DE4316495C2

DE4316495C2 - Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, bestehend (neben der Langstatorwicklung) aus kombinierten Trag-/Führ-/Erreger-Hochtemperatur-Supraleiter-Permanentmagneten, Flüssigwasserstoff gekühlt, für Normalfahrt und Flüssigwasserstoff-Verbrennungskraftmaschine für An-/Notfahrt

Info

Publication number: DE4316495C2
Application number: DE4316495A
Authority: DE
Inventors: Eckart Berling
Original assignee: Individual
Current assignee: Berling Eckart Dipl-Ing 81925 Muenchen De
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2013-05-18
Also published as: DE4316495A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre gat, dessen Linearmotor-Rotor aus kombinierten Trag-/Führ-/ Erreger-HTSL-Permanentmagneten besteht, die mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt werden mit dem die Verbrennungs kraftmaschine als Reserveaggregat betrieben wird. Die Erfin dung dient dem Zweck, ein Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre gat zu schaffen, das für Normalfahrt elektromagnetisch und für An-/Notfahrt thermomechanisch betrieben werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im HTSL-Permanent magnet-Rotor Trag-/Führ-/Erreger-Funktionen zu kombi nieren und damit auf zusätzliche Führmagnete zu verzichten.

"Zur Rekondensierung verdampfenden Wasserstoffs verwenden wir einen rotierenden magnetokalorischen Verflüssiger isentroper (adiabatischer) Entmagnetisierung, bestehend aus Regenerator stufen mit schrittweise abnehmenden Curie-/Sprungtemperaturen. Nach DE 41 28 362 A1 ist ein magnetokalorischer Verflüssiger mit ausschließlich Hochtemperatur-Supraleiter-Regeneratorstufen sukzessiv abnehmender Sprungtemperaturen zwischen den Polen einer Synchronmaschine bekannt. Im Gegensatz zu DE 41 28 362 A1 jedoch stellt die vorliegende Erfindung einen (1) autonomen (ohne Polrad) magnetokalorischen Verflüssiger vor, der aus einer (2) Kombination von Regeneratorstufen aus (3) klassischen Perma nentmagneten mit (4) quasi-permanentmagnetischen Hochtemperatur- und (5) Niedertemperatur-Supraleitern der Shubnikov-Abrikosov- Vortex besteht. Die Sprungtemperatur, bei deren Überschreiten der Supraleiter den supraleitenden Zustand und damit seinen Quasi-Permanentmagnetismus verliert, verhält sich magnetisch analog zur Curietemperatur, bei deren Überschreiten der klassi sche Permanentmagnet seine ferromagnetischen Eigenschaften ver liert und damit kühlt. Der Verflüssiger in DE 41 28 362 A1 ar beitet weder mit klassischen Permanentmagneten noch mit Supra leiter-Quasi-Permanentmagneten, bei denen das Magnetfeld unter halb der Sprungtemperatur eingefroren wird".

1. Magnetschwebebahn-Systeme

Es sind prinzipiell drei verschiedene Magnetschwebebahn- Varianten bekannt - 1. das elektrodynamische Prinzip (EDS), 2. das elektromagnetische Prinzip (EMS), 3. das passive Permanentmagnet-Prinzip (M-Bahn). Als Antrieb und Bremse dient für alle drei Systeme ein synchroner Langsta tor-Linearmotor, der ein magnetisches Wanderfeld erzeugt. Da es nicht möglich ist, eine Synchronmaschine ohne strom führende Wicklungen zu konzipieren, verfügt jedes System über eine Dreiphasen-Wanderfeld-Wicklung, entweder im Fahrzeug oder Fahrweg. Der jeweils komplementäre Teil enthält die Erregermagneten, die im Prinzip 2. gleichzeitig Trag magnete sind. Die Bereitstellung der an Bord notwendigen Energie erfolgt über Lineargeneratoren.

1. Das elektrodynamische Prinzip (EDS) basiert auf elektro magnetischen Abstoßungskräften, die nach einer Anlaufzeit eine freie Luftspalte von ca. 10 cm ermöglichen. Bei lang samer Fahrt und im Stand brauchen EDS-Systeme Stütz- und Führungsräder. Das japanische MLU-System setzt Niedertempe ratur-Supraleiter-Spulen (LHe-gekühlt) im Fahrzeug ein, deren starke Trag-Magnetfelder ein entgegengerichtetes Magnetfeld in den passiven Reaktionsspulen im Fahrweg in duzieren. Die Seitenwand des Fahrwegs enthält die passive Bodenspule für Führung und Antrieb. 2. Das elektromagneti sche Prinzip (EMS) beruht auf den anziehenden Kräften zwischen den in der Bodengruppe des Fahrzeugs angeordneten einzelnen geregelten Elektromagneten und den ferromagneti schen Statorpaketen, die unterhalb des Fahr wegs installiert sind (Transrapid). Die Tragmagnete ziehen das Fahrzeug von unten an den Fahrweg heran, die Führmagnete halten es seitlich in der Spur. Ein elektronisches Regel system stellt sicher, daß das Fahrzeug stets in einem Ab stand von 10 mm zu seinem Fahrweg schwebt. Der Abstand zwischen dem Fahrwegtisch und der Unterseite des Fahrzeugs beträgt im Schwebezustand 15 cm. 3. Das passive Permanent magnet-Prinzip (M-Bahn) bezieht sich auf passive Perma nentmagnete. Da der physikalisch instabile Schwebezustand nur mit aktiver Magnetregelung aufrecht erhalten werden kann, muß die M-Bahn von einem Fahrgestell getragen und geführt werden. Die Magnete dienen lediglich als Erreger teil für den Langstator-Linearmotor und zur Gewichtsent lastung für das Rollengestell. Neuere Entwicklungen (H. Weh, Patentschrift DE 39 27 453 C2 vom 23.5.91) haben das Prinzip der permanenterregten Transversalfluß-Maschine mit Seltene- Erden-Permanentmagneten und z. B. supraleitenden Ankerspu len (Anspruch 10) eingeführt. Hierdurch kann die Führung transversal durch Permanentmagnete geregelt werden.

