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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Solarenergie
im Weltraum, wobei Sonnenlicht im Weltraum zum Erzeugen elektrischer
Energie empfangen wird, um die elektrische Energie durch Umwandeln
der elektrischen Energie in Mikrowellen durch den Weltraum zu übertragen und
um die Mikrowellen auf der Erde so zu empfangen, daß die Nutzung
der elektrischen Energie möglich
ist. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren und ein System zum
Empfangen der Mikrowellen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Mit
der Zunahme des Bedarfs an elektrischer Energie in den letzten Jahren
und der Bedeutung von Umweltfragen als Hintergrund ist die Entwicklung
von sauberen, sicheren und stabilen Energieversorgungseinrichtungen
eine dringende Notwendigkeit. Die Aufmerksamkeit richtet sich nun
auf das Konzept von Solarenergieerzeugungssystemen im Weltraum, um
diesen Forderungen zu entsprechen, und Forschung und Entwicklung
werden aktiv vorangetrieben.
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Solarenergieerzeugungssysteme
im Weltraum empfangen Sonnenlicht im Weltraum, erzeugen elektrische
Energie und übertragen
die elektrische Energie zu einem bestimmten Ort, beispielsweise
einem bestimmten Platz auf der Erde oder im Weltraum, siehe die
US-A-S 223 781 und die US-A-3 781 647.
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Als
ein Beispiel von Sonnenenergieerzeugungssystemen im Weltraum wird
gerade ein Verfahren untersucht, bei dem eine Vielzahl von geostationären Energieversorgungssatelliten
in vorbestimmten verschiedenen Positionen im Weltraum plaziert werden,
Sonnenlicht (durch lichtelektrische Umwandlung) in jedem von der
Vielzahl von Ener gieerzeugungssatelliten in elektrische Energie
umgewandelt wird und die elektrische Energie zu einer Empfangsantenne übertragen
wird, die an einem bestimmten Ort auf der Erde angeordnet ist, indem
die elektrische Energie in Mikrowellen umgewandelt wird.
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Der
Grund dafür,
weshalb anstelle der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten nicht
nur ein einziger Energieversorgungssatellit vorgesehen wird, in
den die Vielzahl integriert ist, ist der, daß der Energieversorgungssatellit
sehr groß sein
müßte und
dies in bezug auf Implementierung und Zuverlässigkeit nicht praktikabel
ist.
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Wenn
im Fall der gemeinsamen Energieerzeugung einer Vielzahl von Energieerzeugungssatelliten
die Erzeugungskapazität
gleich einer Million kW (entsprechend derjenigen von derzeit in
Betrieb befindlichen Kernkraftwerken) ist, werden beispielsweise
einige hundert Energieerzeugungssatelliten benötigt. Eine zur Erde übertragene
Mikrowelle verteilt sich über
einen weiten Bereich, so daß ihre
Energiedichte unter Berücksichtigung
der Sicherheit klein wird (die Energiedichte muß innerhalb der gesetzlichen
Grenzwerte liegen).
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Eine
elektrische Energieversorgungsbasis auf der Erde umfaßt eine
Reihe von Empfangsantennen, die in einem Gebiet von einigen zehn
Quadratkilometern angeordnet sind, empfängt ankommende Mikrowellen
mittels dieser Empfangsantennen und integriert die empfangenen Mikrowellen
zu hoher elektrischer Energie.
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Bei
dem Verfahren zum Empfangen von Mikrowellen, das die vorgenannten
Sonnenenergieerzeugungssysteme im Weltraum anwenden, wird ein Mikrowellenstrahl
von jedem von einer Vielzahl von im Weltraum angeordneten Energieerzeugungssatelliten
auf eine auf der Erde befindliche Empfangsantenne konzentriert.
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Ein
Problem bei dem Mikrowellenempfangsverfahren ist daher, daß dann,
wenn eine Vielzahl von Mikrowellen von der Vielzahl von Energieerzeugungssatelliten
zu dem gleichen Gebiet der Empfangsantenne übertragen wird, die Energiedichte
der Mikro wellen, die lokal auf das Gebiet auftreffen, wegen der
Interferenzen von Mikrowellen als elektromagnetische Wellen einen
gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert überschreitet, und zwar auch
dann, wenn die Energiedichte einer einzelnen Mikrowelle klein ist.
