DE69106711T2

DE69106711T2 - Bekämpfung von zebramuscheln (dreissena polymorpha) und anderen wasserorganismen.

Info

Publication number: DE69106711T2
Application number: DE69106711T
Authority: DE
Inventors: Arthur David Vancouver British Columbia V9B 4B9 Bryden
Original assignee: 1008786 Ontario Ltd
Current assignee: 1008786 Ontario Ltd
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2011-08-01
Also published as: GR3015464T3; ATE117117T1; EP0541609B1; DK0541609T3; US5432756A; WO1992002926A1; DE69106711D1; CA2088475C; CN1041075C; ES2067947T3; PL168256B1; EP0541609A1; PL294211A1; CN1068080A; CA2088475A1; AU8287691A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung oder Reduzierung des Aufbaus eines Bewuchses von Wasserorganismen in einem Bereich unter Wasser. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern oder Verringern eines ungewünschten Bewuchses von Zebramuscheln über einen festgelegten Bereich, mit Hilfe akustischer Impulse, die von einer Plasmafunkenvorrichtung erzeugt werden, die manchmal auch als "Funkenvorrichtung", "Plasmakanone" oder "Plasmadüsenstrahl" bezeichnet wird.

STAND DER TECHNIK

Die Fähigkeit bestimmer Meeresorganismen wie beispielsweise Mollusken, sich an vom Menschen hergestellten Unterwasserobjekten festzusetzen, stellt seit langem ein schwieriges und kostenaufwendiges Problem für Organisationen dar, die sich in Meeresoperationen betätigen. Der bekannteste Aspekt des Problems ist der Bewuchs von Schiffsrümpfen durch Meeresorganismen, welcher die Fortbewegung eines Fahrzeugs durch das Wasser deutlich verringern kann. In jüngster Zeit ist ein noch bekannterer Aspekt des Problems durch die Invasion der Großen Seen durch eine nicht-heimische Molluske aufgetreten, die als die Zebramuschel bekannt ist.
Ausgewachsen ist die Zebramuschel nur wenige Zoll lang, vermehrt sich jedoch in enormer Rate, und bildet massive Kolonien auf Unterwasserobjekten. Die größten unmittelbaren Sorgen verursacht die Art und Weise, in welcher sich diese Kolonien um Wassereinlaßrohre für hydroelektrische Anlagen und städtische Einrichtungen herum angesammelt haben, wodurch sie den Wasserfluß behindern und sogar zu blockieren drohen.
Das einzige bewährte Verfahren zum Steuern des Wachstums der Muscheln an Wassereinlässen bestand bislang in der Verwendung von Chemikalien, insbesondere einer Chlorierung. Dies stellte sich allerdings als umständlich, teuer und als potentiell gefährlich für die Umwelt unter Wasser heraus.
An den Großen Seen bereitet die Verwendung von Chemikalien bei Wuchsverhinderungsanstrichen für Schiffsrümpfe zunehmende Sorgen und hat zur Einführung von Kontrollen geführt. Es wurde geschlossen, daß einige der wirksamsten Chemikalien, die in diesen Farben eingesetzt werden, negative Auswirkungen auf die Meeresumgebung und die Wasserqualität haben können.
Es wurden daher zahlreiche Überlegungen auf die Entwicklung einer in der Praxis einsetzbaren Einrichtung zur Erzeugung akustischer Impulse gerichtet, um ungewünschte Wasserorganismen wie Zebramuscheln in bestimmten oder eng eingegrenzten Bereichen abzutöten oder zu kontrollieren. Es ist wohl bekannt, daß die akustische Schockwelle einer Unterwasserexplosion lokal Wasserlebewesen töten oder lähmen kann. Ein akustischer Impuls, der durch eine ähnliche oder eine andere mechanische oder elektrische Einrichtung erzeugt wird, kann dieselbe lokale Wirkung zeigen.
Es hat sich als schwierig herausgestellt, ein praktisches und kontrollierbares Verfahren zur Erzeugung akustischer Energie aufzufinden, welches ungewünschte Wasserorganismen negativ beeinflußt. Die Verwendung explosiver oder mechanischer Unterwasser-Schallgeneratoren schlug fehl, da Forscher, die mit diesen Geräten arbeiteten, nicht fähig waren, eines oder mehrere Probleme in Bezug auf Wiederholbarkeit, Steuerbarkeit, Kosten, Komplexität, Abmessungen, Wirksamkeit und allgemeinen Wirkungsgrad zu lösen. Die Ein-Zoll- Luftkanone beispielsweise, die zur Erzeugung von Schallimpulsen verwendet wird, erfordert eine schwimmende Plattform entsprechend einem Schleppkahn. Dies macht sie verwundbar gegenüber den störenden Einflüssen des Wetters und des Meeres, und beschränkt sie auch darin, wie nahe sie an den Unterwasserzielbereich herangebracht werden kann. Die von ihr erzeugten Impulse sind darüber hinaus über ein breites Frequenzband ausgedehnt, wodurch die für jene Frequenzen verfügbare Energie begrenzt ist, die sich als optimal schädlich für die Zielorganismen herausgestellt haben.