2. Hochtemperatur-Supraleiter-Permanentmagnete

Dei Typ II-Supraleitern (dies gilt insbesondere für HTSL) muß unterschieden werden zwischen der Meissner-Phase (bis B_c1) und der Shubnikov-Abrikosov-Vortex (bis B_c2), die mit Fremdteilchen zur Ausbildung von Haftzentren (pinning centers) angereichert wird (E. Berling DE 40 29 443 A1 vom 17.9.90). In diesem all fließen große virtuelle Supra ströme durch die Vortex und resultieren zusammen mit dem magnetischen Feld sowohl in abstoßende als auch anziehende Kräfte gemäß dem ersten Maxwellschen Hauptsatz (Gleichfeld)

rot = ∇ × = µ_o _c

und bei eindimensionaler Betrachtung in y-Richtung (Ein heitsvektor)

Da die abstoßenden Kräfte der Meissner-Phase gering sind, wird für die Anwendung sowohl der anziehenden als auch der abstoßenden Kräfte ausschließlich die Shubnikov-Abrikosov-Vortex angewendet gemäß der Lorentz-Kraft F = ∫ J_c × B dv, in der das ein dringende magnetische Feld auf den durch die Haftzentren geführten Suprastrom einwirkt. Als HTSL-Material wird der großen Korngröße wegen YBaCuO verwendet. ISTEC, Tokio, (M. Murakami, Novel Application of high T_c Bulk-Super conductors) verwendet zur Herstellung des Magnetkörpers den Melt-Powder-Melt-Growth (MPMG)-Prozeß und ver wendet als Haftzentren Y₂O₃-Teilchen. Nippon Steel Corp. (M. Tanaka et al., Giant Flux Jump of YBaCuO Superconduc tor and Application to Permanent Magnet) benutzt den Quench and -Melt-Growth (QMG)-Prozeß und verwendet SmBaCuO als Haftzentrum-Kristall. M. Tanaka et al. insbesondere weisen auf das erhebliche Problem der Flußsprünge hin (vergl. Barkhausen-Effekt bei Ferromagneten), das be grenzt werden kann durch Aufteilung in Scheiben mit da zwischenliegenden Aluminium-Kühlkörpern, optimale Kühlung bei 20 K, Silberdotierung etc. Die Daten von M. Tanaka et al. weisen eine um mindestens eine Größenordnung höhere Stromdichte bei 20 K (Flüssigwasserstoff) als bei 77 K (Flüssigstickstoff) aus. Interessanterweise sind die 20 K- Werte besser als selbst die 4.2 K (Flüssighelium)-Werte. Flüssigwasserstoff-Kühlung ist also bei Bulk-Anwendungen das optimalste aller Kühlmedien. Das Texas Center for Superconductivity, TCSUH (R. Weinstein et al., Materials, Characterization and Application for High T_c Superconduc ting Permanent Magnets) weist nach, daß die kritische Strom dichte von Bulkmaterial durch Protonenbestrahlung verbessert wird (E. Berling DE 42 03 419 A1 vom 6.2.92).

Da Wasserstoff auch im ionisierten Zustand auftritt, kann Wasserstoff-Kühlung auch aus diesem Grund Supraleitung verbessern. (Mattias'sche Regel der T_c-Abhängigkeit von der Anzahl der Valenzelektronen).

Die Shubnikov-Abrikosov-Vortex kann angewendet werden wegen seiner anziehenden und abstoßenden Lorentz-Kraft. Da der Suprastrom durch die eingeschlossenen Haftzentren geführt wird, können magnetische Flußmuster einprogrammiert werden. Dadurch können Trag-/Führ-Kräfte einer Magnetschwe bebahn von ein und demselben HTSL-Magneten ausgeübt werden. Während es sich bei dem elektrodynamischen Prinzip um absto ßende Kräfte handelt, bezieht sich das elektromagnetische Prinzip auf anziehende Kräfte. Hei diesem vorliegenden Vorschlag haben wir es - wie beim Transrapid - ausschließ lich mit anziehenden Kräften zu tun, die die Magnetschwebe bahn mit ihrer über den Fahrwegtisch übergreifenden Flanke von unten an die untere Seite des Fahrwegtisches heranzie hen und das Fahrzeug gleichzeitig führen. Anziehende Mag netkräfte werden in der Shubnikov-Abrikosov-Vortex dadurch optimiert, daß ein höchstmögliches magnetisches Feld während des Kühlvorgangs eingeprägt wird. Wird nach dem Kühl prozeß das äußere Feld entfernt, ist das eingeprägte Feld gefangen, eingefroren. Die variablen magnetischen Führ-/ Erreger-Felder werden dem statischen eingefrorenen Trag feld überlagert.

