EP1671333A1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung von alfvén-wellen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur erzeugung von alfvén-wellen

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EP1671333A1
EP1671333A1 EP04761035A EP04761035A EP1671333A1 EP 1671333 A1 EP1671333 A1 EP 1671333A1 EP 04761035 A EP04761035 A EP 04761035A EP 04761035 A EP04761035 A EP 04761035A EP 1671333 A1 EP1671333 A1 EP 1671333A1
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EP
European Patent Office
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field
magnetic
magnetic field
alfven
matter
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EP04761035A
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English (en)
French (fr)
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EP1671333B1 (de
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Andreas Grassauer
Manfred Hettmer
Norbert Frischauf
Tobias Bartusch
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Wwv Partner Steuerberatungsgmbh
Original Assignee
Individual
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Publication of EP1671333B1 publication Critical patent/EP1671333B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the invention relates to a method for generating Alfven waves, whereby ionizable matter is provided, which passes through a magnetic field. Furthermore, the invention relates to a device for generating Alfven waves, with a device for providing ionizable matter, a magnetic nozzle made up of at least one device for generating a magnetic primary field and a coil for generating a magnetic secondary field, and a channel for guiding the ionizable Matter through the magnetic fields, and electrical utilities. Finally, the invention relates to an engine for a vehicle using an above-mentioned device for generating Alfven waves.
  • Alfven waves are magneto-hydro-dynamic waves, which were named after the Swedish physicist Hannes Olof Gösta Alfven, for whom he received the Nobel Prize in Physics in 1970.
  • the Alfven waves are low-frequency waves in electrically conductive liquids or magnetized plasmas, which are caused by the change in the strength or geometry of a magnetic field.
  • the Alfven waves propagate at finite speed, the so-called Alfven speed.
  • An Alfven wave is the wave-like propagation of a disturbance in the magnetic field. In a vacuum, an Alfven wave spreads at the speed of vacuum light. If the magnetic field interacts with an ionizable material, for example a plasma, the Alfven velocity is determined by the mass or charge density of the dielectric medium.
  • Alfven waves The interaction of matter with the magnetic field allows Alfven waves to transport mass and thus also energy and momentum.
  • the so-called Alfven limit plays a role for such mass transport, within which the field strength must be greater than the kinetic energy of the material to be transported.
  • the effect of material transport by Alfven waves was first detected spectroscopically in the atmosphere of exotic stars and later in laboratory experiments.
  • Alfven waves are omnipresent in plasmas of space and result from the interaction between magnetic fields and currents flowing in them.
  • Alfven waves typically occur at low frequency in magnetized conductive media, e.g. stellar atmospheres. The waves not only transport electromagnetic energy, but also contain information about the changes in plasma currents and the topology of the associated magnetic field.
  • Alfven waves have only been used in processes for use in fusion reactors.
  • US 4,661,304 shows the generation of Alfven waves with the aid of a resonance coil mechanism for generating over-resonance-high cyclonic frequencies in a fusion reactor.
  • a similar construction based on several coils arranged in a circle to achieve high temperatures in a fusion reactor is described in the Russian patent specification SU 1 485 436.
  • the transport of energy through Alfven waves was used. There is no direct use of mass transport by Alfven waves (see also H. Alfven, "Spacecraft Propulsion: New Methods", _Science_, Vol. 176, pp.
  • Alfven shafts for driving vehicles, especially space vehicles have not yet been used, and two principles are currently used as electric recoil drives for vehicles, especially space vehicles, but their usability is restricted due to the relatively high power requirement due to the mass of external energy sources.
  • the energy contained in the fuel for chemical drives must come from an electric drive external energy source.
  • electromagnetic drives are used despite the high mass of the electrical energy source.
  • electric drives the ion portion of a gas excited in various ways is accelerated by electric fields. Due to the physical distance between the electrodes, through which the acceleration path is defined, multiplied by the cross-section of the emission beam, only low shear densities are possible with energetically acceptable potential differences, which determines the efficiency.
  • the magnetic field is only used as a static nozzle with hot walls. Particles bound in the field interact with each other due to their Larmor frequency. The field strength falling from the gradient also causes the binding forces to become smaller, so that the particles are inelastically scattered out of the bond to the field after n-order collisions and are pressed out of the nozzle-shaped field due to the thermodynamic pressure.
  • the plasma to be expanded from the field is thermally excited by an arc.
  • the main difference to pure arc engines is that the plasma temperature is not limited by the thermal load capacity of the nozzle walls.
  • plasma engines are also referred to as magneto-plasma dynamic drives or MPD engines.
  • Classic MPD engines can be divided into two groups, namely their own field and foreign field engines.
  • Eigenfeld engines the field of the magnetic nozzle is induced by the high discharge current of the arc, so there is a magnet but no coil.
  • foreign field engines the entire discharge current is used for heating, since the field of the magnetic nozzle is built up by a coil through an external field.
  • a magnetic plasma engine is e.g. from the US 6 334 302 B1 and known under the name VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).
  • a plasma is passed through at least two magnetic ring coils and thermally excited in this magnetic field.
  • the high-frequency field oscillation heats the plasma in a kind of magnetic bottle through vibrations of the magnetic field.
  • the geometry of the magnetic field which is variable in strength, is basically preserved, which is why energy transport is used, but not material transport through the magnetic field.
  • US 4,412,967 A describes a particle accelerator using the principle of the Alfven waves. Such a particle beam can be used as a drilling tool or weapon.
  • the present invention has for its object to provide a method and a device for generating Alfven waves through which mass is transported.
  • the object of the invention is achieved in that the magnetic field consists of a magnetic primary field which is periodically deformed by at least one oscillating magnetic secondary field which is polarized opposite to the primary field, as a result of which Alfven waves are formed in the ionizable material in this magnetic field, which spread at a speed that depends on the mass density of the matter passing through the magnetic field and the field strength of the magnetic field, the field strength of the magnetic field being greater than the kinetic energy of the matter in the magnetic field, so that mass is transported by the Alfven waves ,
  • the method according to the invention uses Alfven waves for the transport of mass for the first time.
  • a material beam generated in this way can be used, for example, to produce drives for vehicles, in particular space vehicles such as space satellites, using the recoil principle.
  • space vehicles such as space satellites
  • the Alfven waves are caused by periodic changes in the field geometry of a magnetic primary field. This periodic change in the geometry of the primary field is caused by at least one second, oppositely polarized, periodically changed magnetic field, which is referred to below as a secondary field, which is caused by a secondary coil.
  • the oscillating secondary field is generated by supplying the secondary coil with an oscillating signal.
  • the frequency and form of the control signal of the secondary coil depend on the type of application and the special properties of the field coils used. Basically, if the frequency of the oscillations of the secondary field is higher, you will come to an area where the working paths become shorter, since the full deformation paths of the magnetic field can no longer be used for mass transport. Due to the superimposition of the magnetic fields, the field lines of the primary field, on the side opposite the secondary coil, are pressed outwards, thus creating a funnel-shaped primary field. This field funnel leads to a reduction in the volume enclosed by the magnetic field. The ionizable matter in the magnetic field is thus compressed and pressed out of the field.
  • the matter interacting with the magnetic field is divided on the one hand into the emission mass and to a lesser extent into Lorentz particles.
  • the Lorentz particles are in the area of higher flux densities and are bound to the field lines.
  • the remaining particles, however, are not bound to the field lines and can therefore be called quasi free particles.
  • the quasi free particles are on the Lorentz particles '' scattered.
  • the forces arising from the Lorentz particles, which act on the enclosed matter can also be called wall forces.
  • the magnetic wall forces In contrast to classic magneto-plasma dynamic engines, the magnetic wall forces not only fulfill the function of a nozzle, but are also responsible for the compression of the emission mass due to their dynamics.
  • the so-called Alfven limit is within which the magnetic field strength must be greater than the kinetic energy of the interacting partial to take into account. If this condition is not met, the Alfven waves cannot be used to transport mass. For this condition it is necessary to consider the sizes in the phase space. If the kinetic energy of the particle is larger than the magnetic field, the particles are not bound to the magnetic field and therefore cannot follow it. However, if the particles are bound in the magnetic field as defined above, which is determined by the Alfven limit, the particles are transported through the magnetic field. The mathematical foundations for this will be explained in more detail later. The magnetic field deforms with the speed of propagation of the Alfven waves, the so-called Alfven speed.
  • the Alfven speed is less than or equal to the speed of sound of the matter in the magnetic field. This represents the case of elastic compression of the enclosed medium. In the case of this elastic compression, apart from inevitable friction losses, the medium does not heat up, but rather an internal mechanical overpressure arises in relation to the ambient pressure. In the case of an Alfven speed, which is less than or equal to the speed of sound of the matter in the magnetic field, the kinetic impulse is thus transmitted largely elastically. With such an elastic acceleration of the emission mass, no particularly high outflow velocities are possible, since the internal sound velocity is not exceeded at the initial temperature of the medium to be transported.
  • This method can primarily be used for operation with conductive liquids, since the high density of matter associated with this, combined with a possibly low ion content, does not permit high alf velocities anyway.
  • the Alfven speed with which the Alfven waves propagate is greater than the speed of sound of the matter in the magnetic field, it is compressed inelastically and thus heated.
  • the size of the elastically transportable impulse is determined by the respective modulus of elasticity and thus the speed of sound.
  • the inelastic portion of the over the Alfven waves and the Lorentz Particle transported momentum is converted into incoherent inner movement, i.e. into heat.
  • the material thermally excited in this way not only receives a higher temperature, but also a higher speed of sound, with which it expands from the field funnel of the magnetic nozzle. It is therefore heated directly via the field forces available as a magnetic nozzle without an external heating mechanism.
  • inelastic compression the relationship between the compression time and the energy losses due to radiation resulting from heating is important.
  • the running time of the Alfven waves which depends on the way to work and the Alfven speed, should be coordinated so that less energy is emitted during the period than is supplied by the pulse. Thermal excitation through inelastic compression of the emission mass is suitable for applications in high vacuum, since a low mass density is necessary to achieve high Alfven speeds.