Mit elektrischem Strom betriebene Unterwasser- Schallgeneratoren gibt es allerdings seit vielen Jahren. Sie wurden dazu entwickelt, variable Schallquellen für die seismische Untersuchung von Wassermassen und darunter liegender Sedimente zur Verfügung zu stellen. Bei einer Gruppe dieser Geräte wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Elektroden erzeugt, was in der Wirkung stark einer kleinen Explosion von TNT ähnelt, die das Gas oder Wasser an den Elektroden spaltet (ein "Plasma" erzeugt), und einen Schallimpuls erzeugt. Unter der Bezeichnung Funkenvorrichtungen oder Plasmakanonen er forderten frühe Versionen dieser Geräte hohe Spannungen, wenn sie eingetaucht waren, um das Wasser zu ionisieren und den Lichtbogen zu erzeugen, oder mechanische Vorgehensweisen zur Bereitstellung eines leitfähigen Kanals zwischen den Elektroden.
Verbesserungen des Designs von Plasmakanonen haben in jüngster Zeit dazu geführt, daß diese eine erheblich wirkungsvollere und praktisch einsetzbare Quelle von Schallenergie darstellen. Bei dem kanadischen Patent 1 268 851 von Reginald Clements et al wird Gas dem Hohlraum zugeführt, in welchem der Lichtbogen auftreten soll, und ist eine Einrichtung vorgesehen, durch welche der Hohlraum vergrößert oder verkleinert werden kann, um die Abmessungen der Plasmasäule zu steuern, die bei der Entladung erzeugt wird. Dies ermöglicht eine Steuerung der Wellenlänge des Schallimpulses, der durch den Funken hervorgerufen wird, der weiterhin durch die Spannung und den Strom gesteuert wird, welche den Elektroden zugeführt werden.
Eine Plasmakanone kann mit einer Kraftfahrzeug-Zündkerze verglichen werden, bei welcher die Art des Funkens durch den Elektrodenabstand und die Größe des Stroms und der Spannung kontrolliert wird, die den Elektroden zugeführt werden. Beim Einsatz unter Wasser kann Wasser aus dem Bereich um die Elektroden herum verdrängt und durch ein Gas ersetzt werden, bevor der Lichtbogen oder Funken erzeugt wird. Alternativ hierzu kann eine ausreichend hohe Spannung an die Elektroden von einer getrennten Triggerschaltung aus angelegt werden, um die hohe Durchbruchsspannung von Süß oder Salzwasser zu überwinden. Wie eine Zündkerze kann eine Plasmakanone wiederholt mit hoher Rate abgefeuert werden, beispielsweise mit einem Impuls pro Sekunde.
Die Plasmakanone ist deswegen für die Unterwasser-Schallbilderzeugung oder seismische Untersuchungen attraktiv, da sie je nach Wahl über einen breiten Bereich von Schallfrequenzen mit Impulsen erheblich engerer Bandbreite betrieben werden kann, als diese von mechanischen Schallgeneratoren wie Luftkanonen verfügbar sind. Sie kann darüber hinaus Schallimpulse mit hohen Amplituden und bestimten Wellenlängen erzeugen. Dies bringt zahlreiche Vorteile im Hinblick auf Schall- und seismische Bilderzeugung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Plasmafunkenvorrichtung oder Plasmakanone wurde für die Unterwassererforschung entwickelt, jedoch habe ich festgestellt, daß sie die Verwirklichung eines neuen Verfahrens zum Verhindern oder Verringern eines Bewuchses von Wasserlebewesen wie Zebramuscheln darstellt, oder anderer Wasserorganismen, über begrenzte und vorher festgelegte Bereiche, ohne einen größeren Bereich unter Wasser oder die Wasserqualität negativ zu beeinflussen. Sie weist Vorteile im Vergleich zu sämtlichen mechanischen Vorrichtungen zur Erzeugung von Schallenergie in der Hinsicht auf, daß sie eine hohe Wiederholrate aufweist, einen hohen Wirkungsgrad, und über einen breiten Energiebereich arbeitet. Zwei oder mehr Plasmakanonen, die aufeinander abgestimmt arbeiten, können darüber hinaus dazu veranlaßt werden, Schallimpulse zu erzeugen, die durch Zeitintervalle getrennt sind, die auf die körperlichen Abmessungen der Zielorganismen abgestimmt sind, um den biologischen Schaden zu maximieren. Mit anderen Worten kann ein Organismus dann dauernd geschädigt werden, wenn er von einem weiteren Schallimpuls getroffen wird, bevor er sich von den Wirkungen des vorherigen Impulses erholen konnte. Sie kann darüber hinaus kompakt sein, ein geringes Gewicht aufweisen, einen einfachen Aufbau und einfach im Betrieb sein, kann unter Wasser nahe am Zielbereich angebracht werden, und kann ferngesteuert betätigt werden.