3. Synchroner Langstator-Linearmotor

Die Langstatorwicklung induziert einen Suprastrom im HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Magneten. Trag-/Führ-/ Erreger-Funktionen sind in einem HTSL-Permanent-Magne ten, Flüssigwasserstoff-gekühlt, kombiniert. Da eine Syn chronmaschine nur mit stromführenden Wicklungen konzipiert werden kann, verwenden wir dasselbe Fahrwegprinzip mit konventionellen Wicklungen wie das elektromagnetische Prinzip des Transrapid. Eine Supraleiter-Kühlung ist nur sinnvoll im Fahrzeug selbst, da sonst Kühlaggregate über den gesamten Fahrweg bereitgestellt werden müßten. Für den Linearmotor-Rotor verwenden wir HTSL-Permanent magnete aus z. B. YBaCuO-Bulk-Material mit z. B. Y₂O₃- Haftzentren für die Shubnikov-Abrikosov-Vortex. Das statische Tragfeld wird während des Kühlvorganges aufge prägt (Field-Cooled-Process). Es kann dafür die HTSL- Erregerwicklung (z. B. BiPbSrCaCuO) verwendet werden, die mit demselben Flüssigwasserstoff-Kühlsystem wie der Per manentmagnet gekühlt wird.

Als Spaltsensor verwenden wir ein Hall-HTSL-Halbleiter element aus dotiertem BiPbSrHoCuO, ebenfalls mit demselben Flüssigwasserstoff gekühlt wie Erregerwicklung und Trag-/ Führ-/Erreger-HTSL-Permanentmagnet. Mit der Spaltbreite verändert sich die Flußdichte und damit der senkrecht dazu stehende Stromvektor im Hallelement. Senkrecht zu beiden steht der Hall-Spannungsvektor, der abgegriffen und über die Erregerwicklung rückgekoppelt wird.

Parallel dazu setzen wir ein druckabhängiges HTSL-Piezo- Element, Flüssigwasserstoff-gekühlt (z. B. YBaCuO) ein, bei dem eine Spannung abgegriffen wird, sobald es von einer vom Fahrzeug in den Spalt hereinragenden Schiene berührt wird. Diese Piezo-Spannung induziert einen Rückkopplungs strom in der Erregerwicklung.

Die Spur wird geführt durch den magnetischen Fluß (vir tuellen Suprastrom) der Langstatorwicklung induziert in den HTSL-Permanentmagneten. Dadurch kann auf die magneti sche Seitenführung verzichtet werden, die besonders bei Geschwindigkeiten bis 100 km/h infolge von Wirbelströmen in den Schienen erheblichen Fahrtwiderstand hervorruft und Energie verbraucht. Die geometrische Anordnung von Haftzentren im HTSL-Tragmagnet kann so vorgenommen wer den, daß sie einer optimalen Führung durch den von der Langstatorwicklung induzierten Suprastrom entspricht. (Aufprägen eines Haftzentrenmusters gemäß dem magneti schen Feld der Langstatorwicklung des Fahrwegs. Eindring tiefe x = Ha/Jc).

4. Verbrennungskraftmaschine für An-/Notfahrt

Es muß Vorsorge getroffen werden, daß die Magnetschwebe bahn nach einer Anlaufzeit eine freie Luftspalte von 15 cm erreicht und im Falle einer Störung (Stromausfall, Quenchen der Supraleiter) ihre Fahrt fortsetzen kann. Hitachi, Tokio (DE 39 41 525 A1 vom 15.12.89) hat deshalb für das elek trodynamische Prinzip eine Notfahrt-Hilfsspule eingeführt, die in dem Augenblick induziert wird, in dem die Hauptspule ausfällt. Da aber Haupt- und Hilfs-Spulensystem nicht voll ständig voneinander getrennt werden können, wird für die An-/Notfahrt der Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine vor geschlagen, um auf ausfahrbaren Reserverädern die nächste Station zu erreichen. Die Verbrennungskraftmaschine wird mit demselben Flüssigwasserstoff betrieben mit dem die Hochtemperatur-Supraleiter gekühlt werden. Hei der Ver brennungskraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um einen Mehrkammer-Wankelmotor (Kreiskolbenmotor) mit Keramik-ausgekleidetem Kreiskolbenhubraum, um die Wider standsfähigkeit gegenüber Wasserstoff zu erhöhen. Der Keramik-Verschleiß ist beim Kreiskolbenmotor im Vergleich zum Hubkolbenmotor optimiert. Außerdem neigt der Wankel motor weniger zu Fehlzündungen als der Hubkolbenmotor, was bei Wasserstoff von Bedeutung ist.