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Außerdem besteht
ein anderes Problem darin, daß es
erforderlich ist, den Widerstandswert der Empfangsantenne für elektrische
Energie zu erhöhen,
weil die Energie von Mikrowellen auf einen Teil der Empfangsantenne
konzentriert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird vorgeschlagen, um die oben angesprochenen
Probleme zu lösen,
und es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und ein System zum Empfangen von Mikrowellen anzugeben, das imstande ist,
eine Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die von einer Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten übertragen
werden, verteilt auf verschiedene Positionen an einer Empfangsantenne
zu richten, ohne eine Vielzahl von Mikrowellenstrahlen von der Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten auf den gleichen Bereich der Empfangsantenne
zu konzentrieren, um dadurch die Energieverteilung von Mikrowellen
an der Aperturfläche
der Empfangsantenne zu vergleichmäßigen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Empfangen
von Mikrowellenstrahlen von einer Vielzahl von Energieversorgungssatelliten
im Weltraum mittels einer Empfangsantenne angegeben, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte aufweist: Steuern einer Richtung von jedem
von einer Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die von der Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten zu übertragen sind; Richten der
Vielzahl von Mikrowellenstrahlen auf eine Aperturfläche der
Empfangsantenne derart, daß die
Vielzahl von Mikrowellenstrahlen in einer Anzahl von verschiedenen
Positionen auf der Aperturfläche
der Empfangsantenne verteilt empfangen werden, um die Energieverteilung der
auf der Aperturfläche
der Empfangsantenne empfangenen Mikrowellen zu vergleichmäßigen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner die folgenden
Schritte auf: virtuelles Definieren einer Vielzahl von kleinen Bereichen
auf der Aperturfläche
der Empfangsantenne als Vielzahl von verschiedenen Positionen, und
Steuern der Richtung von jedem von der Vielzahl von zu übertragenden
Mikrowellenstrahlen, so daß die
Vielzahl von Mikrowellenstrahlen jeweils auf die Vielzahl von kleinen
Bereichen gerichtet wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrowellenempfangssystem
angegeben, das folgendes aufweist: eine Vielzahl von Energieversorgungssatelliten
jeweils zum Übertragen
eines Mikrowellenstrahls; eine Empfangsantenne zum Empfangen einer
Vielzahl von Mikrowellenstrahlen von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten;
und eine Steuereinheit zum Steuern der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten, derart,
daß die
Vielzahl von Mikrowellenstrahlen verteilt in einer Anzahl von vorbestimmten
verschiedenen Positionen auf eine Aperturfläche der Empfangsantenne gerichtet
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinheit die Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten derart, daß der Mikrowellenstrahl von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten auf eine
entsprechende Position von der Vielzahl von vorbestimmten verschiedenen
Positionen auf der Aperturfläche
der Empfangsantenne gerichtet wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von vorbestimmten verschiedenen
Positionen auf der Aperturfläche
der Empfangsantenne gleichmäßig verteilt
angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinrichtung die Richtung
von jedem von der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die von der
Vielzahl von Energieversorgungssatelliten zu übertragen sind, auf der Basis
von Informationen über
die Vielzahl von vorbestimmten verschiedenen Positionen auf der
Aperturfläche
der Empfangsantenne.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit folgendes auf:
eine Ortsinformationsübertragungseinheit
zum Übertragen
der Information über die
Vielzahl von vorbestimmten verschiedenen Positionen auf der Aperturfläche der
Empfangsantenne; und eine Strahlrichtungssteuereinheit zum Steuern der
Richtung von jedem von der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten auf der Basis
der Information zu übertragen
sind, die von der Ortsinformationsübertragungseinheit übertragen
wird.
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Bevorzugt
ist die Vielzahl von vorbestimmten verschiedenen Positionen eine
Vielzahl von kleinen Bereichen, die auf der Aperturfläche der
Empfangsantenne virtuell definiert sind. Außerdem kann die Steuereinheit
die Vielzahl von Energieversorgungssatelliten derart steuern, daß der Mikrowellenstrahl von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten auf einen
entsprechenden Bereich von der Vielzahl von kleinen Bereichen auf
der Aperturfläche der
Empfangsantenne gerichtet wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinheit jeden von der
Vielzahl von Energieversorgungssatelliten derart, daß der Mikrowellenstrahl von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten auf jeweils
einen anderen von der Vielzahl von kleinen Bereichen auf der Aperturfläche der Empfangsantenne
gerichtet wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Anzahl von der Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten gleich einer Anzahl von der Vielzahl
von kleinen Bereichen, und die Steuereinheit steuert jeden von der Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten derart, daß die Mikrowelle von jedem
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten auf einen jeweils
anderen von der Vielzahl von kleinen Bereichen auf der Aperturfläche der
Empfangsantenne gerichtet wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von Energieversorgungssatelliten
in eine Anzahl von Gruppen unterteilt, und eine Anzahl von der Vielzahl von
Gruppen ist gleich einer Anzahl von der Viel zahl von kleinen Bereichen.