Zur Erzielung der gewünschten Wirkung, Wasserorganismen zu töten oder zu kontrollieren, können die mechanischen Bauteile einer Plasmakanone, die aus der Elektrode oder den Elektroden bestehen, einem Isolator und einem Außengehäuse, unter Wasser nahe am Zielbereich angebracht werden. Diese Bauteile wiegen höchstens zwischen zwei und einhundert Pfund. Gas und Elektrizität können der Einheit von fern zugeführt werden, entweder vom Ufer aus, oder von einer kleinen Schwimmplattform, die darüber verankert ist. Falls es infolge der mechanischen Abstimmbarkeit der Vorrichtung erforderlich ist, die durch Variation der Abmessungen des Hohlraums erzielt wird, in welchem der Lichtbogen auftritt, kann mehr als ein Plasmastrahler im Zielbereich angebracht werden. Ansonsten werden die Wellenlänge, Frequenz und Energie der Schallimpulse von der Plasmakanone ferngesteuert.
Für Unterwassereinsätze weisen die erfolgreicheren Entwürfe für Plasmafunkenvorrichtungen im allgemeinen ein Gehäuse mit einer Kammer an einem Ende auf, in welcher die Elektroden angeordnet sind. Diese Kammer - der Funkenentladungshohlraum - weist eine Öffnung auf, die zum Medium (in diesem Falle Wasser) hin offen ist, um das Austreten der Plasmasäule zuzulassen, wenn die Vorrichtung durch Aktivieren der Hauptspeicherschaltung gezündet wird, wodurch der Schallimpuls erzeugt wird.
Bislang waren Schallimpulse mit relativ geringer Energie ausreichend, wenn Plasmafunkenvorrichtungen für Unterwasser-Schallbilderzeugung oder ähnliche seismische Einsatzzwecke eingesetzt werden sollten. Bei einem der jüngeren Entwürfe wurden sie durch Verwendung einer geeigneten Anzahl von Speicherkondensatoren erreicht, zum Sammeln elektrischer Energie und deren Entladung bei relativ niedrigen Spannungen (0,8 bis 5 kV), und bei recht bescheidenen Energiepegeln (bis zu 1 x 10³ Joule). Eine Entladung bei diesen Spannungen wird durch einen Triggerfunken über dem Spalt unterstützt, der von einer getrennten elektrischen Schaltung erzeugt wird (einer "Triggerschaltung" statt der Hauptspeicherschaltung), mit hoher Spannung (einige 10 kV) und niedriger Energie (< 1 Joule). (Vergleiche kanadisches Patent Nr. 1 268 851, patentiert 90/05/08, von R.M. Clements et al).
Es wird darauf hingewiesen, daß vorhandene Entwürfe von Plasmafunkenquellen, die für Unterwasser-Schalleinsatzzwecke ausgelegt sind, gewöhnlich (ausdrücklich oder implizit) auf die Bereitstellung der erforderlichen Energieentladungsquellen hin ausgelegt sind, mit hoher Spannung (15 bis 30 kV) bei niedrigen Strömen (100 Milliampere) oder vergleichsweise niedrigeren Spannungen (bis herauf zu 5 kV) bei etwas höheren Strömen (1500 Ampere). Diese Entwürfe, welche eine hohe Spannung bei niedrigen Strömen verwenden, haben diese verwendet, wenn es sich als erforderlich herausstellte, die hohe Durchbruchsspannung von Salzwasser zu überwinden. Es wurden zahlreiche Überlegungen darauf gerichtet, leitfähigere Substanzen zwischen die Elektroden zu bringen, um eine Funkenerzeugung bei niedrigeren Spannungen zu ermöglichen.
Mit anderen Worten lag das Motiv für den Entwurf früherer Plasmafunkenvorrichtungen, die für seismische Einsatzzwecke im Wasser gedacht waren, darin, es zu vermeiden, Entladungsschaltungen vorzusehen, welche von der Auslegung her oder aufgrund der Erfordernisse hohe Spannungen und hohe Stromwerte vereinigen. Es scheint in der Tat so zu sein, daß es eine wahrnehmbare (jedoch unbestimmte) Verbreiterung von Schallimpulsenergien gibt, die dazu ausreicht, die meisten Einsatzanforderungen für Unterwasser-Schallecholote zu erfüllen, ohne daß man dazu übergehen muß, Schaltungen herzustellen, welche eine schnelle Entladung von Quellen hoher Energie (mehr als 1000 Joule) bei mittleren zu hohen Spannungen (2 kV oder mehr) ermöglichen.