5. Magnetokalorische Kühlung/Heizung

Die magnetokalorische Kühlung verhält sich analog der thermodynamischen Kühlung. Im T/s-Diagramm wird die thermodynamische Entropie durch die magnetische Entropie und die Isobaren durch Linien gleicher magnetischer Fluß dichte ersetzt (magnetischer Carnot-Prozeß). Das Arbeits medium ist nicht mehr ein Gas, sondern ein magnetisches Material. In den meisten Fällen wird eine Abkühlung über größere Temperaturspannen und Entropieänderungen verlangt, als mit Hilfe eines einzigen magnetischen Materials in der Umgebung seines Curiepunktes erreicht werden kann (W. Peschka, Flüssiger Wasserstoff als Energieträger). Im Falle von Supraleitern verwenden wir die Shubnikov- Abrikosov-Vortex eines Typ II-HTSL-Permanentmagneten. Für die Curietemperatur eines konventionellen Ferromagne ten setzen wir die Sprungtemperatur des HTSL, Flüssig helium/Flüssigwasserstoff-gekühlt (E. Berling DE 41 28 362 A1 vom 27.8.91). Die Regenerator-Stufen konventioneller Ferromagnete und HTSL-Permanentmagnete werden in einem Magnetfeld aufmagnetisiert, wobei Wärme entsteht. Diese Wärme wird mittels Wärmetauscher zu Heiz zwecken der Magnetbahn abgeführt. Verringert sich das Magnetfeld, werden die Regeneratorstufen abgekühlt, die Kälte wird über Wärmetauscher zur Kühlung der HTSL-Kom ponenten abgeleitet. Es besteht nun die Möglichkeit, die Regeneratorstufen stufenweise aus einer Folge von Materia lien mit sukzessiv abnehmender Curie-/Sprungtemperatur auszugestalten. Als Beispiel steht hier eine Folge von HTSL-Keramiken ergänzt durch Niedertemperatur-Supralei ter bis zum Siedepunkt des Heliums (4.2 K) auf der einen Seite und konventionellen Seltene-Erden-Ferromagneten (Gadolinium-Verbindungen/Legierungen) bis zur Curie temperatur von 293 K auf der anderen Seite.

Gd	293 K (Gruppe 1)
GdY-Legierungen/Verbindungen	281-211 K
GdLa	185 K
GdAl	153 K
Tl-Ba-Ca-Cu-O	120 K (Gruppe 2)
Bi-Sr-Ca-Cu-O	110 K
Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O	107 K
Y-Ba-Cu-O-	93 K
La-Sr-Cu-O	54 K
La-Ba-Cu-O	35 K
Bi-Pb-Ba-O	20 K
Nb₃Sn	18.1 K (Gruppe 3)
Nb₃Sn₂	16.6 K (Gruppe 4)
Nb₃Ga	14.5 K
Nb₃Au	11.5 K
Sn-Hg	4.2 K

Gruppe 1 - W. Peschka, Flüssiger Wasserstoff als Energie träger. Gruppe 2 - zusammengestellte HTSL. Gruppe 3 - Journal of Applied Physics, Nov. 1962. Gruppe 4 - E. Justi, Leitungsmechanismus und Energieumwandlung in Festkörpern. Gemäß Veröffentlichungen der Hoechst AG kann die Lücke zwischen 93 K und 54 K gefüllt werden durch Bi(SrCa)CuO und Bi(SrY)CuO, wobei die (SrCa) und (SrY)-stöchiometri schen Verhältnisse variiert werden.

Ein magnetokalorischer Verflüssiger kann so aus mehreren Regenerator-Stufen dieser vier Material-Gruppen bestehen. Die mechanische Kühl-Arbeit wird aufgebracht mit der Bewe gung der Regeneratorstufen gegen das magnetische Feld, das auf das Regeneratormaterial wirkt. Das magnetische Feld wird erzeugt durch eine HTSL-Toroid-Spule, die die Rege neratorstufen (in unserem Beispiel fünf) umschließt. Sowohl die HTSL-Toroid-Spule als auch die Supraleiter Regeneratorstufen sind Flüssighelium/Flüssigwasserstoff- gekühlt. Es gibt drei Möglichkeiten, die mechanische Kühl-/ Erwärmungsarbeit umzusetzen - 1. die Toroid-Spule bewegt sich entlang der Regenerator-Stufen, 2. die Regenerator stufen bewegen sich innerhalb der Toroid-Spule und 3. zwischen Toroid-Spule und Regenerator-Stufen bewegt sich ein HTSL-Schirm, der die Regeneratorstufen periodisch von dem magnetischen Feld der Toroid-Spule abschirmt. (Toroid-Spule und Regenerator-Stufen stationär). Toroid-Spule und Regenerator-Stufen besetzen nur einen Teil der Peripherie, so daß sich die Regenerator-Stufen nach Verlassen/Abschirmung des magnetischen Feldes ent magnetisieren können.

6. Elektrokalorischer Kühler

Wenn z. B. bei dem HTSL BiPbSrCaCuO das Kalzium durch das Seltene-Erden-Element Holmium substituiert wird, wird dieser HTSL unterhalb seiner Sprungtemperatur halbleitend (K. Herz et al., Universität Tübingen). Um gemäß der Peltier-Kühlung einen p-Typ und einen n-Typ-Schenkel zu erhalten, dotieren wir den HTSL BiPbSrHoCuO sowie andere HTSL verschiedener Sprungtemperatur mit z. B. Bor, Aluminium, Gallium etc. (p-Typ) und mit z. B. Phosphor, Arsen, Antimon etc. (n-Typ). Legen wir eine Spannung an, erhalten wir an der kalten Lötstelle eine Kühltemperatur, mit der das Kühlmedium des HTSL BiPbSrHoCuO zusätzlich ge kühlt werden kann.