  • the primary magnetic field is essentially constant. This is achieved by an essentially constant supply of the one coil for generating the primary magnetic field, which is why the circuitry complexity is low.
  • the constant primary magnetic field can also be generated by permanent magnets. If, in the case of the generation of the primary magnetic field with the help of a coil, the so-called primary coil, the magnetic primary field is periodically switched off, the thermal heating can be reduced by the ohmic resistance of the primary coil. The frequency and duration of the shutdown must be selected accordingly so that the thermal energy can be dissipated during the shutdown phases.
  • the magnetic secondary field is maintained during the switched-off primary field, which is why it is preferably also switched off during the switch-off periods of the primary field.
  • the primary field and possibly also the secondary field are switched off by a corresponding control device, which is connected to the supply devices for the coils for generating the primary field and secondary field.
  • the magnetic field is focused in the axial and / or radial direction according to a further feature of the invention.
  • Various methods can be used for focusing, for example magnetic methods, but also special arrangements and mechanical configurations of the field coils.
  • the magnetic strength of the primary magnetic field can be changed while the secondary magnetic field is switched on. The primary field is only changed to a small extent.
  • the geometry of the mutually deformed fields can be influenced and thus optimized by this temporary reduction or increase in the primary field.
  • the Alfven waves are phase-delayed.
  • this phase delay which can be achieved, for example, by a delayed voltage rise when the secondary coil is switched on, the period of the deformation phase of the primary field can be extended.
  • Such an influence on the Alfven waves makes sense if the Alfven speed is too high.
  • Such a slowdown in the field deformation can be advantageous, for example, when the method according to the invention is used hydrodynamically. This allows variations in the sound field or optimizations in efficiency to be achieved.
  • the method for generating Alfven waves can be used to drive vehicles, in particular space vehicles. Any ionization mechanism that ionizes a gas in a container is used as the plasma source.
  • the Alfven waves oscillate reduce the volume of the medium flowing in from the plasma source faster than it can relax from the funnel-shaped magnetic field. The high pulse supplied during the short pulse duration of the magnetic field heats up the plasma, which leads to a higher sound and thus expansion speed of the plasma.
  • a plasma jet that has already been accelerated by another mechanism can also be given additional acceleration by the Alfven waves.
  • Applications of such engines range from position control of satellites to rocket propulsion for space missions and much more. Since the present method can be applied to any ions or plasma sources, any high-frequency sources that do not have a discharge gap and thus do not have any electrodes exposed to corrosion can also be used. This results in corrosion-free electromagnetic drive systems that have a longer service life.
  • the Alfven waves generate a particle beam of high kinetic energy, which can be used, for example, in the military field, for example for switching off satellites.
  • the high energy particle beam is advantageously generated by a single pulse of the secondary coil while the primary magnetic field is activated.
  • the Alfven waves can deliver additional impulses to an accelerated mass.
  • any accelerated medium can be post-accelerated using the present method.
  • the device could be combined with an arc engine and the matter accelerated thereby could be additionally accelerated.
  • phonons are generated or amplified in the matter in the magnetic field or that phonons are generated or amplified in a surrounding medium via the matter in the magnetic field. Phonons are amplified by the fact that the sound field within the material surrounded by the magnetic field is influenced by the effect of the Alfven waves.
  • the object according to the invention is also achieved by an above-mentioned device for generating Alfven waves, in which the at least one secondary coil is polarized opposite to the device for generating the primary field and supplied with an oscillating electrical signal , whereby the magnetic primary field is periodically deformed by the magnetic secondary field and Alfven waves are formed in the ionizable matter in this magnetic field, which propagate with the Alfven velocity, the field strength of the magnetic field being greater than the kinetic energy of the magnetic field matter is, so that by the Alfven- Waves mass is transported.
  • the essential design features therefore consist of two differently polarized field coils, through which a deformation of the magnetic field and thus the Alfven waves are formed.
  • the device for generating the magnetic primary field can be formed by a coil or a permanent magnet.
  • the coils for forming the magnetic field are advantageously liquid-cooled. Liquid cooling can reduce the high operating temperatures and thus increase the mechanical strength. A further improvement and a reduction in the electrical resistance of the coils is achieved by using superconducting coils.
  • the device for providing ionizable material can be formed by a container with ionizable gas and an injector device for introducing the ionizable gas into the magnetic field. Such a plasma generator is particularly suitable for use of the device in space as a drive for space vehicles.
  • the Alfven waves can compress this liquid located in the magnetic field.
  • This variant in which the liquid is used as a throughput mass, which contains dissolved ions, is particularly suitable as a hydrodynamic drive, for example for watercraft, such as Submarines.
  • the advantage of this is that water can be moved without moving parts of the drive. Due to its relatively good electrical conductivity, salt water is an ideal medium. Only the dissolved ions are directly influenced by the Alfven wave, which, due to the scattering with the remaining particles, causes only a small flow in the emission direction. Nevertheless, there are also applications for this variant.
  • the device can be used as a particularly quiet and difficult to locate submarine drive or as a hydrodynamic pump. Since such a pump itself has no moving parts, such a variant for the transport of liquids with particularly high safety requirements is appropriate.
  • such pumps can be used to transport liquids in bioreactors. Since no rotational movement has to be transmitted to the container via a bearing, the safety risk of a leakage point is reduced and at the same time the cost factor, which normally arises from the regular replacement of the bearings, is eliminated. There are also no mechanically moving parts that can damage the biomass.
  • a device for phase delaying the Alfven waves generated is provided.
  • Such a phase delay can result in a reduction in the Alfven speed, which can be advantageous in some cases.
  • devices for focusing the magnetic field can be provided. These can be realized magnetically or mechanically by arranging the magnet coils accordingly.
  • the focusing device can be formed by the primary coil and possibly a secondary coil with a magnetic core made of different materials, for example based on an FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) core.
  • a magnetic shield is advantageously provided, which protects sensitive, in particular electronic, assemblies from the relatively high magnetic fields of the coils. The usual magnetically conductive shielding materials are used.
  • the magnetic shield includes a shield plate arranged on the side of the magnetic field opposite the direction of exit of the Alfven waves, additional focusing of the magnetic field is achieved.
  • a control device is provided which is connected to the electrical supply devices for the coils.
  • Such a control circuit can by a microprocessor with appropriate interfaces to the supply units of the Coils are formed.
  • the control device can be formed by a computer, design variants being possible starting from a microcontroller via a microcomputer to a computer unit.
  • the object according to the invention is also achieved by an engine for a vehicle with an above-mentioned device.
  • the device for providing ionizable matter is formed by a plasma generator and a thrust is generated with the help of the Alfven waves according to the recoil principle, suitable engines for vehicles, in particular spacecraft such as rockets or satellites, can be created.
  • the preferred working range for operation with ionized gas is in the area of inelastic compression of the emission mass.
  • the Alfven waves reduce the containment volume of the medium flowing in from any plasma source faster than it can relax from the funnel-shaped magnetic field.
  • the high pulse supplied during the short pulse duration heats up the plasma, which leads to a higher speed of sound and thus expansion of the plasma.
  • Any ionization mechanism can serve as the plasma source, the power used for this being limited to the ionization of the gas.
  • the thermal sink for the primary acceleration mechanism is generated according to the Carnot principle by the Alfven waves. Nevertheless, a plasma beam that has already been accelerated by another mechanism can experience additional acceleration due to the action of Alfven waves.
  • the main advantage is that high outflow speeds can be reached, which is why such a plasma engine based on Alfven waves is particularly suitable for propulsion for spacecraft.
  • the engines can be used to control the position of satellites, whereby the low mass throughput of such engines increases the lifespan of modern satellites, which is normally limited by the internal fuel supply. Path and position controls are necessary to compensate for gravitational anomalies, solar wind, etc. Likewise, such engines can be used as a so-called kick booster for driving satellites for transportation to its target location.
  • the device for providing ionizable material is formed by a device for supplying electrically conductive liquid
  • the engines can be used to drive vehicles in the water, for example for submarines.
  • the device for providing ionizable matter is formed by an electric arc engine
  • the matter already accelerated by the electric arc engine can be additionally accelerated according to the afterburner principle.
  • Other applications, such as for the production of plasma beams of high kinetic energy as a weapon or as a pump without moving parts are also possible.
  • the present invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings, which show diagrams and exemplary embodiments. 1 shows a schematic view of a device for generating Alfven waves;
  • 2a and 2b are two schematic views to illustrate the mechanism of action in the deformation of the magnetic fields; 3a to 3d different waveforms of the current for supplying the secondary coil; 4 is a block diagram of a plasma drive according to the invention. Work;
  • FIG. 5 is a block diagram of a hydrodynamic drive according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a practical experimental setup for testing the function of the method according to the invention
  • 7 shows a block diagram of a device for generating Alfven waves
  • FIG. 8 shows a block diagram of a further device for generating Alfven waves
  • FIG. 1 shows the section through a magnetic nozzle 1 of a device for generating Alfven waves, one being Primary coil 2 is provided for generating a magnetic primary field.
  • Primary coil 2 is provided for generating a magnetic primary field.
  • secondary coil 3 which is polarized opposite to the primary coil 2 and is supplied with an oscillating electrical signal. This creates a magnetic field that is periodically deformed.
  • a tube 4 is passed through the coils 2, 3 and terminates with the primary coil 2.
  • the central tube 4 contains an ionization mechanism, for example based on an electrical discharge.
  • the ionizable matter is passed through the tube 4 into the magnetic field.
  • a liquid containing dissolved ions can also be used.
  • the magnetic primary field can also be built up by permanent magnets. The mechanism of action can be better seen from FIGS. 2a and 2b, which schematically show the magnetic nozzle 1 in the case of different switching states of the secondary coil 3. 2a, the secondary coil 3 is switched off and the primary coil 2 supplies a magnetic field which, due to the shielding plate 5, runs in a funnel shape towards the opening of the tube 4.
  • the material passed through the tube 4 follows this funnel-shaped course at the opening of the tube 4.