Wenn eine Plasmafunkenvorrichtung dazu eingesetzt werden soll, lokal zerstörerische oder tötliche Unterwasserschallimpulse zu erzeugen, so besteht jedoch das Ziel darin, wiederholbare Schallimpulse zu erzeugen, die so kräftig wie möglich sind. Dies wird am besten dadurch erzielt, wenn die Plasmasäule durch sich schnell entladende Energien erzeugt wird, die eine hohe Spannung und einen hohen Strom kombinieren. Ich habe herausgefunden, daß diese Anforderung am besten dadurch erfüllt wird, daß Hochstrom/Hochspannungskondensatoren in der Speicherschaltung einer Plasmafunkenvorrichtung verwendet werden. Ich habe weiterhin festgestellt, daß kryogekühlte, supraleitende Feldspulen ebenfalls für diesen Zweck eingesetzt werden können, obwohl momentane Konstruktionen in der Praxis in dieser Beziehung nicht so einfach einsetzbar erscheinen wie die Hochspannungs/Hochstromkondensatoren, welche ein flüssiges Dielektrikum verwenden und allgemein als "ölgefüllt" bekannt sind.
Das "Öl" in ölgefüllten Kondensatoren kann ein flüssiges Dielektrikum sein (beispielsweise Polychlorid biphenyl oder Alkylbenzol> , welches die Konstruktion eines Kondensators auf solche Weise ermöglicht, daß dieser große interne Leiter aufweist, welche die Energiespeicherung optimieren (200 und mehr Mikrofarad), und eine schnelle Entladung zulassen. Letzteres, welches auch wesentlich zur Leistung der sich ergebenden Plasmasäule beiträgt, kann durch Verwendung eines dicken Drahtes aus Nichrom (Nickel-Chrom) mit geringem Widerstand (vorzugsweise 0,2 bis 0,8 Ohm) erzielt werden. Die sich ergebenden Entladungen können dann in der Größenordnung von 25000 Ampere oder mehr bei 5 Kilovolt oder mehr liegen. Momentan erhältliche Kondensatoren mit einem solchen Aufbau, die nicht ölgefüllt sind, werden durch dieses Entladungsverfahren bei diesen Energien eher beschädigt oder zerstört.
Ölgefüllte Kondensatoren (und kryogekühlte supraleitende Feldspulen) werden nicht häufig industriell eingesetzt, da wenige elektrische oder elektronische Geräte die sehr hohen Energieimpulse benötigen, die sie abgeben können. Sie finden sich eher in elektrischen Systemen von Kern- oder Hochenergie-Forschungseinrichtungen. Sie sind nicht erforderlich für einen erfolgreichen Betrieb einer Plasmafunkenvorrichtung, wenn diese als Unterwasser- Schallecholot oder für die Unterwasser-Schallbilderzeugung verwendet wird. Wenn daher Plasmafunkenvorrichtungen für den Gebrauch unter Wasser gedacht sind, verwenden ihre Speichersysteme nicht-ölgefüllte Kondensatoren, die relativ geringe Energiespeicherungs- und Entladungsfähigkeiten aufweisen.
Durch Versuche mit Plasmafunkenvorrichtungen hat sich darüber hinaus herausgestellt, daß dann, wenn die Funkenentladung zwischen Aluminium- oder Aluminiumlegierungselektroden auftritt, die Leistung der sich ergebenden Plasmasäule wesentlich erhöht wird. Anscheinend wird infolge von Verdampfung das Aluminium zu einem Teil des ionisierten Gases der Säule, welches anderenfalls hauptsächlich aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Um den Metallverlust der Elektroden bei jeder Entladung zu kompensieren, werden sie als "Nachschubelektroden" ausgebildet, bei welchen der Aluminiumdraht für jede der Elektroden kontinuierlich in den Entladungshohlraum des Geräts oder direkt in den Wasserbereich vorgeschoben werden kann.
Wenn die voranstehend geschilderten technischen Neuerungen bei einem in eine Flüssigkeit eingetauchten Plasmafunkengerät vorgesehen werden, so führen die auf diese Weise erhältenen, sehr starken Schallimpulse zu verschiedenen neuen Einsatzfeldern. Diese umfassen das Abtöten, Beschädigen oder das sonstige Kontrollieren ungewünschter Meeresorganismen wie Zebramuscheln, das Sterilisieren von Fluiden, die Trennung von Flüssigkeiten und Feststoffen in Suspension, und das Aufbrechen abgesunkener Feststoffe, beispielsweise Klärschlamm.