7. Kalte Deuterium-Helium-Fusion

Die Geschichte der Kalten Wasserstoff/Deuterium-Helium- Fusion ist bekannt (F. Paneth, K. Peters, J. Tanberg, J, Chadwick - Entdecker des Neutron 1932, E. Rutherford, S. Bose, S. Jones, P. Pons, M. Fleischmann). E. Yamaguchi (Nippon Telegraph & Telephone Corp.) hat während der Third International Conference on Cold Fusion, 21.-25.10.92 in Nagoya (News Release NTT 22.10.92, New Technology Japan, Vol. 20, No. 9, Dezember 1992) die Haupt reaktion der kalten Fusion vorgestellt -

1. d + d → ⁴He (76 keV) + γ/Photonen/Phononen (24 MeV) bei 2.6 × 10¹¹ Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W. Die Nebenreaktionen sind vernachlässigbar:
2. d + d → ³He (0.8 MeV) + n (2,5 MeV) bei 1.9 × 10¹² Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W.
3. d + d → t (Triton, 1 MeV) + p (Proton, 3 MeV) bei 1.5 × 10¹² Reaktionen pro Sekunde zur Erzeugung von 1 W. Am 4.7.1989 wurde eine Temperatur von ca. 1000 K erreicht.

Bei der kalten Fusion haben wir es mit der Verschmelzung von zwei Deuteronen zu einem ⁴He-Kern oder einem Deuteronen-Paar zu tun, wobei die der Massedifferenz entsprechende Energie von 0.64 Masse prozent in Form eines Gammaquants von 24 MeV abgestrahlt wird. Bei der heißen Fusion ist der Anteil der 1. Reaktion millionenfach kleiner als der der Reaktionen 2. und 3. Die kalte Fusion der Deuteronen findet unter Vakuum (nicht elektrolytisch) in einem Palladium-Körper statt, der das 760-fache seines eigenen Volumens an Deuterium-Volumen absorbieren kann. Der durch zusätzliche Gitterschwingungen entstehende Druck liefert die Fusions-Energie.

Protonen erfahren eine starke Anziehungskraft, wenn sie sich gegenseitig berühren, viel stärker als die Elektro magnetische Wechselwirkung, die versucht, sie auseinanderzu treiben. Diese Starke Wechselwirkung hält den Kern zusam men. Die Erklärung für die Kalte Fusion wird wohl auf der Ebene der Quarks zu suchen sein. Die Starke Wechselwirkung wird hervorgerufen durch den Austausch eines Gluons zwischen zwei freien Quarks bei geringem Abstand (Quantenchromodyna mik), die Schwache/Elektromagnetische Wechselwirkung durch den Austausch eines W-Bosons/Photons/Phonons bei großen Abständen.

"Bei einem Teilchen-Abstand von größer 10^-13 cm können jeweils Quarks und Elektronen (Fermionen) eine Schwache/Elektromagne tische (Elektroschwache) Wechselwirkung, durch W-Bosonen ver mittelt, miteinander eingehen. Durch Austausch eines W-Bosons verwandelt sich z. B. ein Elektron in ein Elektron-Neutrino, während sich ein up-Quark in ein down-Quark verwandelt (M. Gell- Mann, R. Feynman, H. Fritzsch). Elektron-Paare stehen in Wechselwirkung mit Quark-Paaren. Es bietet sich also eine Analo gie an zwischen den Wechselwirkungen von Quark-Paaren (Deuteron- Paaren der Kalten Fusion) mit Cooper-Paaren der Supraleitung unterhalb der Sprungtemperatur."

Die Supraleitung von Palladium-Wasserstoff wurde 1972 von Skoskiewicz entdeckt (Sprungtemperatur 9 K). Ein unerwarte tes Ergebnis brachte der Übergang von Wasserstoff zu Deu terium. Aufgrund des Isotopeneffekts würde man eine etwas kleinere Sprungtemperatur erwarten. Die Sprungtemperatur liegt hier jedoch bei 11 K. Eine weitere Überraschung brach ten Experimente an Pd-Edelmetall-Legierungen. Hier wurden nach der Implantation von Wasserstoff Sprungtemperaturen bis zu 17 K beobachtet. Ersetzen wir jetzt Wasserstoff durch Deuterium so wird die Sprungtemperatur der Pd-Edel metall-Legierung bei etwas unter 20 K liegen. Der Tripel- Punkt des Flüssigdeuteriums ist 18.7 K bei 125 Torr (der Siedepunkt von Deuterium ist 23.6 K unter Normbedingungen). Daraus folgt, daß Flüssigdeuterium am Tripelpunkt Pd-Edel metall-Legierungen supraleitend macht.

8. Stromerzeugung durch Fusionswärme

So wie wir den Peltier-Effekt für die Kühlung anwandten, benutzen wir den Seebeck-Effekt für die Stromerzeugung, die sich aus der Fusionswärme von ca. 1000 K ergibt. Da bei der 1. Fusionsreaktion ⁴He entsteht, verflüssigen wir Helium bei 4.2 K magnetokalorisch und verwenden es als zusätzliches Kühlmittel für den Palladium-Edelmetall- Fusionskörper, um Supraleitung herzustellen. Gemäß F. Scaramuzzi (ENEA Frascati) dient die Kühlung gleich zeitig zur Vergrößerung der inneren Oberfläche des Palla dium-Edelmetall-Körpers, um ein Optimum an Deuterium zu absorbieren.