  • the magnetic field of the primary coil 2 deforms and the field lines narrow at the outlet of the tube 4, as a result of which the material transported by the Alfven waves is constricted accordingly.
  • the result is an oscillating flow of ionized matter.
  • the Alfven waves enable mass transport. To do this, the magnetic field strength must be greater than the kinetic energy of the interacting particles.
  • the Alfven limit therefore determines whether the Alfven waves can transport mass at all.
  • the cross section is essential for whether the Alfven waves can compress the emission mass at all. This limit is generally considered uncritical.
  • the compressibility of the enclosed medium depends on the Alfven speed depending on the speed of sound of the enclosed medium.
  • FIGS. 3a to 3d show different forms of the current for controlling the secondary coil 3, which can be adapted to the respective applications.
  • the steepness of the rising and possibly also the falling edge should advantageously be reduced. This results, so to speak, in a trapezoidal course of the current for controlling the secondary coil 3. This allows voltage peaks to be reduced.
  • a sinusoidal alternating current can also be used to control the secondary coil 3. Improvements can also be achieved by using asymmetrical control signals.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a plasma engine based on the present invention, which already includes Described magnetic nozzle 1, comprising the primary coil 2 and at least one secondary coil 3, which is polarized opposite to the primary coil 2 and is supplied with an oscillating electrical signal.
  • a tube 4 is passed through the coils 2, 3 and terminates in the area of the primary coil 2.
  • the device 8 for providing ionizable material is provided by a fuel tank 9 and a control valve 10 for supplying an ionization chamber 11 with fuel formed from the fuel tank 9.
  • the emission mass is passed from the fuel tank 9 via the control valve 10 into the ionization chamber 11.
  • the ionized fuel flows as a plasma through the tube 4 into the magnetic nozzle 1, which is formed by the primary field generated by the primary coil 2.
  • the primary field Due to the interaction with the secondary field generated by the oscillatingly supplied secondary coil 3, the primary field is periodically deformed by the opposite polarity of the secondary field, as a result of which the magnetic nozzle 1 is pulsedly narrowed by the action of the Alfven waves that occur, which results in an acceleration mechanism.
  • This acceleration mechanism is supported by the presence of the shielding plate 5, since the secondary field cannot spread in the opposite direction to the primary coil 2.
  • the plasma source shown as a device 8 for providing ionizable material is only one possible alternative. In principle, the system can also do other things Contains devices 8 for the provision of ionizable material The coils 2, 3 but also other components are supplied with corresponding electrical energy by an electrical supply device 6.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a further embodiment of a device according to the invention for generating Alfven waves, in which the device 8 for providing ionizable material consists of an inlet channel 12, through which ionizable liquid can flow.
  • the throughput mass of the liquid flowing in through the inlet channel 12 is set via a control valve 13 and passed on into the tube 4.
  • an electrode 14 polarized as a cathode and concentrically with it an electrode 15 designed as an anode to form a discharge gap.
  • the electrodes 14, 15 are connected to the electrical supply device 6.
  • the throughput mass flows through the inlet channel 12 via the control valve 13 into the tube 4 of the magnetic nozzle 1.
  • the magnetic nozzle 1 is pulsedly narrowed by the action of the resulting Alfven waves, which results in an acceleration mechanism.
  • the ion density at the entrance of the magnetic nozzle 1 can be increased via the discharge gap formed between the electrodes 14, 15.
  • the individual components can in turn be controlled accordingly by a control device 7.
  • Such a magneto-hydro-dynamic variant can be used, for example, to form a drive for submarines or for hydrodynamic pumps.
  • the mass per oscillation cycle is therefore also decisive for the relationship between mass and volume.
  • technical factors must also be taken into account when changing the shape of the magnetic field.
  • the signal response time and the cutoff frequency of the secondary coil 3 determine the time period that is required for the formation of the secondary field.
  • the speed at which the geometry of the primary field changes can be lower than the actual Alfven speed v Alfv ⁇ n . Since the speed of propagation of the disturbance to the field geometry of the primary field caused by the secondary coil 3 is decisive, the time constant tau, which is caused by the relationship, must therefore be taken into account
  • the "technical" Alfven speed V A i f ⁇ n depends on how quickly the fault spreads and is due to the charging time of the secondary coil 2.
  • the path describes the running path of the Alfven wave as the mean deformation path of the field. If this technical Alfven speed is lower than the physically possible Alfven speed, VMfenit) is the relevant value.
  • the Alfven speed v A ⁇ fv ⁇ n now defines how quickly the magnetic field can change its geometry. Now it is crucial that matter can be transported with the Alfven wave, at least in the area of high field density. As already mentioned above, the Alfven limit must be taken into account, which is exceeded when the kinetic energy of an interacting particle is greater than the local magnetic field strength. To do this, the kinetic particle energy must first be determined from the initial temperature. The thermal particle velocity results from:
  • Inclusion volume x loss factor, contains ratio between minimum and actual ion density, can also be described as a cross section. J and J 0 can be represented as the value x of 1. These parameters are only important if the ion or plasma source does not guarantee a complete or sufficient ion density. Since the actual acceleration mechanism is decoupled from this source, the latter can be energetically optimized to provide a minimum ion density. This represents a secondary parameter for the mechanism itself, which may need to be taken into account. If the magnetic field changes its shape so that the magnetic nozzle becomes narrower, there is spatial compression of the mass contained therein, the compression speed being the Alfven speed equivalent.
  • Def represents the deformation factor for the ratio of the force supplied by an impulse to the elastically transportable and thus resulting force.
  • v R describes the ⁇ v, i.e. the change in speed along a reference distance of 1 m. Accordingly, all quantities related to the original equation can be derived from this factor as follows
  • dl elast represents the elastic part within the total deformation path.
  • Def therefore always has the value 1. This makes it clear that a dimensionless factor can be defined from the ratio of the path lengths. It represents the impulse from the Alfven wave is supplied, I res is the proportion of which can be transported elastically through the compressed medium.
  • v c ion sound velocity
  • v t average particle velocity of the ions
  • ion and electron temperatures are assumed to be the same.
  • the electrons have a higher temperature than the ions, which is why a standardization of the temperatures can be considered a "worst-case" assumption.
  • the distribution of the pulses in the plasma depends on the mass of the particles and the electron gas therefore does not make a significant contribution to the As a further worst-case condition, the total pulse can be assumed that the electrons take up a larger proportion than they should due to their mass, and the pulse proportion of the photons in the plasma can also be included there a lower momentum per particle, which reduces the resulting ion sound velocity.
  • the compression phase is broken down into time increments, resulting in temperature and sound velocity curves. The same principles are applied as in the overall calculation described. Average temperature, outflow speed and thrust during the compression phase are then determined from the course data.
  • the relaxation phase following the compression is also assumed to be adiabatic. In contrast to the compression phase, there is no need to dissolve any impulses supplied by the Alfven wave, which is why the volume change during the relaxation period can be used as a basis.
  • V a initial volume
  • the change in volume is integrated in time steps, from which the corresponding mean values from the courses are then determined.
  • an oscillation cycle is divided into a zero phase and a switching phase according to the phase geometry of a control signal, an asymmetrical duty cycle with a shorter zero phase proving advantageous.
  • the initial situation applies during the zero phase, the secondary coil 3 is not polarized against the primary coil 2, the primary field is not deformed by the secondary field and plasma flows from the source into the magnetic nozzle.
  • the switching phase is divided into a compression phase and a relaxation phase.
  • the magnetic nozzle is deformed by the secondary field, the plasma is heated by inelastic compression, which means that it expands at an accelerated rate.
  • the magnetic nozzle remains deformed by the secondary field and the heated plasma expands during the relaxation, cooling it down.
  • the peak values that occur are greater than the mean values calculated over the periods.
  • the zero phase must also be taken into account for the mean values during an entire oscillation cycle. The values for thrust and outflow speed are then added up to the time unit of one second.
  • the first column shows some values for a configuration in the lower power range, which has already been experimentally tested with a prototype (see below).
  • the 2nd column shows the corresponding values for a configuration in the planned high-performance range.
  • nitrogen is assumed to be the working gas. Accepted as working gas in the high-performance variant argon.
  • the cut-off frequency which depends on the properties of the coil, gives 2.4. aifrtn t ti 1, 79049306.10 3 1, 02765843.10 5 m / s at a speed of sound in the initial situation of v c 5.95518008 10 2 6.65915895 10 3 m / s follows after 6.3. a compressibility factor of Def 9.03973057.10 ° 2, 38154512.10 2 and from a total pulse of 2, 09422856.10 "8 1.5.10- 9 kg.m supplied during a running time of the Alfven wave of 8, 37758064.10 " 6 4.6157.10 '8 s / s after 6.4.
  • the relaxation phase results from 9.1. a final value of 3.71829384.10 1 1.2964.10 5 m / s and an integrated mean value of 1.04113686.10 2 1.6229.10 5 m / s Overall, this results in an average expansion speed of 3. 50228722.10 2 1.3144.10 5 m / s With an ion content of 1.0 100.0% and a throughput mass per oscillation cycle of M 1.0.10 "8 1.0.10 " 14 kg, we get a non-ionized residual gas mass per oscillation cycle of 9.9.10 "9 0.0.100 kg and according to 5.1. an emission mass of 9, 912181891.10 ⁇ 9 1.0.10 "14 kg per oscillation cycle including ion content, which results in an emission mass per second of 9, 912181891.10 " 7 1.0.10 "7 kg
  • the time components of an oscillation cycle are composed
  • the switching phase is divided into
  • a symmetrical duty cycle is used in accordance with the experimental conditions, while in the second example, asymmetrical phase geometry is already used. Due to the worst-case conditions mentioned, the values listed in the first column are below those actually measured.
  • the permanent thrust was measured at 1.4 mN. It should be noted that the boot strap effects, such as the proportion of the cold gas thrust and the effect of the ion source, were not included in the calculation. These were when measuring Effects, however, are insignificant, since the ion source worked with an input power of 1 W, for example, so that this had no significant contribution to increasing the ion temperature.