Die Tatsache, daß eine unter Wasser installierte Plasmakanone von der Oberfläche aus gesteuert werden kann, ermöglicht es dem Bedienungspersonal, experimentell die optimale Wellenlänge, Amplitude und Frequenz des Schallimpulses zu ermitteln, die zur Erzielung der gewünschten Wirkung, bestimmte Wasserlebewesen im Zielbereich abzutöten oder zu kontrollieren, erforderlich sind. Es sollte darüber hinaus möglich sein, eine optimale Impulsfrequenz, Wellenlänge und Amplitude aufzufinden, bei welchen eine mechanische Beschädigung bei dem Ziellebewesen in verschiedenen Stufen von dessen Wachstum hervorgerufen wird (oder sogar bei Wasserpflanzen und einzelligen Organismen), innerhalb einer Entfernung von den Elektroden, die durch den zugeführten Energiebetrag festgelegt wird. Weiterhin hat das Bedienungspersonl die Wahl, eines oder mehrere der Geräte bei niedriger Energie mit einer hohen Wiederholungsrate abzufeuern, falls sich dies als geeignete Art und Weise herausstellt, Wasserlebewesen von einer Besiedlung des Zielbereiches abzuhalten.
Daher stellt die Plasmafunkenvorrichtung eine ökonomische, praktische und vielseitig einsetzbare Einrichtung zu dem Zweck dar, mit ungewünschten Wasserlebewesen in einer Unterwasserumgebung innerhalb eines begrenzten und festgelegten Bereiches fertig zu werden.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer eintauchbaren Plasmafunkenvorrichtung, die bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 2 eine Ansicht einer mit mehr Einzelheiten dargestellten Plasmafunkenvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung beim Einsatz in einem Wasserbehälter;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Vorschubmechanismus zum Ersetzen der Elektroden;
Fig. 5 eine weitere Ansicht von oberhalb des Mechanismus zum Ersetzen der Elektroden;
Fig. 6 eine Ansicht einer Art einer Hochspannungs/Hochstrom-Schaltvorrichtung; und
Fig. 7 eine Ansicht einer weiteren Art einer Hochspannungs/Hochstrom-Schaltvorrichtung.
In den Zeichnungen weist eine Plasmafunkenvorrichtung für den Unterwasserbetrieb eine Hauptspeicherschaltung 14 und eine Triggerschaltung 12 auf. Bei der Auslösung tritt an den Elektroden zunächst eine Hochspannungs/Niedrigstromentladung auf, und dann eine Hochstromentladung bei einer niedrigeren Spannung. Es ergeben sich sowohl eine Plasmasäule aus ionisiertem Gas hoher Temperatur als auch ein Schallimpuls. Die Plasmasäule erzeugt UV-Strahlung.
In den Zeichnungen ist in Figur 1 ein vereinfachtes System dargestellt, bei welchem eine Plasmafunkenvorrichtung eine Energieversorgung 10 aufweist, eine Entladungsschaltung 15 mit einer Hauptspeicherschaltung 14 und einem Nichrome-Draht 81, eine Triggerschaltung 12, und einen Hochspannungs/Hochstromschalter 18. Bei Aktivierung durch den Schalter liefert die Triggerschaltung eine Hochspannungsentladung (jedoch mit niedrigem Strom) an die Elektroden 50, die dazu ausreicht, einen Zusammenbruch des Mediums (im vorliegenden Falle Wasser oder Luft) zwischen den Elektroden hervorzurufen, und es tritt ein Anfangsfunken auf. Dies wiederum ermöglicht es der Hochspannungs/Hochstromentladung von der Hauptspeicherschaltung (also durch den Schalter 18 aktiviert), den Spalt an den Elektroden zu überbrücken, und eine Plasmasäule zu erzeugen. Im Ergebnis führt dies zu einer Schockwelle (einem Schallimpuls) und der Bereitstellung von UV-Licht unterhalb des Wasserniveaus 22.
In der Praxis kann die Energieversorgung an einen Hochspanntransformator 32 angeschlossen sein, der einen Spannungsteiler und einen Gleichrichter aufweisen kann, so daß geeignete Gleichstromenergie sowohl der Triggerschaltung 12 als auch der Hauptspeicherschaltung 14 zugeführt werden kann.
Speicherschaltungen in Plasmakanonen, die unter Wasser arbeiten sollen, weisen gewöhnlich eine Anzahl an Speicherkondensatoren zum Sammeln elektrischer Energie für die Entladung auf. Eine derartige Plasmakanone ist zum Einsatz bei einer Profilvermessung des Meeresbodens in einem Artikel von Pitt et al beschrieben, Geophysical Prospecting 36, 523-536, 1988.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dient zu einem anderen Zweck, verglichen mit jenem, welches von Pitt et al beschrieben wurde, und es können Änderungen von Pitt's Vorrichtung erforderlich sein. Zumindest für bevorzugte Ausführungsformen mit größerem Wirkungsgrad sollte die Vorrichtung gemäß der Erfindung Schallimpulse erzeugen, die so kräftig wie möglich sind. Daher sollte die Plasmasäule unter Einsatz einer hohen Spannung und eines hohen Stroms von der Hauptspeicherschaltung 14 erzeugt werden, welche Kondensatorbänke oder andere Reaktanzen aufweist. Daher sollte das Speichervermögen der Hauptspeicherschaltung 14 so groß wie möglich sein. Die Speichereinrichtung kann durch blockweise geschaltete Kondensatoren zur Verfügung gestellt werden. Derartige Kondensatoren sollten eine möglichst hohe Kapazität aufweisen, und daher können ölgefüllte Kondensatoren verwendet werden, die eine Kapazität in einer Höhe von zumindest 200 Mikrofarad aufweisen. Alternativ hierzu können kryogekühlte supraleitende Feldspulen eingesetzt werden. Auch andere Speichereinrichtungen sind möglich.