Außerdem
kann die Steuereinheit jeden von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten
derart steuern, daß ein
Mikrowellenstrahl von jeder von der Vielzahl von Gruppen in einen
jeweils anderen von der Vielzahl von kleinen Bereichen auf der Aperturfläche der
Empfangsantenne gerichtet wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Vielzahl von kleinen Bereichen
eine Vielzahl von ersten kleinen Bereichen, in welche die Aperturfläche so unterteilt
ist, daß sie
einander nicht überlappen,
und eine Vielzahl von zweiten kleinen Bereichen auf, die einander
nicht überlappen
und von denen jeder an einer Grenze zwischen den ersten kleinen
Bereichen einander benachbart angeordnet ist.
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Bevorzugt
ist die Empfangsantenne eine Arrayantenne, die eine Vielzahl von
Antennenelementen aufweist, die in Form eines Arrays angeordnet sind.
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Weitere
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 gibt
ein Schema an, das den Aufbau von Einrichtungen zeigt, die für ein Verfahren
und ein System zum Erzeugen von Sonnenenergie im Weltraum gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
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2 zeigt
ein Diagramm, das ein Prinzip erläutert, auf dem ein Verfahren
zum Empfang von Mikrowellen gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert, und zeigt einen Zusammenhang
zwischen einer Strahlbreite, einem effektiven Strahldurchmesser
und der Größe einer
Apertur von jeder von einer Vielzahl von Teilempfangsantennen;
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3 ist
eine Zeichnung zur Erläuterung
des Prinzips, auf dem das Verfahren zum Empfang von Mikrowellen
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert, und zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Anordnen von Mikrowellenstrahlen und der Vielzahl von Teilempfangsantennen;
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4 ist
eine Zeichnung zur Erläuterung
des Prinzips, auf dem das Verfahren zum Empfang von Mikrowellen
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert, und zur Erläuterung eines anderen Verfahrens
zum Anordnen von Mikrowellenstrahlen und der Vielzahl von Teilempfangsantennen; und
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5 zeigt
ein Diagramm zur Erläuterung
einer Energieverteilung an einer Empfangsantenne gemäß dem Verfahren
zum Empfang von Mikrowellen nach der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
folgt eine Beschreibung eines Verfahrens und eines Systems zum Empfangen
von Mikrowellen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. 1 zeigt
den Aufbau von Einrichtungen für
ein Sonnenenergieerzeugungsverfahren und -system im Weltraum gemäß einer
Ausführungsform.
Die 2, 3 und 4 zeigen
das Prinzip, auf dem das Mikrowellenempfangsverfahren gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert. 5 ist ein
Diagramm zur Erläuterung
der Energieverteilung an einer Empfangsantenne gemäß dem Mikrowellenempfangsverfahren
der vorliegenden Ausführungsform.
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In 1 bezeichnet 1 einen
Energieversorgungssatelliten zum Erzeugen elektrischer Energie aus
Sonnenlicht, das im Weltraum empfangen wird, um aus der elektrischen
Energie eine Mikrowelle zu erzeugen und die Mikrowelle zu übertragen.
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Wie
die Figur zeigt, weist das Solarenergieerzeugungssystem im Weltraum
eine Vielzahl von Energieversorgungssatelliten #1 bis #n auf. Bezugszeichen 2 bezeichnet
einen Steuersatelliten zur Steuerung der Richtung eines Mikrowellenstrahls,
den jeder von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 überträgt, und
Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Empfangsantenne (nachstehend "Rectenna", ein Synonym für die Empfangsantenne),
die in einer elektrischen Energieversorgungsbasis 4 angeordnet ist,
um Mikrowellen von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 zu
empfangen.
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Die
elektrische Energieversorgungsbasis 4 erzeugt elektrische
Energie aus den empfangenen Mikrowellen. Bezugszeichen 5 bezeichnet
eine Satellitenkommunikationsantenne, die dazu angeordnet ist, um
die Kommunikation zwischen der elektrischen Energieversorgungsbasis 4 und
dem Steuersatelliten 2 zu ermöglichen.
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Jeder
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 wandelt
elektrische Energie, in die Sonnenlicht lichtelektrisch umgewandelt
worden ist, in eine Mikrowelle um und überträgt die Mikrowelle an die elektrische
Energieversorgungsbasis 4.
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Die
elektrische Energie der Mikrowelle, die jeder von der Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten 1 übertragen kann, ist von dem
Sonnenlichtfokussiervermögen,
dem lichtelektrischen Umwandlungsvermögen und dem Mikrowellenverstärkungsvermögen von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 bestimmt.