  • different reference ion densities are assumed and set at different mass flow rates in relation to a low ionization rate of 1%.
  • the resulting mass losses due to incoherent expansion are mainly responsible for the resonance range observed during the measurement, which is shown by a thrust minimum in the working range around 400 Hz.
  • the reference ion densities are values extrapolated from the data of other MPD systems and define the ion density that is at least necessary to comply with the condition defined in the second limit value. If the ion or plasma source is sufficiently powerful as an ancillary system to ensure the corresponding minimum ion density, it is therefore not necessary in the present system to achieve complete ionization through such an ancillary system. Since the actual acceleration mechanism, unlike competing systems, works independently of the ion or plasma source, the energy required for the latter can also be optimized to a minimum in other power ranges.
  • FIG. 6 shows a block diagram of the test set-up in which a prototype of the device according to the invention for generating Alfven waves was used in practice.
  • the device 20 for generating Alfven waves according to the present invention was placed in a vacuum chamber 21 by suspension and connected to a device 8 for providing ionizable matter, in the given case a nitrogen bottle, via valves, which are not described in more detail.
  • FIG. 7 shows a device 20 for generating Alfven waves using a high-voltage discharge path as an ion source, wherein nitrogen N 2 is supplied via a feed line and the switching valve 25 to the anode 27 and high voltage is applied between the anode 27 and the cathode 29, whereby in the discharge area, the nitrogen N 2 flowing through is ionized by collisions of the electrons.
  • Control electronics 26, which are connected to a computer unit 23, are used to control the primary coil 2 and the secondary coil 3.
  • FIG. 8 shows a variant of the device 20 for generating Alfven waves with a high-frequency ion source, with the corresponding high-frequency energy between the anode 27 and the cathode 29 being supplied via a high-frequency generator 28 for generating the ionizable material.
  • a high-frequency electrical vortex field induced that accelerates the discharge electrons to the accelerating cathode 30 until they can ionize the nitrogen N 2 .
  • the prototype is designed for a lower performance range. The goal was to achieve a proof-of-principle and to obtain basic data for further technical optimizations.
  • the device has no active cooling system and has been operated continuously for up to 1 minute. The cooling took place accumulatively, so that thermal regeneration intervals had to be taken into account between the individual operating times.
  • the secondary coil 3 was controlled with a rectangular current signal, the oscillation frequency being 100 Hz. The edges of the rectangular signal were flattened.
  • the length of the suspensions of the device 20 in the vacuum chamber 21 was 0.44 m and the mass of the device 20 6 kg.
  • the pressure in the vacuum chamber 21 was 3.1 x 10 "3 mbar.
  • the working pressure of the nitrogen N 2 was 5 mbar.
  • the outflow velocities v 0 in known plasma engines are in the range of 30-50 km / s and in electric engines up to 80 km / s.
  • Typical thrust values for plasma engines are 250-300 mN for electric engines below 50 mN.

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Description

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Alfven-Wellen, wobei ionisierbare Materie bereitgestellt wird, welche ein Magnetfeld durchläuft. Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen, mit einer Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie, einer aus zumindest einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Primärfeldes und einer Spule zur Erzeugung eines magnetischen Sekundärfeldes aufgebauten magnetischen Düse, und einem Kanal zur Führung der ionisierbaren Materie durch die Magnetfelder, und elektrischen Versorgungseinrichtungen . Schließlich betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Fahrzeug unter Verwendung einer oben genannten Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen. Alfven-Wellen sind Magneto-Hydro-Dynamische Wellen, welche nach dem schwedischen Physiker Hannes Olof Gösta Alfven benannt wurden, wofür dieser 1970 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bei den Alfven-Wellen handelt es sich um niederfreguente Wellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder magnetisierten Plasmen, welche durch die Änderung der Stärke oder Geometrie eines magnetischen Feldes hervorgerufen werden. Die Ausbreitung der Alfven- Wellen erfolgt mit endlicher Geschwindigkeit, der so genannten Alfven-Geschwindigkeit. Eine Alfven-Welle ist die wellenförmige Ausbreitung einer Störung im Magnetfeld. Im Vakuum breitet sich eine Alfven-Welle mit Vakuumlichtgeschwindigkeit aus. Wenn das Magnetfeld mit einer ionisierbaren Materie, beispielsweise einem Plasma, interagiert, wird die Alfven-Geschwindigkeit von der Massen- bzw. Ladungsdichte des dielektrischen Mediums bestimmt. Durch die Interaktion von Materie mit dem Magnetfeld können Alfven-Wellen Masse und damit auch Energie und Impuls transportieren. Für einen solchen Massentransport spielt die so genannte Alfven-Grenze eine Rolle, innerhalb der die Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der zu transportierenden Materie. Der Effekt des Materietransports durch Alfven-Wellen wurde erstmals in der Atmosphäre exotischer Sterne spektroskopisch und später in Laborexperimenten nachgewiesen . Alfven-Wellen sind allgegenwärtig in Plasmen des Weltraums und resultieren aus der Interaktion zwischen Magnetfeldern und darin fließenden Strömen. Alfven-Wellen treten typischerweise mit niedriger Frequenz in magnetisierten leitenden Medien, wie z.B. stellaren Atmosphären, auf. Die Wellen transportieren nicht nur elektromagnetische Energie, sondern beinhalten auch Informationen über die Veränderungen in Plasmaströmen und der Topologie des dazu gehörigen Magnetfeldes. Seit Hannes Alfven 1942 dieses Prinzip der elektromagnetischen Übertragung vorgestellt hat, haben zwei Konzepte das Interesse der Forscher geweckt. Das Konzept der Kompressionswelle, bei der die Dichte und Feldstärke variieren, und das Konzept der Scherwelle, bei der nur die Richtung des Magnetfeldes geändert wird. Die Dynamik von Alfven- Scherwellen ist von besonderem Interesse in den polaren Erdregionen, da die Alfven-Wellen wahrscheinlich eine Rolle bei der Entstehung von Polarlicht darstellen. Weitere Details finden sich in den Publikationen „The Physics of Alfven Waves", Neil F. Cramer, Wiley Publishing 2001, ISBN: 3-527-40293-4 sowie „Aktive Sterne", Klaus G. Strassmeier, Springer Verlag 1997, ISBN: 3- 211-83005. Bisher wurden Alfven-Wellen nur bei Verfahren zur Anwendung in Fusionsreaktoren genutzt. Beispielsweise zeigt die US 4 661 304 die Erzeugung von Alfven-Wellen mit Hilfe eines Resonanzspulenmechanismus zur Erzeugung von überresonanzhohen Zyklotonfrequenzen in einem Fusionsreaktor. Eine ähnliche Konstruktion basierend auf mehreren kreisförmig angeordneten Spulen zur Erreichung hoher Temperaturen in einem Fusionsreaktor ist in der russischen Patentschrift SU 1 485 436 beschrieben. Bei den bisherigen Anwendungen wurde der Transport von Energie durch Alfven-Wellen genutzt. Eine direkte Nutzung des Massentransports durch Alfven-Wellen liegt dabei nicht vor (s. auch H. Alfven, „Spacecraft Propulsion: New Methods", _Science_, Bd. 176, S. 167-168, April 14, 1972). Eine Nutzung von Alfven-Wellen für den Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Raumfahrzeugen, wurde noch nicht vorgenommen. Als elektrischer Rückstoßantrieb für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, werden derzeit zwei Prinzipien eingesetzt, die jedoch aufgrund des relativ hohen Leistungsbedarfs durch die Masse externer Energiequellen in ihrer Nutzbarkeit eingeschränkt sind. Die bei chemischen Antrieben im Treibstoff enthaltene Energie muss bei elektrischen Antrieben aus einer externen Energiequelle zugeführt werden. Weiters werden elektromagnetische Antriebe trotz der hohen Masse des elektrischen Energieträgers eingesetzt. Bei elektrischen Antrieben wird der Ionen-Anteil eines auf verschiedene Art angeregten Gases durch elektrische Felder beschleunigt. Aufgrund des physischen Abstandes der Elektroden, durch welchen der Beschleunigungsweg definiert ist, multipliziert mit dem Querschnitt des Emissions-Strahls sind bei energetisch akzeptablen Potential-Differenzen nur geringe Schubdichten möglich, wodurch der Wirkungsgrad bestimmt wird. Da hierbei nur positiv geladene Ionen emittiert werden, die zur Vermeidung eines statischen Potentials hinter dem Triebwerk später durch eine externe Elektronenquelle neutralisiert werden, spricht man von Ionen- Triebwerken. Bei magnetischen Antrieben wird hingegen das Magnetfeld nur als statische Düse mit heißen Wänden genutzt. Im Feld gebundene Teilchen interagieren aufgrund ihrer Larmor-Frequenz miteinander. Die vom Gradienten abfallende Feldstärke bewirkt ebenso kleiner werdende Bindungskräfte, wodurch die Teilchen nach Stößen n-ter Ordnung inelastisch aus der Bindung zum Feld gestreut und aufgrund des thermodynamischen Drucks aus dem düsen- förmigen Feld gepresst werden. Im Allgemeinen wird das aus dem Feld zu expandierende Plasma durch einen Lichtbogen thermisch angeregt. Der Unterschied zu reinen Lichtbogentriebwerken besteht hauptsächlich darin, dass die Plasmatemperatur nicht durch die thermische Belastbarkeit der Düsenwände beschränkt wird. Die zusätzliche Interaktion des Plasmas mit den meist statischen Feldkräften spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Aufgrund