500 m. Das bedeutet, daß die erwärmte Luft etwa das 8 bis 11fache ihrer Masse mit in die Höhe zieht.

Es reicht daher aus, nur 1/11 bis 1/8 der Wolkenmasse zu präparieren. Ist die Umgebungsluft feucht, bildet sich in geringer Höhe aus der nachgesogenen Umgebungsluft eine Wolke, sobald der Nachsog seine Taupunkt-Temperatur erreicht hat. Infolge der unterschiedlichen Temperaturgradienten von feucht-adiabatischer Luft und geschichteter Umgebungsluft wird die nachgesogene Luftmasse von einer bestimmten Höhe ab, die vom Schichtungsgradienten abhängig ist, wärmer als die Umgebungsluft und wirkt von da ab ihrerseits wie ein Warmluftpfropfen, der andere Luft nach sich zieht. Auf diese Weise gelangen große Luftmengen über die Kondensationsebene hinaus in größere Höhen, wo sie mit Hilfe des dynamischen Cloud-seeding zur Explosion und zum Abregnen gebracht werden, sobald sie die erforderliche Höhe erreicht haben.

III. Inversionsschichten

Die Durchdringung von Inversionsschichten hängt lediglich davon ab, ob der aufsteigende Warmluftpfropfen wärmer oder kälter als die Luft der Inversionsschicht ist. Da die Luft im Container bis weit über die natürlichen Grenzen hinaus erwärmt werden kann, kann jede Inversionsschicht durchstoßen werden.

Berechnungsbeispiel A Gewählt

Konvektivwolke von 1000 m Basisdurchmesser
Sichtbare Wolkenausdehnung: 4000 m
Wolkenuntergrenze 200 m über der Erdoberfläche
relative Feuchte der Wolkenmasse am Boden: ca. 90%
Differenztemperatur zwischen Aufstiegsmasse und Umgebungsluft Δ T = 10°C

Angenommene atmosphärische Bedingungen

Barometerdruck in Stationshöhe: 1013,2 mb
Temperatur in Stationshöhe: 30°C
relative Feuchte der Umgebungsluft am Boden: 70%

Es soll mit Mischkammer gearbeitet werden;
Breite des Mischkammerringes: 30 m
Zustand der in der Heizkammer präparierten Luftmasse bei Eintritt in die Mischkammer: 55°C
Austritt aus der Mischkammer: 40°C, 90% rel. F.
Energiequelle:
Sonneneinstrahlung und Ausnutzung des Glashauseffekts
verfügbare Energie: 500 W/m²

Terminologie

R Außenradius des Heizkammerringes
r Innenradius des Heizkammerringes
r₁ Radius der Wolke=Innenradius des Mischkammerringes
t Präparierzeit
S Einstrahlungsenergie, die verfügbar ist
U Umrechnungsfaktor (860,14 kcal/kWh)
η₁ Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie der Luft; wird mit 0,86 angenommen (die Zahl wurde durch Versuche in einer Versuchsstation, bestehend aus einer rechteckigen Röhre mit Transparentdach über der gesamten Röhrengrundfläche sowie dünnen Heizblechen innerhalb der Röhre zur Aufnahme der Sonnenenergie, ermittelt, indem die Differenz der Wärmeinhalte zwischen dem sekundlich austretenden und eintretenden Luftgewicht festgestellt und mit der gemessenen Einstrahlungsbilanzenergie verglichen wurde).
η₂ Wirkungsgrad der Energieeinspeisung (Verluste durch lichtundurchlässige Dachauflageflächen); 0,9 V Wolkenvolumen
h _w Höhenausdehnung der Wolke in [m]
Δ z je m³ des Wolkenvolumens zu verdampfende Wassermenge in kg
e Verdampfungsenergie des Wassers, 539 kcal/kg
w Anlieferungstemperatur des Meerwassers
Δ w Wärmemenge zur Erwärmung von 1 kg des angelieferten Meerwassers von der Anlieferungstemperatur bis zur Eintrittstemperatur in die Mischkammer
Δ i Wärmemenge zur Erwärmung von 1 kg der angelieferten Luft von Umgebungstemperatur bis zur Eintrittstemperatur in die Mischkammer
Δ i _d Wärmemenge zur Erwärmung von 1 kg des mit der angelieferten Luft angelieferten Wasserdampfes von der Anlieferungstemperatur bis zur Temperatur bei Eintritt in die Mischkammer
P₁ Luftteildruck bei Anlieferung
P₂ Luftteildruck bei Eintritt in die Mischkammer
P _d₁ Dampfteildruck bei Anlieferung
P _d₂ Dampfteildruck bei Eintritt in die Mischkammer
R _g Gaskonstante der Luft, 29,27 mkg/kg grd^-1
R _d Gaskonstante des Wasserdampfes, 47,06 mkg/kg grd^-1
T₁ Lufttemperatur bei Anlieferung in °K
T₂ Lufttemperatur bei Eintritt in die Mischkammer in °K
G _r Gewicht des Rückstandes nach Verdampfung des Meerwassers in kg
c Wasseranteil des Meerwassers
Φ Verhältnis zwischen Volumen des Heizkammerringes und Wolkenvolumen
Q₁ verfügbare Energie
Q₂ erforderliche Energie zur Präparierung der in der Heizkammer befindlichen Luftmenge