Die Anordnung der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 im
Weltraum ermöglicht
die Übertragung
einer hochenergetischen Mikrowelle zu der elektrischen Energieversorgungsbasis 4.
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Das
Mikrowellenempfangssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung steuert die Richtung des Mikrowellenstrahls, den jeder
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 individuell überträgt, und
empfängt
die Mikrowelle an einer jeweils verschiedenen Position auf der Aperturfläche der
Rectenna, um so die Energieverteilung von Mikrowellen, die auf der
Aperturfläche
der Rectenna empfangen werden, zu vergleichmäßigen.
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Das
Mikrowellenempfangssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung empfängt
dann Mikrowellenstrahlen, die von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 übertragen
werden, über
die Rectenna 3 und wandelt die empfangenen Mikrowellenstrahlen
in eine niederfrequente Welle um, die von der elektrischen Energieversorgungsbasis 4 als
elektrische Energie genutzt werden kann.
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Die
elektrische Energieversorgungsbasis 4 kann sich auf der
Erde befinden. Alternativ kann die elektrische Energieversorgungsbasis 4 an
einer Stelle im Weltraum, wie etwa einem Ort auf der Mondoberfläche, einer
Weltraum-Kraftwerkseinrichtung oder dergleichen angeordnet sein.
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Wenn
sich die elektrische Energieversorgungsbasis 4 auf der
Erde befindet, ist es im Hinblick auf die Flora und Fauna der Umgebung
und Störungen
durch elektrische Wellen notwendig, die Energiedichte (die Energie
pro Flächeneinheit)
von Mikrowellen zu verringern, die von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten übertragen
werden. Die Rectenna 3 kann daher eine Fläche haben,
die zwischen einigen zehn Quadratkilometern und einigen hundert Quadratkilometern
beträgt.
Im allgemeinen kann eine derart riesige Antenne gebildet werden
durch das Anordnen einer Anzahl von Antennenelementen, die jeweils
eine spezielle Größe haben,
beispielsweise in Form eines Arrays.
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In
diesem Fall hat die elektrische Energieversorgungsbasis 4 eine
Funktion, entweder Mikrowellen miteinander zu kombinieren, die über die
Vielzahl von Antennenelementen empfangen werden, oder Mikrowellen
zu kombinieren, die von einer Reihe von Antennengruppen empfangen
werden, und zwar zusätzlich
zu der Funktion, die zusammengesetzte Mikrowelle in eine niederfrequente
Welle umzuwandeln.
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Außerdem weist
die elektrische Energieversorgungsbasis 4 die Satellitenkommunikationsantenne 5 auf,
die in 1 zu sehen ist. Die Satellitenkommunikationsantenne 5 sendet
ein Richtstrahlsignal an den Steuersatelliten 2. Der Steuersatellit 2 kann die Richtung
erkennen, in die der Mikrowellenstrahl von jedem von der Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten 1 zu übertragen ist, indem er das
Richtstrahlsignal erfaßt.
Der Steuersatellit 2 steuert die Richtung des von jedem
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 übertragenen
Mikrowellenstrahls, so daß die
Mikrowelle von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 in
der Richtung übertragen
wird.
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Als
nächstes
wird das Grundprinzip des Verfahrens zum Empfang von Mikrowellen
gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert.
Das Mikrowellenempfangsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
den Empfang von Mikrowellenstrahlen, die jeweils unabhängig von
der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten übertragen werden, während gleichzeitig
eine gegenseitige Störung
der Mikrowellenstrahlen, die elektromagnetische Wellen sind, an
der Rectenna ausgeschlossen wird.
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Zu
diesem Zweck ist gemäß dem Verfahren die
Aperturfläche
der Rectenna in eine Vielzahl von kleinen virtuellen Empfangsbereichen
unterteilt, von denen jeder als "Teilrectenna" bezeichnet wird
und jeder einzeln einen entsprechenden Mikrowellenstrahl empfängt. Die
gesamte Rectenna kann somit aus einer Gruppe von Teilrectennas bestehen,
die in Längs-
und Querrichtung angeordnet sind.
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Außerdem wird
gemäß dem Verfahren
die von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten übertragene
Mikrowelle so gesteuert, daß sie
inkohärent
ist (d. h. die Phase der Mikrowelle weist keine Korrelation mit
derjenigen einer anderen Mikrowelle auf, die von irgendeinem anderen
Energieversorgungssatelliten gesendet wird).