Unabhängig von der Art der Speichervorrichtung wird eine geeignete Entladung von der Speichereinrichtung zu einem Hochspannungs/Hochstromschalter 18 durch Verwendung eines Drahts 81 mit relativ niedrigem Widerstand kontrolliert, der gemäß Figur 2 ein Nichrome-Draht sein kann, und einen Widerstand im Bereich von 0,6 Ohm aufweisen kann. Infolge seiner thermischen Charakteristik stellt Nichrome ein bevorzugtes Material dar. Der allgemeine Bereich für den geeigneten Widerstand kann zwischen 0,2 und 0,8 Ohm liegen. Ein Hochspannungs-Triggerimpuls von der Triggerschaltung 12 unter Steuerung eines Computers 24 wird dem Schalter 18 zugeführt.
Nach Verlassen des Hochspannungs/Hochstromschalters erreicht Strom entweder von der Triggerschaltung oder der Hauptspeicherschaltung zuerst den Elektrodenvorschubmechanismus 20 und dann eine der Elektroden 50, von denen die andere geerdet ist. Die sich ergebende Plasmasäule kann wahlweise durch einen Verstärker 30 verstärkt werden, der als nicht-abbildende Konzentrationsvorrichtung ausgebildet sein kann, die als ein eflektor verwendet wird (siehe "Nicht-abbildende Optik" in Scientific American, März 1991), oder als Düse ausgebildet sein, die aus einem hitzebeständigen Material besteht und eine geeignete geometrische Form aufweist, ähnlich jener Form, wie sie bei Düsen- oder Raketenantrieben verwendet wird. Die Gesamtvorrichtung wird von der Prozeßsteuerung 26 aus betätigt, die mit Daten von Sensoren 28 versorgt werden kann, die auf dem eingetauchten Abschnitt der Vorrichtung angeordnet sind, um die Vorschubelektroden zu steuern, oder in einer gewissen Entfernung von der Vorrichtung, um die Schallimpulse zu überwachen.
In der Praxis kann die Vorrichtung einen Aufbau aufweisen, wie er schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Die Energieversorgung 10, die Triggerschaltung 12, die Speicherschaltung 14, und der Hochspannungs/Hochstromschalter 18 können zusammen mit dem Transformator 32 und dem Nichrome- Draht 81 oberhalb des Wasserniveaus angeordnet sein, und entfernt von den Elektroden 50 und deren Vorschubmechanismus 20. Die Elektroden 50 und deren Vorschubmechanismus können, bei einem Einsatz zum Kontrollieren von Zebramuscheln, auf einer Wasserleitung angeordnet sein, an der sich Zebramuscheln ansammeln können. Zu Versuchszwecken wurden ein Elektrodenvorschub und Elektroden so angeordnet, daß sie in einem Wasserbehälter 40 arbeiteten, der einen Wassereinlaß 42 und einen Wasserauslaß 44 aufwies. Der Behälter 40 stellte eine Wassersäule mit einer Höhe von etwa 1 Meter und einem Durchmesser zwischen 8 und 16 Zoll zur Verfügung. Nur eine Funkenvorrichtung wurde verwendet, jedoch können mehrere Gruppen von Elektroden um den Durchmesser eines Behälters wie beispielsweise des Behälters 40 herum vorgesehen werden, oder um den Umfang eines Wassereinlasses oder -auslasses. Für Versuchszwecke betrug die Aufenthaltszeit von Wasser in dem Behälter etwa 1 Minute.
Energie von der Triggerschatung 12 und der Hauptspeicherschaltung 14 wurde an die Elektroden 50 über eine Übertragungsleitung 34 übertragen. Die Abschirmung 35 auf der Übertragungsleitung 34 kann aus irgendeinem konventionellen Material bestehen, und kann wie in Figur 4 gezeigt geerdet sein.