Da Q₁=π (R²-r²) t S U η₁ η₂

und

ergibt sich mit

und weil Q₁=Q₂

Mit P₁=10029,25 (P _d₁=302,75) und P₂=9143,58 kg/m² (P _d₂=1188,42) ergibt sich bei Umweltbedingungen von 30°C Lufttemperatur in Bodennähe und 70% rel. F. sowie einer Aufheizung der Aufstiegsmasse auf 55°C bei 74,04% rel. F. mit anschließender Vermischung und dadurch erfolgender Abkühlung auf 40°C bei 90%iger rel. F. bei einer Arbeitszeit von

t = 5 h
t = 2,5 h
R = 3404,33 m|R = 4785,20 m
h = 41,10 m	h = 20,55 m

(h = Σ der lichten Höhen der einzelnen Ringkammern).

Gemäß der in der Anlage durchgeführten Berechnungen erbringt die Station in beiden Fällen aus der präparierten Masse 15 995 t Regenwasser bei einem Meerwassereinsatz von 89 439 t.

Umgebungsbedingungen von 30°C, 20% rel. F.

Bei Umgebungsbedingungen von 30°C und 20% rel. F. ergeben sich dagegen folgende Werte:

t = 5 h
t = 2,5 h
R = 4095,2 m|R = 5767,20 m
h = 29,0 m	h = 14,50 m

Wie oben erbringt die Station 15 995 t Regenwasser, erfordert jedoch einen Meerwassereinsatz von 138 159 t.

Ein grundsätzlich anderes Verfahren ist es, Luft in einer Station in erster Linie zu dem Zweck zu erwärmen und mit Wasserdampf anzureichern, um aus dieser Luft mit Hilfe ihrer Dichtedifferenz gegenüber der Umgebungsluft eine Zugkraft zu gewinnen, durch welche Umgebungsluft von unten nachgesogen wird: Hier wird Kondensat in erster Linie aus der Umgebungsluft gewonnen. Deshalb ist eine warmfeuchte Atmosphäre erforderlich, wie man sie an Küsten mancher Wüstengebiete findet. Andererseits ist die Verdampfung von Meerwasser auch hier erforderlich: Einerseits läßt sich mit Hilfe von Wasserdampf eine große Energiemenge auf kleinem Raum zusammenfassen; andererseits wird durch die nur allmähliche Aufstiegsabkühlung der Gesamtmasse die im Wasserdampf gespeicherte Energie nicht auf einmal, sondern nur nach und nach frei. Dadurch kann man übermäßige Erwärmung der Luft in der Station vermeiden, die zu einem zu raschen Anfangsaufstieg der Masse führen würde: Man vermeidet unnötige Randreibungs- und damit Energieverluste, die mit zunehmender Geschwindigkeitsdifferenz geometrisch steigen würden. Außerdem vermeidet man unnötige Abstrahlungs­ verluste.