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Die
Anordnung macht es daher möglich,
eine gegenseitige Interferenz der an der Rectenna empfangenen Mikrowellenstrahlen
auszuschließen,
so daß eine
lokale Zunahme der Energiedichte verhindert wird. Außerdem ist
die von der gesamten Rectenna empfangene Energiemenge eine einfache Summe
der Energien der Mikrowellen, die von der Vielzahl von Teilrectennas
empfangen werden.
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Als
nächstes
wird jede von der Vielzahl von Teilrectennas im einzelnen beschrieben.
Jede von der Vielzahl von Teilrectennas braucht nur so groß zu sein,
daß sie
einen Mikrowellenstrahl mit einer bestimmten Divergenz empfängt. Die
räumliche
Verteilung der Energie der von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 übertragenen
Mikrowelle ist nicht einheitlich, sondern variiert im Querschnitt
wellenförmig,
weil die Apertur einer Sendeantenne jedes von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 begrenzt
ist.
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Die
Abweichung tritt sowohl als Hauptkeule, die sich in der Strahlmitte
befindet, als auch in Form von Seitenkeulen auf, die der Hauptkeule
benachbart sind. Wenn beispielsweise die Sendeantenne eine rechteckige
Apertur hat, hat die Energie des Mikrowellenstrahls eine räumliche
Verteilung, die durch die folgende Funktion dargestellt ist: (sinX/X)2, wobei X eine Funktion des Emissionswinkels
des Mikrowellenstrahls ist).
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Damit
jede von der Vielzahl von Teilrectennas die Energie eines jeweiligen
Mikrowellenstrahls wirksam empfangen kann, muß die Apertur von jeder von
der Vielzahl von Teilrectennas eine Größe haben, die nicht nur die
Hauptkeule des Mikrowellenstrahls, sondern auch einige Seitenkeulen
des Mikrowellenstrahls abdecken kann (d. h. eine Größe, die ein
Mehrfaches der Strahlbreite des Mikrowellenstrahls ist).
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Im
Fall des oben angegebenen Beispiels (in dem Fall, in dem die Sendeantenne
von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten eine rechteckige
Apertur hat) muß jede
von der Vielzahl von Teilrectennas eine Apertur haben, die zumindest die
Hauptkeule und die erste und zweite Seitenkeule des entsprechenden
Mikrowellenstrahls empfangen kann, damit jede von der Vielzahl von
Teilrectennas den Mikrowellenstrahl effektiv empfangen kann.
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Konkret
bedeutet das, daß in
dem Fall des Mikrowellenstrahls, der eine räumliche Verteilung entsprechend
(sinX/X)2 wie oben erwähnt hat, zur Abdeckung der
Hauptkeule und der ersten und zweiten Seitenkeule des Mikrowellenstrahls
jede von der Vielzahl von Teilrectennas eine Apertur haben muß, deren
Größe das Fünffache
der Strahlbreite von 3 db ist (gemessen in Querschnittsrichtung
zwischen zwei Energiepunkten mit der halben Peakenergie der Hauptkeule).
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Wenn
der Durchmesser der Querschnittsfläche des Mikrowellenstrahls,
auf welche die Energie der Mikrowelle konzentriert ist, als "effektiver Strahldurchmesser" definiert wird,
muß die
Apertur der Teilrectenna größer als
der effektive Strahldurchmesser sein. 2 zeigt
eine Beziehung zwischen der Strahlbreite von 3 dB, dem effektiven
Strahldurchmesser und der Größe der Apertur
von jeder von der Vielzahl von Teilrectennas.
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Wenn
die Sendeantenne von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 eine quadratische
Apertur hat, braucht jede von der Vielzahl von Teilrectennas nur
eine quadratische Apertur zu haben, welche den Mikrowellenstrahl
mit Kreisquerschnitt abdeckt, da die Querschnittsform eines von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten übertragenen
Mikrowellenstrahls ein Kreis ist.
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Tatsächlich hat
jede von der Vielzahl von Teilrectennas eine Apertur, deren Größe in der
Größenordnung
von einigen km liegt. Auf der Basis des oben angesprochenen Grundgedankens
kann die Apertur von jeder von der Vielzahl von Teilrectennas bestimmt
werden.
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Als
nächstes
wird die Rectenna erläutert,
die aus einer Gruppe von Teilrectennas besteht. 3 zeigt
Mikrowellenstrahlen, die in die Rectenna 3 gerichtet sind,
sowie ein Beispiel der Anordnung der Vielzahl von Teilrectennas.
Das Beispiel von 3 zeigt den Fall, bei dem die
Anzahl Mikrowellenstrahlen, die auf die Rectenna fallen, 16 ist.
Wie die Figur zeigt, ist die Aperturfläche der Rectenna 3 in
die Vielzahl von quadratischen Teilrectennas 6 unterteilt,
von denen jede virtuell als ein kleiner Bereich für den Empfang
eines entsprechenden Mikrowellenstrahls 7 definiert ist.