Als Fusionsgenerator kann der Typ des rotierenden magneto kalorischen Verflüssigers verwendet werden, indem das zen trale Kühlrohr durch einen Pd-Edelmetall-Fusionskörper und das durchfließende Kühlmedium durch Deuterium ersetzt werden. Während der Entmagnetisierung wird das Deuterium bei 23.6 K flüssig. Bei einem Unterdruck von 125 Torr und 18.7 K des Flüssigdeuteriums wird der Pd-Edelmetall-Fusions körper supraleitend. Das bei der Fusion entstehende Helium wird ebenfalls magnetokalorisch bei 4.2 K verflüssigt und dient als zusätzliches Kühlmedium. In der Magnetisierungs phase wird der Pd-Edelmetall-Fusionskörper durch Fusion und Magnetfeld erwärmt. In den beiden adiabatischen Zonen zwischen Entmagnetisierung und Magnetisierung wird Kälte und Wärme durch Wärmetauscher abgeführt und die elektrische Spannung mittels Seebeck-Element abgegriffen.

Das Seebeck-Element besteht auf seinem p-Typ-Schenkel aus dotiertem MnTe, GeTe, GeBiTe, CdZnSb, BiSbTe und auf seinem n-Typ-Schenkel aus dotiertem InAsP, PbTe, BiTeSe (System Westinghouse) sowie auf dem p-Typ-Schenkel aus Konstantan, p-dotiertem BiPbSrHoCuO und auf dem n-Typ- Schenkel aus Kupfer, n-dotiertem BiPbSrHoCuO bis zur magnetokalorisch erzeugten Siedetemperatur des Heliums von 4.2 K. Im Bereich von 4.2 K bis ca. 100 K können wir den p- und n-dotierten HTSL BiPbSrHoCuO als halbleitendes Seebeck-Element einsetzen. Am Gesamt-Seebeck-Element greifen wir die durch die Temperaturdifferenz von ca. 1000 K erzeugte Spannung für das 24 V Bordnetz ab. Zur Bereitstel lung dieser Spannung muß eine Vielzahl der beschriebenen Seebeck-Elemente parallelgeschaltet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, ein Hydrid-Magnetschwebebahn-Aggregat zu schaffen, dessen Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL-Permanentmagnete Trag-/ Führ-/Erreger-Funktionen miteinander kombinieren. Für die An-/Notfahrt wird eine Verbrennungskraftmaschine erforderlich, die mit demselben Flüssigwasserstoff betrieben wird, mit dem die HTSL des Aggregats gekühlt werden. Kühlung und Wärme (auch durch kalte Fusion) werden magnetokalorisch durch in einem Magnetfeld rotierende HTSL-Permanentmagnete er zeugt. Es werden Magnetschwebebahn-Anwendungen auf der Basis des druckabhängigen HTSL-Piezo-Effekts und der Halbleiter-HTSL-Seebeck-/Peltier-/Hall-Effekte vor geschlagen.

Verschiedene Elemente des Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggre gats werden in sieben Figuren dargestellt.

Fig. 1 - Der Fahrweg, bestehend aus dem Langstator eines synchronen Linearmotors, ist konventionell aufgebaut. Im Fahrzeug befinden sich die kombinierten Trag-/Führ-/Erre ger-Magnete (1), die aus HTSL-Permanentmagnetmaterial be stehen und mit Flüssigwasserstoff (2) gekühlt werden. Die Erregerwicklung (3) besteht aus Flüssigwasserstoff-gekühl tem HTSL-Draht. Das HTSL-Hall-Element (4) regelt über die Erregerwicklung die Spaltbreite, das HTSL-Piezo-Element (5) kontrolliert bei Berühren der Schiene (6) den Abstand zwischen Fahrweg und Fahrzeug.

Fig. 2 - zeigt drei typische Feldverteilungen über den Querschnitt eines HTSL-Permanentmagneten. Querschnitt (1) stellt die Feldverteilung dar wenn ein äußeres Feld H_a nach dem Kühlprozeß aufgeprägt wird (zero-field cooled process, variable Feldverteilung). Querschnitt (2) zeigt die Feldverteilung wenn ein äußeres Feld während des Kühlprozesses aufgeprägt und damit eingefroren wird (field cooled process, stationäre Feldverteilung für die konstante Tragfunktion). Bei Querschnitt (3) haben wir es mit der Überlagerung von stationärem Tragfeld und variablen Führ- und Erreger-Feldern zu tun. Bei dem Tragfeld handelt es sich um eine eingefrorene remanente Magnetisierung.

Fig. 3 - zeigt die beiden wichtigsten HTSL-Phasen, die Meissner-Phase bis B_c1 und die mit Haftzentren ver sehene Shubnikov-Abrikosov-Vortex bis B_c2, in die das magnetische Feld eindringt. Bei den behandelten HTSL- Permanentmagnet-Anwendungen haben wir es ausschließlich mit der Shubnikov-Abrikosov-Vortex zu tun.