Durch Anreicherung mit Wasserdampf beginnt der Kondensationsvorgang und damit der Beginn der Energiefreisetzung in geringerer Höhe, so daß unnötige Temperatur- und damit Dichtedifferenzverluste vermieden werden. Aufstiegs- und Zugkraft der präparierten Massen können bis zu einem gewissen Grade weitgehend gleichmäßig erhalten werden, bis der Nachsog eine solche Vertikalausdehnung erreicht hat, die ein Abregnen ermöglicht oder daß der Nachsog sogar eine eigene Aufstiegskraft gegenüber der Umgebungsluft entwickelt. Letzteres ist bei durchschnittlichen Temperaturgradienten der Umgebungsluft <0,5°C/100 m der Fall und kann dem Nachsog einen Aufstieg bis zur Tropopause ermöglichen. (Die Anzahl der Durchläufe in der Tafel über den Niederschlag aus Nachsog bezieht sich auf einen Aufstieg bis zur Tropopause. Bei Aufstieg bis in geringere Höhen vermindert sich die Zahl der Durchläufe entsprechend. Andererseits wurde bei der Berechnung der Niederschlagsbildung von vorn­ herein lediglich diejenige Niederschlagsbildung berücksichtigt, die bis zur Höhe von rund 5000 m entsteht, obgleich sich auch darüber noch Kondensat bildet).

Da der Nachsog nur etwa 1/8 der vollen Wolkenluftmasse erfordert (oder sogar weniger), ergibt sich bei Umgebungsbedingungen von 30°C und 70% rel. F. und einer Aufheizdauer von

t = 5 h
t = 2,5 h
R = 1301,72 m|R = 1763,0 m
h = 41,1 m	h = 20,55 m

Gemäß den in der Anlage durchgeführten Berechnungen erbringt die Station in beiden Fällen aus dem Kondensat des Nachsogs 41 811 t Regenwasser, sofern die Atmosphäre den Nachsog bis zur Tropopause gestattet, d. h. einen Temperatur­ gradienten von mehr als 0,5°C/100 m hat. Zusammen mit der Regenmenge von 3139,5 t, die aus der Zugmasse ausfällt, ergibt sich dann eine Gesamtleistung von 44 950,5 t je Regenfall bei einem Meerwassereinsatz von 11 180,0 t. Bei Nachsog bis in geringere Höhen vermindert sich die Leistung entsprechend.

Verfahren

Um die Abstrahlung möglichst gering zu halten, ist mit der kürzest möglichen Präparationszeit zu arbeiten. Die Luftmasse ist außerdem zunächst nur schwach zu erwärmen und dann durch Befeuchtung abzukühlen, sodann erneut zu erwärmen und wieder zu befeuchten etc., bis die geforderten Endwerte erreicht sind.

Die in der Heizkammer präparierte Luftmasse wird mit Hilfe von Turbinen oder in ähnlicher Weise über den Innenteil ins Freie geleitet, während gleichzeitig die äußeren An­ saugöffnungen der Ringkammer geöffnet werden, so daß frische Umgebungsluft in die Ringkammern nachströmen kann.

Im Innenteil wird die bereits vertikal strömende präparierte Luft ebenso wie gegebenenfalls der Nachsog schichtweise in Intervallen - z. B. alle 60 Sekunden - mit einer Schicht feinen Wasserstaubes von z. B. 10 m Dicke, der aus Tröpfchen mit Radien von mehr als 18/1000 mm, vorzugsweise mit solchen von etwa 35/1000 mm Radius, besteht, angefüttert, um die Niederschlagsbildung zu fördern. Gleichzeitig oder alternierend kann der Aufstiegsmasse Silberjodidrauch und/oder eine andere geeignete Substanz beigefügt werden, falls sich dies als sinnvoll erweisen sollte.