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Jede
von der Vielzahl von Teilrectennas 6 hat ausreichende Größe, um die
Energie des jeweiligen Mikrowellenstrahls 7 von einem jeweiligen
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten effektiv zu empfangen.
Jeder von der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen 7 hat im
Querschnitt Kreisform und ist in die Mitte der jeweiligen Teilrectenna 6 gerichtet.
Der Durchmesser von jedem von der Vielzahl von Kreisen, die in 3 gezeigt
sind, ist gleich dem "effektiven
Strahldurchmesser",
und der größte Teil
der Energie des jeweiligen Mikrowellenstrahls ist auf jeden von
der Vielzahl von Kreisen konzentriert.
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Der
Einfachheit halber soll angenommen werden, daß die Querschnittsform von
jedem von der Vielzahl von empfangenen Mikrowellenstrahlen ein Kreis
ist und daß die
Form der Apertur von jeder von der Vielzahl von Teilrectennas ein
Quadrat ist, das einen jeweiligen von der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen
abdecken kann. Ferner soll angenommen werden, daß die Form der Apertur der
Rectenna 3 ein Quadrat ist, in dem die Vielzahl von Teilrectennas 6 in Längs- und
Querrichtung wie ein Schachbrett angeordnet ist, so daß die gleiche
Anzahl von Teilrectennas nicht nur in einer Reihe, sondern auch
in einer Spalte verläuft
(d. h., die Vielzahl von Teilrectennas 6 ist in Form eines
4×4-Arrays
angeordnet).
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Die
Vielzahl von Teilrectennas überlappen einander
nicht und sind in derselben Ebene angeordnet, wie 3 zeigt.
Die Anordnung der Vielzahl von Teilrectennas 6 ermöglicht den
verteilten Empfang der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen an der Vielzahl von
verschiedenen Positionen an der Rectenna, so daß die Energieverteilung der
empfangenen Mikrowellen vergleichmäßigt wird.
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Tatsächlich steuert
das Mikrowellenempfangssystem die Richtung des von jedem von der Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten 1 zu übertragenden Mikrowellenstrahls
so, daß das
Zentrum im Querschnitt des Mikrowellenstrahls in das Zentrum einer
entsprechenden von der Vielzahl von Teilrectennas gerichtet wird.
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Wie
bereits erwähnt,
weist die Aperturfläche der
Rectenna 3 die Vielzahl von Teilrectennas 6 auf, die
virtuell als eine Vielzahl von kleinen Bereichen und in Längs- und
Querrichtung angeordnet sind, um Mikrowellenstrahlen zu empfangen.
Die Rectenna 3, die wie vorstehend erläutert ausgebildet ist, hat
eine Apertur in der Größenordnung
von einigen zehn km bis zu einigen hundert km. Im allgemeinen besteht die
Rectenna 3 aus einer Arrayantenne, bei der eine Vielzahl
von Antennenelementen in Form eines Arrays angeordnet sind.
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Tatsächlich wird
die Form der Apertur der Rectenna 3 korrekt durch die Anordnung
der Vielzahl von Antennenelementen bestimmt, wobei diese Anordnung
auf der Basis der Antennenleistung und der geographischen Merkmale
eines Orts, an dem die Rectenna 3 errichtet wird, usw.
konstruiert wird. Im allgemeinen ist die Form der Apertur der Rectenna 3 ein
Kreis, wie in 3 gezeigt, oder ein Rechteck.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
wird die Größe von jeder
der Vielzahl von Teilrectennas 6 in Abhängigkeit von dem effektiven
Strahldurchmesser einer jeweiligen zu empfangenden Mikrowelle bestimmt. Wenn
eine Verringerung der Störung
von Mikrowellen als elektromagnetische Wellen dominant ist, muß zwar die
Apertur von jeder von der Vielzahl von Teilrectennas vergrößert werden,
so daß sie
hinreichend größer als
der effektive Strahldurchmesser ist, aber die gesamte Rectenna wird
im Verhältnis
dazu ebenfalls riesig, und die Realisierung der Rectenna wird somit
schwierig. Tatsächlich
kann die Größe von jeder
von der Vielzahl von Teilrectennas unter Berücksichtigung eines Kompromisses
zwischen einem akzeptablen Störungsgrad
von Mikrowellen usw. und der Größe der gesamten
Rectenna bestimmt werden.
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Wie
bereits erläutert,
erzeugt jeder von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 eine
inkohärente
Mikrowelle, und eine Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die von der
Vielzahl von Energieversorgungssatelliten übertragen werden, sind voneinander
unabhängig.