Die Figuren 4 und 5 zeigen einen geeigneten Elektrodenvorschubmechanismus für die Plasmafunkenvorrichtung. Der Vorschubmechanismus kann mit jedem Elektrodenmaterial verwirklicht werden, jedoch hat sich herausgestellt, daß Aluminium- oder Aluminiumlegierungs- Elektroden besondere Vorteile bieten. Der Elektrodenvorschubmechanismus ist vollständig in einen Block aus Kunststoffmaterial eingebettet, um ihn gegen Wasser zu schützen. Er kann auf der Außenseite des Behälters 40 angeordnet werden, so daß die Elektroden 50 in den Behälter hin vorspringen. Die Elektroden 50 können aus Aluminiumdraht gebildet werden, der von Spulen 71 mit Hilfe eines Antriebsrades 63 und eines mit diesem zusammenwirkenden Mitläuferrades 64 abgezogen wird. Das Antriebsrad 63 ist mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen, um die Elektrode 50 mitzunehmen, und das Mitläuferrad 64 ist zum Positionieren der Elektrode mit einer Nut 65 versehen. Das Mitläuferrad 64 ist auf einer Welle 73 angebracht, deren Position durch Einstellschrauben 66 eingestellt werden kann, um ein geeignetes Ausmaß an Reibung für die Elektrode 50 zwischen den Rädern 63 und 64 zur Verfügung zu stellen. Das Antriebsrad 63 kann durch eine Zahngesperreanordnung 61 mit Hilfe einer Magnetspule 69 angetrieben werden. Die Übertragungsleitung 34 tritt in den Kunststoffblock 60 ein, zusammen mit ihrer Abschirmung 35, die einen wasserdichten Eintrittspunkt in den Block 60 bildet. Sobald sie innerhalb des Blockes 60 angekommen ist, endet die Abschirmung 35, und weist die Übertragungsleitung 34 ein Ende aus nacktem Draht auf, welches im Eingriff mit einem Kontakthebel für die Elektrode 50 steht. Der Kontakthebel 68 wird mit Hilfe einer Feder 67 in Kontakt mit sowohl der Übertragungsleitung als auch der Elektrode 50 vorgespannt. Der gesamte Kunststoffblock 60 ist durch eine Metallabschirmung 70, die sich um ihn herum erstreckt, abgeschirmt, obwohl zur Vereinfachung nur ein Abschnitt der Metallabschirmung 70 gezeigt ist.
Der Hochspannungs/Hochstromschalter 18 kann ein konventioneller Luftfunkenspalt sein, wie in Figur 6 gezeigt. In diesem Falle weist der Funkenspaltmechanismus des Schalters 18 eine ankommende Hochspannungsimpulsleitung 82 von der Triggerschaltung 12 auf, und einen Draht 81 mit niedrigem Widerstand, der in einen Funkenhohlraum 85 über die Isolierung 83 eintritt. Die Übertragungsleitung 34 verläßt den Funkenspalthohlraum so, daß sie durch die koaxiale Doppelabschirmung 35 abgeschirmt ist, um einen Schutz gegen Strahlung zur Verfügung zu stellen.
Figur 7 zeigt einen alternativen Schaltmechanismus. Bei diesem werden Keramikblöcke 84 in dem Spalt verwendet. Die Blöcke 84 werden einen Kanal 85 herunter mit Hilfe eines Kolbens 94 vorgeschoben, der von einer Magnetspule 96 betätigt wird. Jeder Keramikblock 84 wird für eine vorbestimmte Anzahl an Impulsen eingesetzt, bis er durch einen anderen Block ersetzt wird. Im allgemeinen hält jeder keramische Funkenspalt 84 mehrere hunderttausend Impulse aus. Die Steuerung der Magnetspule 96 und des Kolbens 94 für die Bewegung der Blöcke 84 und des Kanals 85 kann unter Steuerung durch eine Bedienungskonsole 26 erfolgen.
Sensoren 28 können dazu vorgesehen sein, das Elektrodenmitläuferrad 64 zu positionieren. Diese Sensoren können Faseroptiksensoren oder andere geeignete Sensoren sein.
Ausführungsformen der Erfindung können auch für die Bereitstellung sauberen, zumindest teilweise sterilisierten Wassers in der Praxis eingesetzt werden, wobei Wasser sowohl mit Schallstrahlung als auch UV-Licht behandelt wird, mit Hilfe einer Plasmafunkenvorrichtung, die sich direkt in das Wasser entlädt. Ein derartiges Verfahren kann auch zür Behandlung anderer Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verhinderung oder Reduzierung der Ansammlung von Wasserorganismen innerhalb eines Bereiches unter Wasser, mit folgenden Schritten: Erzeugung von akustischen Impulsen unter Wasser innerhalb des Bereiches durch eine wiederholte Entladung einer Plasmafunkenvorrichtung (16) über einen Zeitraum in dem unter Wasser liegenden Bereich, um akustische Impulse zu erzeugen, so daß die gesamte Energieentladung im Bereich von 25000 und mehr Ampere bei 5000 und mehr Volt Gleichspannung liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Plasmafunkenvorrichtung (16) zumindest einen Hochspannungs-/Hochstromkondensator aufweist, der in Reihe oder parallel in einer Hauptspeicherschaltung (14) angeschlossen ist, welche die gesamte Energie erzeugt, und einen Entladungsdraht (81) mit einem Widerstand von 0,2 bis 0,8 Ohm aufweist, der zu einem Paar Unterwasser- Zündelektroden (50) führt, die durch einen Zündspalt getrennt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Plasmafunkenvorrichtung (16) zumindest eine kyrogekühlte, supraleitende Hochspannungs/Hochstromfeldspule aufweist, die in Reihe oder parallel in einer Hauptspeicherschaltung (14) angeschlossen