Bei Arbeit mit Initialwolke und Nachsog

Nachdem die Mischluft ins Freie gelangt ist, bildet sich in etwa 200 m Höhe über Grund eine Wolke von etwa 500 m Vertikalausdehnung. Nachdem die Wolke voll ausgebildet worden ist, steigt sie langsam auf und saugt Umgebungsluft nach sich. Dabei steigt die Wolkenbasis an - im Falle von Umgebungsbedingungen von 30°C und 70% rel. F. bis auf etwa 800 m - bis der Nachsog sich auf sein Kondensationsniveau abgekühlt hat, so daß sich jetzt aus dem Nachsog die eigentliche Wolke bildet, aus der der Regen gewonnen wird.

Bei Regengewinnung allein aus der präparierten Masse

Die präparierte Masse bildet wie im ersten Fall ab etwa 200 m über Grund eine Wolke. Wie im Fall 1 bleibt die Untergrenze der Wolke bis zur vollständigen Ausbildung der Wolke in dieser Höhe bestehen. Die Wolkenvertikalausdehnung ist jedoch x-mal größer - z. B. 8x11 - und es wird Regen nur aus der präparierten Masse gewonnen. Das Heizkammervolumen ist dementsprechend x-mal größer als das im Fall 1.

Nach vollständiger Ausbildung der Wolke steigt auch hier die Untergrenze an: Die Wolke hebt sich als Ganzes. Im Unterschied zu Fall 1, wo die Untergrenze auf verhältnismäßig niedrigem Niveau zum Stehen kommt, steigt sie hier mit der gesamten Masse bis in größere Höhen an.

Im Gegensatz zu Fall 1 eignet sich dieses Verfahren auch für warme Gebiete mit sehr trockener Luft.

Präparierung zum Zwecke der Regengewinnung sowohl aus der präparierten Masse als auch aus Nachsog.

Es handelt sich um eine Kombination von Fall 1 und 2. Entsprechend wechselnder atmosphärischer Bedingungen steigt die Untergrenze bei hoher relativer Feuchtigkeit der Atmosphäre nur wenig an, und es wird Regen aus der präparierten Masse und aus Nachsog gewonnen, oder die Untergrenze steigt sehr stark an, und es kann Regen nur aus der präparierten Masse gewonnen werden. Dieses Verfahren ist zwar ebenso für sehr trockene wie für feuchte Wüstenluft geeignet. Nachteilig ist jedoch, daß es oft mit erheblicher Überkapazität zu fahren ist.

Die Berechnung von Φ

Umweltbedingungen: 30°C, 70% rel. F., 1013,2 mb

Gewählt:
Lufttemperatur am Auslaß der Heizkammer: 55°C
Lufttemperatur am Auslaß der Mischkammer: 40°C
rel. F. am Auslaß der Mischkammer: 90%

• 1. Gewichtsverhältnis der Luftmengen
• 2. Der erforderliche Wasserdampfanteil je kg Warmluft

  2,5 kg Mischluft von 40°C, 90% r. F. enthalten 2,5×43,6003 g Wasserdampf|109,0008 g
  1,5 kg Kaltluft von 30°C, 70% r. F. enthalten 1,5×18,7761 g Wasserdampf	28,1642 g
  	80,8366 g

• 3. Die relative Feuchte der Warmluft
  1 kg Luft von 55°C und 100% r. F. enthält 114,4017 g
  80,8366: 114,4017=70,66% r. F. 1. Probe mit 74,0% r. F.=80,79365 g/kg_L
  2. Probe mit 74,1% r. F.=80,9170 g/kg_L Ergebnis: 74,04% (Probe: 80,843 g/kg_L)
• 4. Die spez. Volumina P _L = 9143,58 kg/m², Luft­ teildruck bei 55°C und 74,04% r. F.
  v _{40, 90%} = 0,9488679 m³/kg_L
  P _L = 9655,2 kg/m²
• 5. 1 kg v₅₅ nimmt den Raum ein von 1,0499782 m³
  2,5 kg v₄₀ beanspruchen 2,3721698 m³ Δ zbei Umweltbedingungen von 30°C, 70% rel. F., 1013,2 mb
  und
  Warmluft von 55°C, 74,04% rel. F., 1013,2 mbΔ z = z₁-z₂ [kg/m³]z₁ = spez. Gewicht des Wasserdampfes bei 55°C, 1013,2 mb und 74,04% rel. F. der Warmluft
  z₂ = spez. Gewicht des Wasserdampfanteils, der sich in der 55°C warmen Luft befindet und aus der Umgebungsluft von 30°C und 70% rel. F. angeliefert wurde.z₁ = x _{55, 74,04%} · γ₅₅
  z₂ = x _{30, 70%} · γ₅₅γ₅₅ = Spezifisches Luftgewicht bei 55°C, 1013,2 mb und 74,04% rel. F. Δ i
  Δ i _d