Somit ist die Zahl der erzeugten Mikrowellenstrahlen gleich der
Zahl von Energieversorgungssatelliten 1.
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Als
Alternative kann die Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 in
einige Gruppen unterteilt werden, und jede von einer Vielzahl von
Mikrowellen, die von jeder von der Vielzahl von Gruppen übertragen
werden, wird phasenmäßig eingestellt und
inkohärent-moduliert,
so daß sie
kohärent
zu der elektrischen Energieversorgungsbasis übertragen wird und keine Störung mit
anderen Mikrowellen bewirkt, die von einer anderen Gruppe übertragen
werden.
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Bei
dieser Variante kann davon ausgegangen werden, daß die Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten, die in jeder Gruppe vorgesehen
sind, eine Sendeantenne mit großer
Apertur bilden und einen sehr schmalen Mikrowellenstrahl durch die
Antenne mit großer
Apertur erzeugen (die Strahlbreite ist zu dem Kehrwert der Größe der Antennenapertur proportional).
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Ferner
kann die Anzahl von erzeugten Mikrowellenstrahlen reduziert werden,
weil sie gleich der Anzahl von Gruppen ist. Infolgedessen kann die
Größe von jeder
von der Vielzahl von Teilrectennas verringert werden, und die Anzahl
von Teilrectennas kann verringert werden, was in einer Größenverringerung
der gesamten Rectenna resultiert.
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Außerdem kann
die Strahlform im Querschnitt zu einer anderen Form, wie etwa einer
Ellipse, entsprechend der Form der Apertur der Sendeantenne von
jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten geändert werden,
obwohl in der obigen Erläuterung
davon ausgegangen wird, daß die Strahlform
im Querschnitt ein Kreis ist. In diesem Fall braucht die Form von
jeder von der Vielzahl von Teilrectennas nicht auch ein Quadrat
zu sein, und es erübrigt
sich zu sagen, daß es
bevorzugt wird, daß die Form
an die Strahlform angepaßt
ist.
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Wie
bereits erläutert, überlappen
die Vielzahl von Teilrectennas einander nicht und sind in derselben
Ebene angeordnet. Diese Anordnung ist zwar wirksam zum Reduzieren
der Interferenz von empfangenen Mikrowellen als elektromagnetische
Wellen, aber es wird die gleiche Anzahl von Teilrectennas wie die
Anzahl von Mikrowellenstrahlen benötigt, und die gesamte Rectenna
wird daher sehr groß. 4 dient
der Erläuterung eines
anderen Verfahrens zum Anordnen der Vielzahl von Teilrectennas an
der Aperturfläche
der Rectenna, um das angesprochene Problem zu lösen.
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Gemäß dem anderen
Verfahren wird eine zweite Teilrectenna ferner in der Mitte von
jeder von einer Vielzahl von Gruppen von vier ersten Teilrectennas
einander benachbart positioniert, und eine Vielzahl von zweiten
Teilrectennas ist daher so angeordnet, daß sie die Vielzahl von ersten
Teilrectennas wie eine Pyramide überlagern.
Anders ausgedrückt, es
sind die Vielzahl von zweiten Teilrectennas jeweils an einer Vielzahl
von Gittern des Schachbretts angeordnet, wo die Vielzahl von ersten
Teilrectennas in derselben Ebene angeordnet sind.
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Da
die Distanz zwischen jeweils zwei benachbarten Strahlen, die in
einer Diagonalrichtung verlaufen, größer als diejenige zwischen
jeweils zwei benachbarten Strahlen ist, die in einer Horizontal- oder
Vertikalrichtung verlaufen, und da die Interferenz von zwei empfangenen
Mikrowellen durch jeweils zwei benachbarte Strahlen, die in einer
Diagonalrichtung verlaufen, relativ gering ist, kann jede von der
Vielzahl von zweiten Teilrectennas im Zentrum von jeder von der
Vielzahl von Gruppen von vier ersten einander benachbarten Teilrectennas
positioniert sein.
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Während es
das oben erläuterte
Verfahren zum Anordnen der Vielzahl von Teilrectennas in derselben
Ebene, wie in 3 gezeigt, möglich macht, höchstens
16 Mikrowellenstrahlen an der Vielzahl von verschiedenen Positionen
an der Rectenna verteilt zu empfangen, so macht es das andere Anordnungsverfahren,
das in 4 gezeigt ist, bei dem die Vielzahl von ersten
und zweiten Teilrectennas wie eine Pyramide angeordnet ist, möglich, 25
Mikrowellenstrahlen (= 16 Strahlen, die von der Vielzahl von ersten
Teilrectennas empfangen werden, plus 9 Strahlen, die von der Vielzahl
von zweiten Teilrectennas empfangen werden) an der Vielzahl von
verschiedenen Positionen an der Aperturfläche gleicher Größe der Rectenna
verteilt zu empfangen.