ist, welche die gesamte Energieentladung erzeugt, und einen Entladungsdraht (81) mit einem Widerstand von 0,2 bis 0,8 Ohm aufweist, der zu einem Paar Unterwasser- Zündelektroden (50) führt, die durch einen Zündspalt getrennt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die akustischen Impulse in der Hinsicht wirksam sind, daß sie die Wasserorganismen abtöten oder zerstören, oder auf andere Weise kontrollieren, indem deren Fähigkeit, zu wachsen oder einen bestimmten Bereich zu besiedeln, begrenzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Wasserorganismen Zebramuscheln sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Wasserorganismen Pflanzen sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Wasserorganismen einzellige Organismen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Plasmafunkenvorrichtung (16) zur Sterilisierung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Plasmafunkenvorrichtung dadurch eine Flüssigkeit sterilisiert, daß die Vorrichtung direkt in die Flüssigkeit entladen wird und so eine ionisierte Plasmasäule der Flüssigkeit erzeugt wird, mit sich daraus ergebender UV-Strahlung und akustischen Impulsen einer Frequenz, die für die Organismen schädlich ist, deren Vorhandensein in der Flüssigkeit unerwünscht ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Funkenentladung in einem Funkenentladungshohlraum in der Vorrichtung stattfindet, der an einem Ende eine Lüftungsöffnung aufweist, um den Austritt der Plasmasäule zu erlauben.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Plasmafunkenvorrichtung (16) ferngesteuert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei welchem die Elektroden (50) der Plasmafunkenvorrichtung (16) aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei welchem der verwendete Entladungsdraht (81) aus Chromnickeldraht besteht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die auf die genannte Weise erzeugten akustischen Impulse dazu dienen sollen, eine Flüssigkeit zu sterilisieren, feste Teile oder Flüssigkeiten in kolloidalen Suspensionen zu trennen oder feste Teile und Flüssigkeiten, die in Flüssigkeiten immergiert sind, aufzubrechen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem zwei oder mehr Plasmafunkenvorrichtungen dazu veranlaßt werden, akustische Impulse zu erzeugen, so daß die Zeitintervalle zwischen den Impulsen an die körperlichen Abmessungen der Zielorganismen angepaßt sind, um den größtmöglichen biologischen Schaden zu erzielen.

16. Plasmafunkenvorrichtung (16) zur Erzeugung akustischer Impulse in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hochspannungs/Hochstromkondensator vorgesehen ist, der in Reihe oder parallel in einer Hauptspeicherschaltung (14) geschaltet ist, welche eine gesamte Energieentladung in der Größenordnung von 25000 oder mehr Ampere bei 5000 oder mehr Volt Gleichspannung erzeugt, und ein Entladungsdraht (81) mit einem Widerstand von 0,2 bis 0,8 Ohm vorgesehen ist, der zu einem Paar Unterwasser- Zündelektroden (50) führt, die durch einen Zündspalt getrennt sind.

17. Plasmafunkenvorrichtung (16) zur Erzeugung akustischer Impulse in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine kryogekühlte, supraleitende Hochspannungs-/Hochstromfeldspule vorgesehen ist, die in Reihe oder parallel in eine Hauptspeicherschaltung (14) geschaltet ist, welche eine gesamte Energieentladung in der Größenordnung von 25000 oder mehr Ampere bei 5000 oder mehr Volt Gleichspannung erzeugt, und ein Entladungsdraht (81) mit einem Widerstand von 0,2 bis 0,8 Ohm vorgesehen ist, der zu einem Paar Unterwasser-Zündelektroden (50) führt, die durch einen Zündspalt getrennt sind.

18. Plasmafunkenvorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher die Kondensatoren in der Hauptspeicherschaltung (14) Kondensatoren mit flüssigem Dielektrikum sind.

19. Plasmafunkenvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18 festgelegt, bei welcher die Elektroden (50) aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen.

20. Plasmafunkenvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei welcher die Elektroden (50) in einem Entladungshohlraum angeordnet sind, der an einer Seite eine Belüftungsöffnung aufweist, um den Austritt einer Plasmasäule zu erlauben.

21. Plasmafunkenvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei welcher der Entladungsdraht (81) aus Chromnickeldraht besteht.

22. Plasmafunkenvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei welcher eine Einrichtung (20) zum Nachfüllen der Elektroden (50) vorgesehen ist, während diese verbraucht werden.

23. Plasmafunkenvorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher die Einrichtung (20) zum Nachfüllen der Elektroden (50) eine Spule (71) aus gewickeltem Elektrodendraht, Sensoren (28) und eine Bedienungskonsole (26) aufweist, um den Draht von der Spule zum Nachfüllen verbrauchter Elektroden zuzuführen.