Da die spez. Wärme von Luft und Wasserdampf zwischen 25 und 65°C annähernd konstant ist, wird

Δ i = c _p (T₂-T₁) c _p = 0,24014 [kcal/kg grd^-1]

Δ i = 6,0035 [kcal/kg_L]

Δ i _d = (T₂-T₁) = 0,44403 [kcal/kg_d grd^-1]

Δ i _d = 11,1008 [kcal/kg_d]

c

wird beim durchschnittl. Salzgehalt des Meerwassers von 3,5% mit 0,695 zu Grunde gelegt.

Umweltbedingungen: 30°C, 20% rel. F., 1013,2 mb

Gewählt:
Lufttemperatur am Auslaß der Heizkammer: 55°C
Lufttemperatur am Auslaß der Mischkammer: 40°C
rel. F. am Auslaß der Mischkammer: 90%

Die Berechnung von Φ

• 1. Gewichtsverhältnis der Luftmengen:
• 2. Der erforderliche Wasserdampfanteil je kg Warmluft

  2,5 kg Mischluft von 40°C, 90% r. F. enthalten 2,5×43,6003 g Wasserdampf|109,0008 g
  1,5 kg Kaltluft von 30°C, 20% r. F. enthalten 1,5×5,2514 g Wasserdampf	7,8771 g
  	101,1237 g

• 3. Die relative Feuchte der Warmluft
  1 kg Luft von 55°C und 100% r. F. enthält 114,4017 g
  101,1237 : 114,4017 = 88,4% r. F. 1. Probe mit 90% r. F. = 101,1020 g
  2. Probe mit 90,1% = 101,2326 g Ergebnis: 90,02% (Probe: 101,1281)
• 4. Die spez. Volumina v _{55, 90,02%} = 1,0802816
  v _{40, 90%} = 0,9488679
  P _L = 8887,09 kg/m², Luft­ teildruck bei 55°C und 90,02% r. F.
• 5. 1 kg v _{55, 90,02%} nimmt den Raum ein von 1,0802816
  2,5 kg v _{40, 90%} beanspruchen 2,3721698

Δ z

Die Berechnung der Anzahl der Durchgänge von 1000-m-Säulen durch die verschiedenen Höhenbereiche

• A) bei Regengewinnung lediglich aus der präparierten Masse (vertikale Wolkenausdehnung: 4000 m, Wolkenbasis: 200 m mit Anhebung der Basis von 200 auf 1200 m, nachdem die Wolke ihre volle Streckung erreicht hat)
• Im ersten Höhenbereich (200 bis 1200 m) entstehen jeweils nur 0,5 Durchgänge einer 1000-m-Säule; denn das oberste Teilchen der Säule legt gerade 1 km zurück, wenn die unterste Schicht die Höhe von 200 m erreicht hat. Im Durchschnitt entstehen deshalb hier nur 0,5 Durchgänge.
  Die Wolke wird zwar sehr wahrscheinlich über 5200 m ansteigen; aus Gründen der Vorsicht bleibt jedoch die Regenbildung, die sich oberhalb von 5200 m vollzieht, unberück­ sichtigt.
• B) bei Regengewinnung in erster Linie aus Nachsog (vertikale Wolkenausdehnung: primär 500 m, Wolkenbasis: 200 m, die bis auf Kondensationsniveau der Umgebungsluft ansteigt; sekundäre Wolkenausdehnung, d. h. Wolkenausdehnung des Nachsogs: ab Kondensationsniveau der Umgebungsluft und bei geeigneter Atmosphäre bis zur Tropopause) Beispiel bezogen auf Küstengebiete in ca. 20 bis 30° nördl. Breite bei Bodenwerten der Umgebungsluft von 30°C und 70% rel. F. sowie einem mittleren vertikalen Temperaturgradienten von -0,65°C/100 m; Wolkenbasis des Nachsogs in ca. 800 m über Grund; Tropopause in 14 km Höhe.
• Ab Höhenstufe 5 (4800-5800 m) soll der Niederschlag zur Sicherheit vernachlässigt werden, obgleich auch in den größeren Höhen noch mit Niederschlägen zu rechnen ist.