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5 zeigt
einen Teil der Energieverteilung von Mikrowellen, die von der Aperturfläche der
Rectenna von 4 empfangen werden (in einer
durch den Pfeil von 4 bezeichneten Linie). Da die Hauptkeule
jedes Mikrowellenstrahls diejenige eines benachbarten Mikrowellenstrahls
nicht stört,
kann verhindert werden, daß der
Peak der elektrischen Energie jedes Mikrowellenstrahls einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zum Steuern der Richtung des Mikrowellenstrahls,
der von jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 zu übertragen
ist, erläutert.
Die Richtung des Mikrowellenstrahls wird auf der Basis von Information über die
Position von jeder von der Vielzahl von Teilrectennas gesteuert
(z. B. Information über
den Ort des Zentrums von jeder der Vielzahl von Teilrectennas). Die
Satellitenkommunikationsantenne 5, die auf der Erde angeordnet
ist, sendet ein Richtungssignal als die oben erwähnte Positionsinformation an
den Steuersatelliten 2.
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Der
Steuersatellit 2 erzeugt für jeden von der Vielzahl von
Energieversorgungssatelliten 1 Richtungssteuerdaten durch
entsprechende Verarbeitung der erwähnten Positionsinformation
und sendet die Richtungssteuerdaten an jeden von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1.
Jeder von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 steuert
die Richtung des Mikrowellenstrahls unter Nutzung der Richtungssteuerdaten
von dem Steuersatelliten 2.
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Anstatt
die Richtungssteuerdaten an jeden von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 über den
Steuersatelliten 2 zu übertragen,
ist es auch möglich,
die Positionsinformation direkt zu jedem von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 zu übertragen,
so daß es
möglich
ist, daß jeder
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 die
Richtung des Mikrowellenstrahls steuert.
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Der
Steuersatellit kann bestimmen, welchen Teil der Positionsinformation
jeder von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten 1 nutzt
(d. h. eine Übereinstimmung
zwischen der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten und einer
Vielzahl von Teilen von Positionsinformation). Als Alternative kann eine
Vorrichtung (z. B. die elektrische Energieversorgungsbasis 4)
auf der Erde bestimmen, welchen Teil von Positionsinformation jeder
von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten nutzt.
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Wenn
eine auf der Erde angeordnete Vorrichtung bestimmt, welchen Teil
der Positionsinformation jeder von der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten
nutzt, heftet die Vorrichtung an die Positionsinformation ein Flag
an, das zeigt, welcher Energieversorgungssatellit der Positionsinformation zugewiesen
ist, die zu dem Energieversorgungssatelliten zu übertragen ist. Wenn jeder von
der Vielzahl von Energieversorgungssatelliten Positionsinformation
mit einem Flag empfängt,
das zeigt, daß er
selbst das Ziel ist, steuert er die Richtung des zu übertragenden
Mikrowellenstrahls auf der Basis der Information.
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Wie
bereits gesagt, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren angegeben zum Umwandeln elektrischer Energie,
in die Sonnenlicht von einer Vielzahl von Energieversorgungssatelliten im
Weltraum umgewandelt worden ist, in Mikrowellen, Übertragen
der Mikrowellen zu einer auf der Erde befindlichen elektrischen
Energieversorgungsbasis und Erzeugen von elektrischer Energie mittels
der elektrischen Energieversorgungsbasis, wobei das Verfahren imstande
ist, die Vielzahl von Mikrowellenstrahlen, die von der Vielzahl
von Energieversorgungssatelliten übertragen wird, verteilt an
einer Reihe von verschiedenen Positionen an einer Empfangsantenne
zu empfangen, derart, daß keine
Konzentration der Vielzahl von Mikrowellenstrahlen an dem gleichen
Bereich der Empfangsantenne stattfindet.
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Somit
kann das Verfahren eine Konzentration der Energie von Mikrowellen
an einem Teil der Empfangsantenne verhindern und kann somit auch verhindern,
daß die
Energiedichte lokal einen gesetzlich vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
so daß die
Gefahr einer Verminderung der Sicherheit von Mikrowellenübertragungen
ausgeschlossen wird. Ferner ist es unnötig, den Widerstandswert der
Empfangsantenne für
elektrische Energie zu erhöhen.
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Es
versteht sich, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung erläuterten
speziellen Ausführungsformen
beschränkt
ist.