Fig. 4 - zeigt die p-Typ und n-Typ-Schenkel des Seebeck-Elements, von 300 K bis 1000 K auf Halbleiter basis (Typ Westinghouse). Von 100 K bis 300 K verwenden wir die konventionellen Metalle Konstantan und Kupfer. Im Bereich 4.2 K (Siedepunkt des Heliums) und ca. 100 K (Sprungtemperatur von HTSL) setzen wir halbleitende dotierte HTSL ein (z. B. BiPbSrHoCuO).

Fig. 5 - Wie in Beschreibung 5. beschrieben, ersetzen wir formal den Druck durch die magnetische Feldstärke/ Flußdichte. Damit erhalten wir aus dem thermodynamischen Carnot-Prozeß des T/s-Diagramms den magnetischen Carnot- Prozeß. Der magnetische Carnot-Prozeß besteht aus zwei Isothermen und zwei Isentropen (Adiabaten). Entlang 1 → 2 erfolgt isotherme Magnetisierung bei der Tempera tur T₂ unter Wärmeabgabe der magnetisierten Regenerator stufen des Verflüssigers. Durch Entmagnetisierung kommt es zur Abkühlung auf T₁. Wach Kontakt mit wärmerem Helium/ Wasserstoff/Deuterium wird die Entmagnetisierung unter Wärmeaufnahme isotherm von 3 → 4 zu Ende geführt.

Fig. 6 - Fünf repräsentative magnetische Regenerator- Stufen wurden ausgewählt. Gadolinium (1) mit einer Curie- Temperatur von 293 K (Raumtemperatur), drei typische Flüssighelium/Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL-Perma nentmagnet-Regeneratorstufen (2) bis 20 K (Siedetempe ratur von Wasserstoff und Deuterium bei 125 Torr) sowie Zinn-Quecksilber-NTSL-Permanentmagnet-Regeneratorstufe (3) (Flüssighelium gekühlt) bis 4.2 K (Siedetemperatur des Heliums). Bei Entmagnetisierung kommt es zur sukzessiven Abkühlung der Regenerator-Stufen in der Umgebung ihrer jeweiligen Curie- und Sprungtemperaturen. NTSL und HTSL Permanentmagnete verlieren ihre permanentmagnetischen Ei genschaften bei Überschreiten der Sprungtemperatur in der selben Weise wie Ferromagnete bei Überschreiten der Curie- Temperatur. Über Wärmetauscher (4) wird durchfließendes Helium heruntergekühlt und durch die letzte Regenerator stufe bei 4.2 K verflüssigt.

Fig. 7 - Die fünf ausgewählten repräsentativen Regene rator-Stufen werden an einem Teil des Rotors des Helium/ Wasserstoff/Deuterium-Verflüssigers eingebaut (1). Ein Teil des Stators besteht aus Toroid-Spulen (2), die die Regeneratorstufen magnetisieren. Innerhalb der röhrenför migen Regeneratorstufen (1) befindet sich der röhrenförmige Wärmetauscher (3), durch den das Kühlrohr (4) geführt wird. Im Falle des Verflüssigers wird in der kalten adia batischen Zone dem Behälter/Wärmetauscher (5) Flüssighelium/ Flüssigwasserstoff zur Kühlung der Supraleiter entnommen. Im Falle des Fusionsgenerators ersetzen wir das Kühlrohr (4) durch einen Palladium-Edelmetall-Fusionskörper. In den Behälter (5) wird dann in der warmen adiabatischen Zone Deuterium bei 125 Torr eingefüllt. Der Wärmetauscher (6) führt die bei der Magnetisierung sowie bei der Deuterium/ Helium-Fusion entstandene Wärme in der warmen adiabati schen Zone ab. Wie in Beschreibung 5. beschrieben, können auch die Regeneratorstufen feststehen und die Toroid-Spulen rotieren, als auch ein Supraleiter-Schirm zwischen fest stehenden Regeneratorstufen und Toroid-Spulen bewegt werden. Alle sich bewegenden Teile werden extern angetrie ben. (U. S. Department of Energy, Energy Applications of High-TemperatureSuperconductors, ER-6682, Februar 1990).

Claims

1. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat, dadurch gekennzeich net, daß es neben der Langstatorwicklung im Fahrweg aus einem Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) Linearmotor-Rotor im Fahrzeug für Normalfahrt sowie einer Verbrennungskraft maschine für An-/Notfahrt besteht, die mit demselben Flüssig wasserstoff betrieben wird, mit dem der HTSL-Linearmotor- Rotor gekühlt wird.

2. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei An-/Notfahrt Reserveräder ausgefahren werden, die angetrieben werden von einer Mehrkammer-Kreis kolbenmaschine, betrieben mit Flüssigwasserstoff.

3. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete des Linearmotor-Rotors Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL-Permanentmagnete sind, die Trag-/Führ- und Erregerfunktionen in demselben Magneten kom binieren.

4. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld für die Tragfunk tion des Flüssigwasserstoff-gekühlten HTSL-Trag-/Führ-/ Erreger-Permanentmagneten der Shubnikov-Abrikosov-Vortex während des Kühlvorgangs eingefroren wird und remanentmag netisiert verbleibt.

5. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder für die Führ- und Erreger-Funktionen des Flüssigwasserstoff-gekühlten HTSL-Trag-/Führ-/Erreger Permanentmagneten der Shubnikov- Abrikosov-Vortex nach dem Kühlvorgang variabel aufgeprägt werden.

6. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1, 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeldmuster für die Führ-Funktion des Flüssigwasserstoff-gekühlten HTSL-Trag-/ Führ-/Erreger-Permanentmagneten der Shubnikov-Abrikosov- Vortex im Magneten einprogrammiert und aufgeprägt wird, damit die Spur der Bahn optimal gehalten wird.

7. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die variablen aufgeprägten Führ- und Erreger-Magnetfelder dem stationären eingefrorenen Trag feld des Flüssigwasserstoff-gekühlten HTSL-Trag-/Führ-/ Erreger-Permanentmagneten der Shubnikov-Abrikosov-Vortex überlagert werden.

8. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigwasserstoff-gekühlte HTSL- Erregerwicklung des HTSL-Trag-/Führ-/Erreger-Permanent magneten der Shubnikov-Abrikosov-Vortex das Tragfeld wäh rend des Kühlvorgangs im Magneten aufprägt.

9. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen Linearmotor- Stator des Fahrwegs und Linearmotor-Rotor des Fahrzeugs durch ein Flüssigwasserstoff-gekühltes Hall-HTSL-Halbleiter element und/oder ein Flüssigwasserstoff-gekühltes berührungs empfindliches druckabhängiges HTSL-Piezoelement als Spaltsen soren geregelt wird.

10. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es über ein druckabhängiges HTSL-Piezo- Ventil, Flüssigwasserstoff-gekühlt, verfügt, das bei steigen dem Druck und steigender Temperatur seine Supraleitfähigkeit verliert (Quench) und magnetischen Fluß passieren läßt.

11. Hybrid-Magnetschwebebahn Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß seine HTSL gekühlt werden mit den Regene ratorstufen eines magnetokalorischen Kühlers isentroper Ent magnetisierung, bestehend aus einer Folge permanentmagnetischer Gadolinium-Verbindungen/Legierungen, keramischer Supraleiter- Permanentmagnete und metallischen Supraleiter-Permanentmag neten, die Supraleiter Flüssighelium, Flüssigwasserstoff-ge kühlt, mit stufenweise abnehmender Curie-/Sprung-Temperatur.

12. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sein magnetischer Kühler bei isentroper Magnetisierung zur Heizung wird.

13. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß sich die rotierenden Regeneratorstufen seiner magnetischen Kühlung/Heizung, bestehend aus permanentmagnetischen Gadolinium-Verbindungen/ Legierungen, keramischen und metallischen Supraleiter-Per manentmagneten, die Supraleiter Flüssighelium/Flüssigwasserstoff- gekühlt, durch eine HTSL-Toroid-Spule bewegen oder daß eine rotierende HTSL-Toroid-Spule sich über die beschriebenen Regeneratorstufen bewegt.

14. Hybrid-Magnetschwebebahn Aggregat nach Anspruch 1, 11, 12 und 13 dadurch gekennzeichnet, daß die HTSL-Permanentmagnet- Regeneratorstufen seiner magnetischen Kühlung/Heizung mittels eines rotierenden magnetischen HTSL-Schirms zwischen Toroid- Spule und Regeneratorstufen magnetisiert/entmagnetisiert werden.

15. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß seine HTSL gekühlt werden mittels eines p/n-Übergang-Peltierelements, bestehend aus zwei n-Typ und p-Typ HTSL- oder HTSL-Halbleiter-Schenkeln, Flüssighelium/ Flüssigwasserstoff-gekühlt.

16. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Energie durch Kalte-Deuterium- Helium-Fusion (Deuteronen-Paarbildung) in einem supraleitenden Palladium-Edelmetall- Fusionskörper bei 18.7 K und ca. 125 Torr erzeugt wird.

17. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch, gekennzeichnet, daß durch Kalte-Deuterium-Helium-Fusion (Deuteronen-Paarbildung) ent stehendes Helium (Deuteronen-Paare), magneto-/elektrokalorisch verflüssigt, wieder als Kühlmittel der HTSL des Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregats verwendet wird.

18. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 4 und 16 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche elektrische Energie aus Fusionswärme umgesetzt wird mittels eines p/n-Übergang- Seebeckelements, bestehend aus zwei n-Typ- und p-Typ-HTSL- oder HTSL-Halbleiter-Schenkeln, Flüssighelium/Flüssigwasser stoff-gekühlt.

19. Hybrid-Magnetschwebebahn-Aggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß seine Spaltbreitenregelung und HTSL- Kühlung erreicht werden kann mittels Hochtemperatur-Supralei ter Elemente und/oder Hochtemperatur-Supraleiter-Halbleiter- und/oder Hochtemperatur-Supraleiter-Halbleiter-Permanent magnet-Elemente gemäß dem Piezo-Effekt, dem Hall Effekt, den magnetokalorischen Nernst-/Ettingshausen-Effekten, den elektro kalorischen Peltier-/Seebeck-Effekten, gekühlt neben Flüssig wasserstoff mit Flüssighelium (4 K), Flüssigdeuterium (24 K).