Präparierte Luftmasse: Niederschlag für Ausgangswerte von 760 mmHg, t = 40°C, Wolkenbasis in 200 m über Grund

Umgebungsluft: 30°C in Bodennähe; vertikale Temperaturverteilung: durchschnittlich -0,65°C/100 m

Niederschlag aus dem Nachsog bei atmosphärischen Bedingungen von 760 mmHg und t = 30°C sowie 70% relativer Feuchte, alle Werte bezogen auf Bodennähe; vertikale Temperaturverteilung: durchschnittlich -0,65°C/100 m; Wolkenbasis des Nachsogs in 800 m über Grund

100 m; Wolkenbasis des Nachsogs 800 m, Berechnung des Niederschlags aus der Initialwolke bis 5300 m, da die Berechnung des Nachsogs bis 4800 m erfolgte
Spez. Gewicht γ der chem. trock. Luft in 200 m Höhe
1,0362 kg/m₃
Gesamtdruck in 5300 m Höhe	5264,6 kg/m²
Teildruck der chem. trock. Luft in 5300 m	5116,8 kg/m²
γ₅₃₀₀	0,6123 kg/m³
0,82425 kg/m³ @	mittleres Gewicht einer 500-m-Säule von 1 m²	412,1 kg
mittlere Zahl der Durchgänge durch je 1000 m von 200 bis 5300 m	4,85
Niederschlag: 2 g/kgL km-1	3997,4 g/m²
Gesamtleistung	3139,5 t Regenwasser
Erforderlicher Meerwassereinsatz bei atmosphär. Bedingungen von 30°C und 70% rel. F. der Bodenluft	11180 t

Legende zu Abb. 6

Das Bild zeigt einen Aufwindschlauch in den bolivianischen Bergen am Westrand des Amazonasbeckens. Der Aufwind wurde sichtbar, weil ein Lastwagen unterhalb der Kameraposition gerade in dem Augenblick, in welchem eine Ablösung stattfand, den feinen Staub der Sandstraße aufwirbelte. Der mehlartige Sand wurde von der Aufwindmasse in die Höhe getragen. - Wäre seitlicher Einsog vorhanden, wären die Kanten des Aufwindfeldes an den Stellen des Einsogs eingebuchtet. Die Scharfkantigkeit des Aufwindfeldes beweist, daß seitlicher Einsog nicht stattfinden kann. - Aufnahme vom 11. 8. 1987

Legende zu Abb. 7

Die Abbildung zeigt einen Tornado vom 8. 7. 1927 bei Jasper/Minnesota, USA. Innerhalb des Tornado-Schlauches herrscht Unterdruck. Dennoch sind die Ränder des Schlauches glatt bis fast zum Erdboden. Das beweist, daß seitlicher Einsog nicht stattfinden kann.

(Die Aufnahme von L. Handberg und F. W. Lane wurde der Encyclop´die internationale des Sciences et des Techniques, S. 97, Larousse, France 1973, entnommen).

Claims (4)

1. Anlage bestehend aus einem Außen- und Innenteil sowie vorzugsweise einer Mischkammer zwischen Außen- und Innenteil,

2. der Außenteil bestehend aus einem allseitig verschließbaren - vorzugsweise ringförmigen oder polygonalen - Container mit einem vorzugsweise mittigen Loch, das Dach des Containers bestehend aus Transparentmaterial zur Ausnutzung des Glashauseffekts,
der Behälter versehen mit radial angeordneten Luftleitwänden zur Kanalisierung der Luftströme und zur Verhinderung umlaufender Winde
der Behälter bestehend aus einer oder mehreren übereinanderliegenden Kammern, in denen sich - vorzugsweise in der obersten Kammer - Bleche befinden, die von der Sonne oder in anderer Weise erwärmt werden und die ihre Wärme an die an ihnen vorüberströmende Luft abgegeben
der Behälter versehen mit horizontal und/oder vertikal arbeitenden Turbinen zur Erzielung von Luftumlauf zwischen der obersten und den darunter liegenden Kammern, um eine gleichmäßige Präparierung der Luft in allen Kammern zu ermöglichen und zum Austreiben der Luft
der Behälter versehen mit einer Einrichtung, die rel. Feuchte der in der bzw. in den Kammern befindlichen Luft zu erhöhen, indem Wasser - vorzugsweise Meerwasser - über Verteilerleitungen in den Kammern - vorzugsweise in der obersten Kammer - verdampft wird, z. B. dadurch, daß das Wasser auf von der Sonne oder in anderer Weise erhitzte Bleche tropft und dort verdampft wird
der Außenteil ferner bestehend aus einem Frischluftkanal, der sich vorzugsweise unterhalb der untersten Kammer befindet, durch den mit Hilfe von Turbinen oder ähnlichen Einrichtungen Frischluft aus der Umgebung in die Mischkammer geleitet wird.

3. Die vorzugsweise ringförmige Mischkammer zur Verkleinerung der Anlage, die sich vorzugsweise zwischen Außen- und Innenteil befindet, und wo präparierte Luft aus dem Außenteil mit Frischluft vermischt werden kann, bestehend aus

• a) vorzugsweise ebensovielen voneinander abschließbaren Kammern wie Ringkammern vorhanden sind, so daß z. B. die obere Ringkammer - im Fall eines 2-Kammer- Systems - in die obere Mischkammer, die untere Ringkammer in die untere Mischkammer entleert;
• b) versehen mit Luftführungs- und -umlenkblechen, die vorzugsweise kurz hinter dem Einlaß der Mischkammer plaziert sind, und die der Erzeugung kräftiger Wirbel dienen, um präparierte Luft und Frischluft innig miteinander zu vermischen;
• c) versehen ferner mit einer kurz vor dem Auslaß befindlichen Vorrichtung zur Zerstörung der zuvor erzeugten Luftwirbel und zur Erzeugung einer möglichst gleichmäßigen Strömung.

4. Der vorzugweise kreisförmige Innenteil, bestehend aus

• a) übereinander angeordneten Ansaugschächten, die zum Auslaß zu in vertikal verlaufende, konzentrisch angeordnete Ringe übergehen, wodurch die Luft aus einer horizontalen Strömung in eine vertikale umgelenkt wird
• b) Luftleitwänden, die sich bis zum Mittelpunkt der Anlage fortsetzen und zur Verhinderung umlaufender Strömungen dienen sowie gleichzeitig dazu, durch Verkippen in Schrägstellung der aufströmenden Luft eine horizontale, kreisförmige Komponente zu geben, damit die Luft spiralförmig aufsteigt und dadurch Kreiselwirkung entfaltet, so daß die Masse durch den natürlichen Horizontalwind nur unwesentlich versetzt werden kann
• c) Turbinen zur Herbeiführung oder Aufrechterhaltung der Luftbewegung, die gleichzeitig zur Verstärkung der Kreiselbewegung der Luft eingesetzt werden können
• d) eine Wasserverteilungsanlage zur Erzeugung von Wasserstaub, dergestalt, daß dieser Staub gleichmäßig über die gesamte Fläche des Innenteils verteilt und vorzugsweise in zeitlichen Intervallen versprüht werden kann;
• e) einer Anlage zur Erzeugung von Silberjodidrauch, dergestalt, daß dieser Rauch gleichmäßig über die gesamte Fläche des Innenteils verteilt und vorzugsweise in zeitlichen Intervallen der Aufstiegsluft beigefügt werden kann.