der Dynamik eines thermisch angeregten Plasmas in einem Magnetfeld spricht man bei Plasma-Triebwerken daher auch von Magneto-Plasma-Dynamischen Antrieben oder MPD-Triebwerken. Klassische MPD-Triebwerke können in zwei Gruppen unterteilt werden, nämlich in Eigenfeld- und Fremdfeld- Triebwerke. Bei Eigenfeld-Triebwerken wird das Feld der magnetischen Düse durch den hohen Entladestrom des Lichtbogens induziert, es gibt also einen Magneten aber keine Spule. Bei Fremdfeld-Triebwerken wird der gesamte Entladestrom zur Aufheizung genutzt, da das Feld der magnetischen Düse durch eine Spule eben durch ein Fremdfeld aufgebaut wird. Ein magnetisches Plasmatriebwerk ist z.B. aus der US 6 334 302 Bl bekannt und unter der Bezeichnung VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) bekannt. Dabei wird mit Hilfe eines Plasmagenerators ein Plasma durch zumindest zwei magnetische Ringspulen geleitet und in diesem magnetischen Feld thermisch angeregt. Durch die hochfrequente Feld-Oszillation wird das Plasma in einer Art magnetischen Flasche durch Schwingungen des Magnetfeldes aufgeheizt. Die Geometrie des in seiner Stärke veränderlichen Magnetfeldes bleibt grundsätzlich erhalten, weshalb zwar der Energie-Transport, jedoch nicht der Materie-Transport durch das Magnetfeld genutzt wird. Mit diesem Triebwerk konnten bessere Wirkungsgrade erreicht werden als bei klassischen Magneto-Plasma-Dynamischen Antrieben. Die US 4 412 967 A beschreibt einen Teilchenbeschleuniger unter Anwendung des Prinzips der Alfven-Wellen. Ein derartiger Teilchenstrahl kann als Bohrwerkzeug oder Waffe eingesetzt werden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen zu schaffen, durch welche Masse transportiert wird. Das Verfahren und die Einrichtung soll zur Anwendung als Triebwerk für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, einsetzbar sein. In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, dass das Magnetfeld aus einem magnetischen Primärfeld besteht, welches durch zumindest ein gegenüber dem Primärfeld gegengepoltes, oszillierendes magnetisches Sekundärfeld periodisch deformiert wird, wodurch in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfven-Wellen gebildet werden, welche sich mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die von der Massendichte der das Magnetfeld durchlaufenden Materie und der Feldstärke des Magnetfeldes abhängt, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfven- Wellen Masse transportiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt erstmals Alfven-Wellen zum Transport von Masse ein. Durch einen so erzeugten Materiestrahl können beispielsweise unter Nutzung des Rückstoßprinzips Antriebe für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, wie Weltraumsatelliten, hergestellt werden. Es ist aber auch eine Reihe anderer Anwendungen möglich, von welchen einige weiter unten kurz erwähnt werden. Zur Ermöglichung eines Massentransports durch Alfven-Wellen müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden, welche weiter unten beschrieben werden. Die Alfven-Wellen werden durch periodische Änderungen der Feldgeometrie eines magnetischen Primärfeldes verursacht. Diese periodische Änderung der Geometrie des Primärfeldes wird durch zumindest ein zweites, entgegengesetzt gepoltes, periodisch verändertes Magnetfeld verursacht, welches im Weiteren als Sekundärfeld bezeichnet wird, das von einer Sekundärspule hervorgerufen wird. Das oszillierende Sekundärfeld wird durch eine Versorgung der Sekundärspule durch ein oszillierendes Signal erzeugt. Die Frequenz und Form des Ansteuer- signals der Sekundärspule hängt von der Art der Anwendung und den speziellen Eigenschaften der eingesetzten Feldspulen ab. Grundsätzlich gilt, dass man bei höherer Frequenz der Oszillationen des Sekundärfeldes in einen Bereich kommt, wo die Arbeitswege kürzer werden, da nicht mehr die vollen Deformationswege des magnetischen Feldes für den Massentransport ausgenützt werden können. Durch die Überlagerung der Magnetfelder werden die Feldlinien des Primärfeldes, auf der der Sekundärspule gegenüberliegenden Seite nach außen gedrückt, und somit ein trichterförmiges Primärfeld geschaffen. Dieser Feldtrichter führt zu einer Reduzierung des durch das Magnetfeld eingeschlossenen Volumens. Somit wird die im Magnetfeld befindliche ionsierbare Materie komprimiert und aus dem Feld gedrückt. Die mit dem Magnetfeld interagierende Materie unterteilt sich einerseits in die Emissionsmasse und zum geringeren Anteil in Lorentz-Teilchen. Die Lorentz-Teilchen befinden sich im Bereich höherer Flussdichten und sind an die Feldlinien gebunden. Die restlichen Teilchen hingegen sind nicht an die Feldlinien gebunden und können daher als quasi freie Teilchen bezeichnet werden. Die quasi freien Teilchen werden an den Lorentz-Teilchen'' gestreut. Aus diesem Grund können die aus den Lorentz-Teilchen hervorgehenden Kräfte, die auf die eingeschlossene Materie wirken, auch als Wandkräfte bezeichnet werden. Im Gegensatz zu klassischen Magneto-Plasma-Dynamischen-Triebwerken erfüllen die magnetischen Wandkräfte nicht nur die Funktion einer Düse, sondern sind durch ihre Dynamik für die Kompression der Emissionsmasse verantwortlich. Damit nun überhaupt ein Massentransport durch die Alfven-Wellen stattfinden kann, ist die so genannte Alfven-Grenze, innerhalb derer die magnetische Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teil- chen, zu berücksichtigen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, können die Alfven-Wellen nicht zum Transport von Masse eingesetzt werden. Für diese Bedingung ist eine Betrachtung der Größen im Phasenraum erforderlich. Ist die kinetische Energie des Teilchens größer als das Magnetfeld, so sind die Teilchen nicht an das Magnetfeld gebunden und können diesem somit nicht folgen. Sind die Teilchen aber gemäß obiger Definition im Magnetfeld gebunden, was durch die Alfven-Grenze festgelegt wird, findet ein Transport der Teilchen durch das Magnetfeld statt. Die mathematischen Grundlagen dazu werden später noch näher erläutert. Das Magnetfeld verformt sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Alfven-Wellen, der so genannten Alfven-Geschwindigkeit. Dabei können zwei Möglichkeiten unterschieden werden. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Alfven-Geschwindigkeit kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie. Dies stellt den Fall der elastischen Kompression des eingeschlossenen Mediums dar. Im Falle dieser elastischen Kompression erfolgt, bis auf unvermeidliche Reibungsverluste, keine Aufheizung des Mediums, sondern es entsteht ein innerer mechanischer Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck. Im Falle einer Alfven-Geschwindigkeit, welche kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, wird somit der kinetische Impuls weitgehend elastisch übertragen. Bei einer derartigen elastischen Beschleunigung der Emissionsmasse sind keine besonders hohen Ausströmgeschwindigkeiten möglich, da die innere Schallgeschwindigkeit bei Ausgangstemperatur des zu transportierenden Mediums nicht überschritten wird. Eine Anwendung dieses Verfahrens kommt primär für den Betrieb mit leitenden Flüssigkeiten in Frage, da die damit verbundene hohe Dichte der Materie in Verbindung mit einem möglicherweise geringen Ionen-Anteil ohnehin keine hohen Alf en-Geschwindigkeiten zulässt . Wenn die Alfven-Geschwindigkeit, mit der sich die Alfven- Wellen ausbreiten, größer ist als die Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie, wird diese inelastisch komprimiert und damit aufgeheizt. Die Größe des elastisch transportierbaren Impulses wird vom jeweiligen Elastizitätsmodul und damit verbunden von der Schallgeschwindigkeit bestimmt. Der inelastische Anteil des über die Alfven-Wellen und die Lorentz- Teilchen transportierten Impulses wird in inkohärente innere Bewegung, also in Wärme umgesetzt. Die auf diese Art thermisch angeregte Materie erhält damit nicht nur eine höhere Temperatur, sondern auch eine höhere Schallgeschwindigkeit, mit der es aus dem Feldtrichter der magnetischen Düse expandiert. Es erfolgt damit eine Aufheizung direkt über die als magnetische Düse vorhandenen Feldkräfte ohne externen Heizmechanismus. Im Falle der inelastischen Kompression ist das Verhältnis zwischen der Kompressionszeit und den Energieverlusten durch aus der Aufheizung resultierende Abstrahlung von Bedeutung. Bei einem optimierten System sollte die Laufzeit der Alfven-Wellen, die vom Arbeitsweg und der Alfven-Geschwindigkeit abhängt, so abgestimmt sein, dass während des Zeitraumes weniger Energie abgestrahlt wird, als durch den Puls zugeführt wird. Die thermische Anregung durch inelastische Kompression der Emissionsmasse bietet sich für Anwendungen im Hochvakuum an, da dafür eine geringe Massendichte zur Erreichung hoher Alfven-Geschwindigkeiten notwendig ist. Trotz kurzer Beschleunigungswege ist durch eine hohe Alfven-Geschwindigkeit dabei die Zuführung hoher Impulse möglich. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das magnetische Primärfeld im Wesentlichen konstant. Dies wird durch eine im Wesentlichen konstante Versorgung der einen Spule zur Erzeugung des Primärmagnetfeldes erzielt, weshalb der schaltungstechnische Aufwand gering ist. Ebenso kann das konstante magnetische Primärfeld durch Permanentmagnete erzeugt werden. Wenn im Fall der Erzeugung des Primärmagnetfeldes mit Hilfe einer Spule, der sogenannten Primärspule, das magnetische Primärfeld periodisch abgeschaltet wird, kann die thermische Aufheizung durch den Ohmschen Widerstand der Primärspule reduziert werden. Dabei muss die Frequenz und Dauer der Abschaltung entsprechend gewählt werden, dass innerhalb der Abschaltphasen die thermische Energie abgeführt werden kann. Es ist nicht zweckmäßig, während des abgeschalteten Primärfeldes das magnetische Sekundärfeld aufrechtzuerhalten, weshalb dieses während der Abschaltperioden des Primärfeldes vorzugsweise ebenfalls abgeschaltet wird. Die Abschaltung des Primärfeldes und allenfalls auch des Sekundärfeldes wird durch eine entsprechende Steuerungseinrichtung, welche mit den Versorgungseinrichtungen für die Spulen zur Erzeugung des Primärfeldes und Sekundärfeldes verbunden sind, erzielt. Zur Verbesserung der Wirkung der magnetischen Düse wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Magnetfeld in axialer und/oder radialer Richtung fokussiert. Zur Fokussierung können verschiedene Verfahren, beispielsweise magnetische Verfahren, aber auch spezielle Anordnungen und mechanische Ausbildungen der Feldspulen, dienen. Zur Beeinflussung der Deformation des Primärfeldes kann das magnetische Primärfeld während des eingeschalteten magnetischen Sekundärfeldes in seiner Feldstärke verändert werden. Dabei wird die Veränderung des Primärfeldes nur in geringem Ausmaß vorgenommen. Die Geometrie der gegenseitig deformierten Felder kann durch diese temporäre Minderung oder Steigerung des Primärfeldes beeinflusst und somit optimiert werden. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Alfven-Wellen phasenverzögert werden. Durch diese Phasenverzögerung, welche beispielsweise durch einen verzögerten Spannungsanstieg während des Einschaltens der Sekundärspule erzielt werden kann, kann der Zeitraum der Deformationsphase des Primärfeldes verlängert werden. Eine derartige Beeinflussung der Alfven-Wellen ist dann sinnvoll, wenn die Alfven-Geschwindigkeit zu hoch ist. Eine derartige Verlangsamung der Felddeformation kann beispielsweise bei einer hydrodynamischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein. Dadurch können Variationen des Schallfeldes oder Optimierungen des Wirkungsgrades erzielt werden. Aber auch bei der Anwendung des Verfahrens bei Vorhandensein einer Plasmaquelle kann eine Reduktion der Alfven- Geschwindigkeit von Vorteil sein, wenn z.B. durch eine zu hohe Kompressionstemperatur die Verluste durch Schwarzkörperstrahlung den Wirkungsgrad zu sehr einschränken. Wenn die Alfven-Wellen nach dem Rückstoßprinzip einen Schub erzeugen, kann das Verfahren zur Erzeugung von Alfven-Wellen zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Raumfahrzeugen, verwendet werden. Dabei wird als Plasmaquelle ein beliebiger Ionisationsmechanismus verwendet, der die Ionisation eines in einem Behälter befindlichen Gases durchführt. Die Alfven-Wellen reduzieren in oszillierender Weise das Volumen des von der Plasmaquelle einströmenden Mediums schneller als sich dieses aus dem trichterförmigen Magnetfeld entspannen kann. Der während der kurzen Pulsdauer des Magnetfeldes zugeführte hohe Impuls heizt das Plasma auf, was zu einer höheren Schall- und damit Expansionsge- schwindigkeit des Plasmas führt. Durch die Alfven-Wellen kann auch ein bereits durch einen anderen Mechanismus beschleunigter Plasmastrahl eine zusätzliche Beschleunigung erhalten. Anwendungen derartiger Triebwerke reichen von der Lageregelung von Satelliten bis hin zu Antrieben von Raketen für Raummissionen und vieles mehr. Da das vorliegende Verfahren an beliebige Ionen oder Plasmaquellen anwendbar ist, können somit auch beliebige Hochfrequenzquellen eingesetzt werden, die keine Entladungsstrecke aufweisen und somit keine der Korrosion ausgesetzten Elektroden aufweisen. Dadurch resultieren korrosionsfreie elektromagnetische Antriebssysteme, welche eine höhere Lebensdauer aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Alfven-Wellen einen Teilchenstrahl hoher kinetischer Energie erzeugen, der beispielsweise im militärischen Bereich, beispielsweise zum Ausschalten von Satelliten, einsetzbar ist. Dabei wird der Teilchenstrahl hoher Energie vorteilhafterweise durch einen einzelnen Puls der Sekundärspule erzeugt, während das magnetische Primärfeld aktiviert wird. Wie bereits oben erwähnt, können die Alfven-Wellen einer beschleunigten Masse zusätzliche Impulse zuführen. Es kann nach dem Nachbrennerprinzip ein beliebiges beschleunigtes Medium mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens nachbeschleunigt werden. Beispielsweise könnte die Einrichtung mit einem Lichtbogentriebwerk kombiniert werden und die dadurch beschleunigte Materie zusätzlich beschleunigt werden. Weiters ist es möglich, dass in der im Magnetfeld befindlichen Materie Phononen erzeugt oder verstärkt werden bzw. über die im Magnetfeld befindliche Materie Phononen in einem umgebenden Medium erzeugt oder verstärkt werden. Eine Verstärkung von Phononen wird dadurch erreicht, dass das Schallfeld innerhalb der vom Magnetfeld umgebenen Materie durch die Wirkung der Alfven-Wellen beeinflusst wird. Als Einsatzgebiete für die Verstärkung von Phononen können Anwendungen genannt werden, bei welchen Materie, welche bereits durch einen anderen Mechanismus angeregt wurde, einen zusätzlichen Impuls erhalten soll, beispielsweise bei einer chemischen Verbrennung oder einer Heizung. Schließlich ist es auch möglich die im Magnetfeld befindliche Materie zu komprimieren und somit thermisch anzuregen und durch die thermische Anregung elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu verstärken. Schließlich kann das vorliegende Verfahren auch zur Oberflächen-Bearbeitung oder -Beschichtung eingesetzt werden, indem ionisierbare Materie für lithographische Zwecke mit hoher Eindringungstiefe auf eine Oberfläche gerichtet werden. Schließlich ist es auch möglich, zum Zwecke der Dotierung von Halbleitermaterialien das vorliegende Verfahren zur Beschleunigung von Teilchen heranzuziehen. Prinzipiell kann auch ein nach dem beschriebenen Verfahren arbeitender Drucker aufgebaut werden, in dem die auf einen Unterdruck aufzutragende Substanz durch das vorliegende Verfahren beschleunigt wird. Auch die Entsalzung von Meerwasser wäre mit dem vorliegenden Verfahren schneller und effizienter möglich, da die Salzionen in der magnetischen Düse außen an den Feldlinien kumulieren und einfach abgeführt werden könnten. Schließlich könnte nach dem vorliegenden Verfahren auch das elektrische Potenzial um ein Raumfahrzeug neutralisiert werden. Weiters ist durch das fluktuierende Magnetfeld ein besserer Schutz gegen α- und ß-Partikel geboten, da das Magnetfeld für diese Teilchen ein besseres Bremspotenzial darstellt. Somit könnten nach dem vorliegenden Verfahren angetriebene Raumfahrzeuge besser gegen hochenergetische Plasmenverteilungen, wie sie z.B. bei den Sonnenwinden auftreten, geschützt werden. In der Folge müssten Raumfahrten nicht mehr so stark nach dem Sonnenzyklus und dem Auftreten von Sonnenwinden ausgerichtet werden, da durch das fluktuierende Magnetfeld ein zusätzlicher Strahlenschutz stattfindet. Die oben genannten Anwendungen stellen nur einige Möglichkeiten dar. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine oben erwähnte Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen gelöst, bei der die zumindest eine Sekundärspule entgegengesetzt der Einrichtung zur Erzeugung des Primärfeldes gepolt ist und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird, wodurch das magnetische Primärfeld durch das magnetische Sekundärfeld periodisch deformiert wird und in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfven-Wellen gebildet werden, die sich mit der Alfven-Geschwindigkeit ausbreiten, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfven- Wellen Masse transportiert wird. Die wesentlichen Konstruktionsmerkmale bestehen daher in zwei unterschiedlich gepolten Feldspulen, durch welche eine Deformation des Magnetfeldes und somit die Alfven-Wellen gebildet werden. Durch die Einhaltung der bereits oben erwähnten Alfven-Grenze eignen sich die Alfven-Wellen zum Transport von Masse. Die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes kann durch eine Spule oder auch einen Permanentmagneten gebildet sein. Vorteilhafterweise sind die Spulen zur Bildung des Magnetfeldes flüssigkeitsgekühlt ausgebildet. Durch die Flüssigkeitskühlung können die hohen Betriebstemperaturen reduziert und somit die mechanische Festigkeit erhöht werden. Eine weitere Verbesserung und eine Reduktion des elektrischen Widerstands der Spulen wird dadurch erreicht, dass supraleitende Spulen eingesetzt werden. Die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie kann durch einen Behälter mit ionisierbarem Gas und eine Injektoreinrichtung zur Einbringung des ionisierbaren Gases in das Magnetfeld gebildet sein. Ein derartiger Plasmagenerator eignet sich insbesondere für die Verwendung der Einrichtung im Weltraum als Antrieb für Raumfahrzeuge. Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Quelle zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet wird, kann durch die Alfven-Wellen eine Kompression dieser im Magnetfeld befindlichen Flüssigkeit erfolgen. Diese Ausführungsvariante, bei der die Flüssigkeit als Durchsatzmasse verwendet wird, welche gelöste Ionen enthält, eignet sich insbesondere als hydrodynamischer Antrieb, beispielsweise für Wasserfahrzeuge, wie z.B. U-Boote. Der Vorteil dabei besteht darin, dass ohne bewegliche Teile des Antriebs Wasser bewegt werden kann. Durch seine relativ gute elektrische Leitfähigkeit bietet sich Salzwasser als ideales Medium an. Durch die Alfven-Welle werden zwar nur die gelösten Ionen direkt beeinflusst, was durch die Streuung mit den restlichen Teilchen insgesamt nur eine geringe Strömung in Emissionsrichtung verursacht. Trotzdem finden sich auch Anwendungen für diese Variante. Durch die hohe Massendichte werden dabei nur sehr geringe Alfven-Geschwindigkeiten erreicht, weshalb der Arbeitsbereich der elastischen Beschleunigung der Emissionsmasse anzuwenden ist. Beispielsweise kann die Einrichtung als besonders leiser und schwer ortbarer U-Boot-Antrieb oder als hydrodynamische Pumpe eingesetzt werden. Da eine derartige Pumpe selbst keine beweglichen Teile hat, bietet sich eine solche Variante zum Transport von Flüssigkeiten mit besonders hohen Sicherheitsanforderungen an. Beispielsweise können mit solchen Pumpen Flüssigkeiten in Bioreaktoren transportiert werden. Da keine Drehbewegung über ein Lager in den Behälter übertragen werden muss, reduziert sich das Sicherheitsrisiko einer undichten Stelle und gleichzeitig fällt der Kostenfaktor weg, der durch den regelmäßigen Tausch der Lager normalerweise anfällt. Es sind weiters keine mechanisch beweglichen Teile vorhanden, durch welche die Biomasse Schaden nehmen kann. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung zur Phasenverzögerung der erzeugten Alfven-Wellen vorgesehen. Eine derartige Phasenverzögerung kann eine Reduktion der Alfven-Geschwindigkeit, welche in manchen Fällen von Vorteil sein kann, erzielt werden. Schließlich können Einrichtungen zur Fokussierung des Magnetfeldes vorgesehen sein. Diese können magnetisch oder auch mechanisch durch entsprechende Anordnung der Magnetspulen realisiert werden. Die Fokussiereinrichtung kann durch die Primärspule und allenfalls Sekundärspule mit einem Magnetkern aus verschiedenen Materialien, beispielsweise auf Basis eines FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) -Kerns gebildet sein. Vorteilhafterweise ist eine magnetische Abschirmung vorgesehen, welche empfindliche, insbesondere elektronische, Baugruppen von den relativ hohen Magnetfeldern der Spulen schützt. Dabei kommen übliche magnetisch leitende Abschirmmaterialien zur Anwendung. Wenn die magnetische Abschirmung eine an der der Austrittsrichtung der Alfven-Wellen gegenüberliegenden Seite des Magnetfeldes angeordnete Abschirmplatte beinhaltet, wird eine zusätzliche Fokussierung des Magnetfeldes erzielt. Zur Steuerung der Deformation der Magnetfelder ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche mit den elektrischen Versorgungseinrichtungen für die Spulen verbunden ist. Eine derartige Steuerschaltung kann durch einen Mikroprozessor mit entsprechenden Schnittstellen zu den Versorgungseinheiten der Spulen gebildet sein. Dabei kann die Steuereinrichtung durch einen Rechner gebildet werden, wobei beginnend von einem Mikrocontroller über einen Mikrocomputer bis hin zu einer Rechnereinheit Ausführungsvarianten möglich sind. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Triebwerk für ein Fahrzeug mit einer oben erwähnten Einrichtung gelöst. Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch einen Plasma-Generator gebildet ist und mit Hilfe der Alfven-Wellen nach dem Rückstoßprinzip ein Schub erzeugt wird, können geeignete Triebwerke für Fahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge, wie Raketen oder Satelliten, geschaffen werden. Der bevorzugte Arbeitsbereich für den Betrieb mit ionisiertem Gas liegt im Bereich inelastischer Kompression der Emissionsmasse. Die Alfven-Wellen reduzieren das Einschlussvolumen des von einer beliebigen Plasmaquelle einströmenden Mediums schneller als dieses sich aus dem trichterförmigen Magnetfeld entspannen kann. Der während der kurzen Pulsdauer zugeführte hohe Impuls heizt das Plasma auf, was zu einer höheren Schall- und damit Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas führt. Als Plasmaquelle kann dabei ein beliebiger Ionisationsmechanismus dienen, wobei sich die dafür aufgewandte Leistung auf die Ionisation des Gases beschränken kann. Die thermische Senke für den primären Beschleunigungsmechanismus wird nach dem Carnot-Prinzip durch die Alfven-Wellen erzeugt. Trotzdem kann auch ein bereits durch einen anderen Mechanismus beschleunigter Plasma-Strahl durch die Wirkung von Alfven-Wellen eine zusätzliche Beschleunigung erfahren. Der wesentliche Vorteil besteht in der Erreichbarkeit hoher Ausströmgeschwindigkeiten, weshalb sich ein derartiges Plasma- Triebwerk auf Alfven-Wellen-Basis besonders für den Antrieb für Raumfahrzeuge eignet. Dabei können die Triebwerke zur Lageregelung von Satelliten eingesetzt werden, wodurch sich durch den geringen Massendurchsatz derartiger Triebwerke die Lebensdauer moderner Satelliten, welche normalerweise durch den internen Treibstoff-Vorrat begrenzt ist, erhöht. Bahn- und Lageregelungen sind zum Ausgleich von Gravitations-Anomalien, Sonnenwind usw. notwendig. Ebenso können derartige Triebwerke als so genannter Kick- Booster für den Antrieb von Satelliten zum Transportieren in seine Ziellage eingesetzt werden. Durch ein derartiges Triebwerk mit relativ geringem Treibstoffbedarf kann die Gesamtmasse reduziert oder die Nutzlast erhöht werden. Durch Möglichkeit der Erhöhung der Nutzlast können beispielsweise mehr Transponder in einem Satelliten untergebracht werden, wodurch enorme Einsparungspotenziale möglich sind oder umgekehrt höhere Transponder- kapazitäten genutzt werden. Durch hohe Ausströmgeschwindigkeiten und geringen Massendurchsatz derartiger Triebwerke sind lange Beschleunigungsphasen möglich, welche sich für wissenschaftliche interplanetare Missionen besonders eignen und die Reisezeiten verkürzen können. Experimentelle Anwendungen, beispielsweise in Plasma-Windkanälen, zur Simulation der Interaktion schneller Eintrittskörper in den oberen dünnen Schichten planetarer Atmosphären sind auch möglich. Durch die Variationsmöglichkeiten eines auf Alfven-Wellen basierenden Mechanismus kann das Spektrum solcher Untersuchungen erweitert werden. Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Einrichtung zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet wird, können die Triebwerke als Antrieb von Fahrzeugen im Wasser, beispielsweise für U-Boote, eingesetzt werden. Wenn die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch ein Lichtbogentriebwerk gebildet ist, kann die durch das Lichtbogentriebwerk bereits beschleunigte Materie nach dem Nachbrennerprinzip zusätzlich beschleunigt werden. Andere Anwendungen, wie z.B. zur Herstellung von Plasma- Strahlen hoher kinetischer Energie als Waffe oder als Pumpe ohne bewegliche Teile, sind ebenfalls möglich. Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen, welche Schemata und Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert . Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen;
Fig. 2a und 2b zwei schematische Ansichten zur Veranschaulichung des Wirkungsmechanismus bei der Deformierung der Magnetfelder; Fig. 3a bis 3d verschiedene Kurvenformen des Stromes zur Versorgung der Sekundärspule; Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Plasmatrieb- Werkes ;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines hydrodynamischen Antriebs gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines praktischen Versuchsaufbaus zum Testen der Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen;
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen; und
Fig. 9a bis 9c schematische Schaltbilder zur Erklärung der Berechnung der Auslenkung der Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen im Test gemäß Fig. 6. Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine magnetische Düse 1 einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen, wobei eine Primärspule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Primärfeldes vorgesehen ist. Neben der Primärspule 2 befindet sich zumindest eine Sekundärspule 3, welche zur Primärspule 2 entgegengesetzt gepolt ist, und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird. Dadurch wird ein Magnetfeld hervorgerufen, welches periodisch deformiert wird. Durch die Spulen 2, 3 wird ein Rohr 4 geleitet, welches mit der Primärspule 2 abschließt. Seitlich neben der Sekundärspule 3 gegenüberliegend der Primärspule 2 befindet sich eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik und andere Komponenten von den Magnetfeldern der Spulen 2, 3 schützt. Das zentrale Rohr 4 beinhaltet einen Ionisationsmechanismus, beispielsweise auf Basis einer elektrischen Entladung. Die ionisierbare Materie wird über das Rohr 4 in das Magnetfeld geleitet. Anstelle einer Plasmaquelle kann auch eine gelöste Ionen enthaltene Flüssigkeit eingesetzt werden. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann das magnetische Primärfeld auch durch Permanentmagnete aufgebaut werden. Der Wirkungsmechanismus wird besser anhand der Figuren 2a und 2b ersichtlich, welche schematisch die magnetische Düse 1 bei unterschiedlichen Schaltzuständen der Sekundärspule 3 zeigen. Gemäß Fig. 2a ist die Sekundärspule 3 ausgeschaltet und die Primärspule 2 liefert ein Magnetfeld, welches aufgrund der Abschirmplatte 5 zur Öffnung des Rohres 4 hin trichterförmig verläuft. Die durch das Rohr 4 geleitete Materie folgt diesem trichterförmigen Verlauf an der Öffnung des Rohres 4. Wird nun entsprechend Fig. 2b die Sekundärspule 3 zuge- schaltet, deformiert sich das Magnetfeld der Primärspule 2 und die Feldlinien engen sich am Ausgang des Rohres 4 ein, wodurch die durch die Alfven-Wellen transportierte Materie entsprechend eingeschnürt wird. Es resultiert somit eine oszillierende Strömung der ionisierten Materie. Aufgrund der Berücksichtigung der Alfven- Grenze wird durch die Alfven-Wellen ein Massentransport möglich. Dazu muss die magnetische Feldstärke größer sein als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teilchen. Die Alfven-Grenze bestimmt also, ob die Alfven-Wellen überhaupt Masse transportieren können. Weiters ist der Wirkungsquerschnitt wesentlich dafür, ob die Alfven-Wellen die Emissionsmasse überhaupt komprimieren können. Dieser Grenzwert wird im Allgemeinen als unkritisch betrachtet. Die Kompressibilität des eingeschlossenen Mediums hängt von der Alfven-Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit des eingeschlossenen Mediums ab. Die Figuren 3a bis 3d zeigen verschiedene Formen des Stromes zur Ansteuerung der Sekundärspule 3, welche an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden können. In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei einer Signalform gemäß Fig.3a vorteilhafterweise die Steilheit der ansteigenden und allenfalls auch der abfallenden Flanke verringert werden sollte. Es resultiert also quasi ein trapezförmiger Verlauf des Stromes zur Ansteuerung der Sekundärspule 3. Dadurch können Spannungsspitzen reduziert werden. Darüber hinaus kann auch ein sinusförmiger Wechselstrom zur Ansteuerung der Sekundärspule 3 verwendet werden. Auch durch Verwendung asymmetrischer Ansteuerungssignale können Verbesserungen erzielt werden. Simulationen haben gezeigt, dass mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens zur Erzeugung von Alfven-Wellen bzw. mit einer derartigen Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen Emissionsgeschwindigkeiten und Wirkungsgrade erzielt werden können, welche einen Antrieb bzw. eine Quelle für Plasma-Strahlen hoher kinetischer Energie effizient einsetzbar machen. Somit kann ein Antrieb auf Basis der Nutzung des Massentransportes von Alfven- Wellen eine Bereicherung, insbesondere im Bereich der Raumfahrt, darstellen. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines auf der vorliegenden Erfindung basierenden Plasmatriebwerkes, umfassend die bereits beschriebene magnetische Düse 1, umfassend die Primärspule 2 und zumindest eine Sekundärspule 3, welche zur Primärspule 2 entgegengesetzt gepolt ist und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird. Durch die Spulen 2, 3 wird ein Rohr 4 geleitet, welches im Bereich der Primärspule 2 abschließt. Seitlich neben der Sekundärspule 3 befindet sich eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik gegenüber dem von den Spulen 2 und 3 hervorgerufenen Magnetfeld abschirmt. Die Abschirmplatte 5 verhindert eine Expansion der magnetischen Feldlinien des von der Sekundärspule 3 erzeugten Sekundärfeldes in die Gegenrichtung zur Primärspule 2. Die Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie ist im gegebenen Beispiel durch einen Treibstofftank 9 und ein Steuerventil 10 für die Versorgung einer Ionisationskammer 11 mit Treibstoff aus dem Treibstofftank 9 gebildet. Die Emissionsmasse wird aus dem Treibstofftank 9 über das Steuerventil 10 in die Ionisationskammer 11 geleitet. Der ionisierte Treibstoff strömt als Plasma durch das Rohr 4 in die magnetische Düse 1, welche durch das von der Primärspule 2 erzeugte Primärfeld gebildet wird. Durch die Interaktion mit dem von der oszillierend versorgten Sekundärspule 3 erzeugten Sekundärfeld wird das Primärfeld durch die entgegengesetzte Polarität des Sekundärfeldes periodisch deformiert, wodurch sich die magnetische Düse 1 durch die Wirkung der dabei auftretenden Alfven-Wellen pulsierend verengt, wodurch sich ein Beschleunigungsmechanismus einstellt. Dieser Beschleunigungsmechanismus wird durch das Vorhandensein der Abschirmplatte" 5 unterstützt, da sich das Sekundärfeld nicht in die Gegenrichtung zur Primärspule 2 ausbreiten kann. Die dargestellte Plasmaquelle als Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie stellt nur eine mögliche Alternative dar. Im Prinzip kann das System auch andere Einrichtungen 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie enthalten. Die Spulen 2, 3 aber auch andere Komponenten werden mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung 6 mit entsprechender elektrischer Energie versorgt. Eine Steuereinrichtung 7, welche sowohl mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 6 als auch mit den Spulen 2, 3 und Komponenten der Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie verbunden ist, dient zur Steuerung der einzelnen Komponenten. Diese Steuereinrichtung 7 kann durch einen Rechner, einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller gebildet sein. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen, bei der die Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie aus einem Einlasskanal 12 besteht, durch welchen ionisierbare Flüssigkeit strömen kann. Über ein Steuerventil 13 wird die Durchsatzmasse der durch den Einlasskanal 12 einströmenden Flüssigkeit eingestellt und diese in das Rohr 4 weitergeleitet. Im Zentrum des Rohres 4 befindet sich eine als Kathode polarisierte Elektrode 14 und konzentrisch dazu eine als Anode ausgebildete Elektrode 15 zur Bildung einer Entladungsstrecke. Die Elektroden 14, 15 sind mit der elektrischen Versorgungseinrichtung 6 verbunden. Die Durchsatzmasse strömt durch den Einlasskanal 12 über das Steuerventil 13 in das Rohr 4 der magnetischen Düse 1. Die magnetische Düse 1 wird durch die Wirkung der entstehenden Alfven-Wellen pulsierend verengt, wodurch ein Beschleunigungsmechanismus resultiert. Über die zwischen den Elektroden 14, 15 gebildete Entladungsstrecke kann die Ionendichte am Eingang der magnetischen Düse 1 erhöht werden. Die einzelnen Komponenten können wiederum durch eine Steuereinrichtung 7 entsprechend gesteuert werden. Eine derartige Magneto-Hydro-Dynamische Variante kann beispielsweise zur Bildung eines Antriebs für U-Boote oder für hydrodynamische Pumpen verwendet werden. Auch hier befindet sich vorteilhafterweise neben der Sekundärspule 3 eine Abschirmplatte 5, welche die Elektronik gegenüber dem Magnetfeld abschirmt und eine Expansion der magnetischen Feldlinien in Gegenrichtung zur Primärspule 2 verhindert. Auch wenn die magnetische Abschirmung durch die Abschirmplatte 5 nicht vollständig gewährleistet ist, erfolgt dadurch in jedem Fall eine elektrische Abschirmung. Anhand der Fig. 6 bis 9 wird ein praktisches Beispiel erläutert und die ermittelten Messwerte simulierten Werten werden gegenübergestellt . Im Folgenden werden die wichtigsten mathematischen Grundlagen der numerischen Simulation zum Beschleunigungsmechanismus von MOA vereinfacht zusammengefasst . Die Phasengeschwindigkeit einer Alfven-Welle kann entsprechend den Gleichungen von Hannes Alfven entweder aus der Ladungsdichte oder aus der Massendichte des von der Welle durchlaufenen Mediums berechnet werden. Im vorliegenden Fall wird wegen des Zusammenhangs mit der Durchsatzmasse eines Triebwerks die Variante mit der Massendichte bevorzugt:
vA1fven=c/sqrt ( l+ ( (μ0. c2. phi ) /B2) ) ( 1 . 1 )
wobei gilt :
c = Vakuumlichtgeschwindigkeit μ0 = magnetische Feldkonstante phi = Massendichte
B = magnetische Flussdichte
Für die Massendichte phi ist dabei zu berücksichtigen, dass der Mechanismus gepulst arbeitet. Daher gilt
phi=(M/f) . (1/vol) (1.2)
M = Massendurchsatz pro Sekunde f = Oszillationsfrequenz des Magnetfeldes vol = Volumen der magnetischen Düse
Für den Zusammenhang zwischen Masse und Volumen ist also auch die Masse pro Oszillationstakt entscheidend. Es sind jedoch bei der Formänderung des Magnetfeldes auch technische Faktoren zu berücksichtigen. Die Signalantwortzeit und die Grenzfrequenz der Sekundärspule 3 bestimmen den Zeitraum, der für die Ausbildung des Sekundärfeldes benötigt wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Geometrie des Primärfeldes ändert, kann geringer sein als die eigentliche Alfven-Geschwindigkeit vAlfvέn. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der durch die Sekundärspule 3 verursachten Störung der Feldgeomtrie des Primärfeldes entscheidend ist, ist daher die Zeitkonstante tau zu beachten, welche durch den Zusammenhang
tau = L/R (2.1)
gegeben ist, wobei gilt
L = Induktivität der Spule R = Ohmscher Widerstand Die Schaltzeit ts der Sekundärspule 3 beträgt
ts=tau.2.Pi (2.2)
und die Grenzfrequenz fg der Sekundärspule 3
fg= l/ts (2.3)
Die "technische" Alfven-Geschwindigkeit VAifτέn hängt davon ab, wie schnell sich die Störung bedingt durch die Ladezeit der Sekundärspule 2 ausbreitet und lautet.
vAifven(t) = eg/t ( 2 . 4 )
wobei der Weg die Laufstrecke der Alfven-Welle als mittleren Deformationsweg des Feldes beschreibt. Ist diese technische Alfven-Geschwindigkeit geringer als die physikalisch mögliche Alfven-Geschwindigkeit, so ist VMfenit) der relevante Wert. Mit der Alfven-Geschwindigkeit vAιfvέn ist nun definiert, wie schnell das Magnetfeld seine Geometrie ändern kann. Nun ist es aber entscheidend wichtig, dass mit der Alfven-Welle zumindest im Bereich hoher Felddichte auch Materie transportiert werden kann. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist dafür die Alfven-Grenze zu berücksichtigen, welche dann überschritten ist, wenn die kinetische Energie eines wechselwirkenden Teilchens größer ist als die lokale magnetische Feldstärke. Dazu muss zunächst die kinetische Teilchenenergie aus der Ausgangstemperatur bestimmt werden. Die thermische Teilchengeschwindigkeit ergibt sich aus:
T.k. (3/2) = (m.vτ 2)/2 (3.1)
T = Temperatur k = Boltzmann-Konstante m = Teilchenmasse vτ = Teilchengeschwindigkeit
Nun kann die kinetische Teilchenenergie mit der Feldstärke in Zusammenhang gebracht werden:
Kinetische Teilchenenergie = (m.vτ 2)/2 (4.1) Grenzwert = Energiedichte des Feldes = (μ0.B2)/2 (4.2)
μ0 = magnetische Feldkonstante B = magnetische Flussdichte
Ist die kinetische Teilchenenergie kleiner als der Grenzwert, ist der Massentransport durch die Alfven-Welle möglich. Im Fall der magnetischen Düse werden die mechanischen Wandkräfte durch Teilchen gebildet, die im Bereich hoher Felddichte um die Feldlinien kreisen. Diese Lorentz-Teilchen übertragen die sogenannten JxB-Kräfte auf das Einschluss-Volumen und streuen die aus dem Einschlussbereich strebenden Teilchen, dass die darin befindliche Materie nur aus der Düsenöffnung entweichen kann. Dabei ist zu beachten, dass eine Mindestdichte an Lorentz-Teilchen entlang der magnetischen Düsenwände vorhanden sein muss, damit der Mechanismus effektiv arbeitet. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so tritt vor allem im Falle einer nicht vollständigen Ionisierung der Emissionsmasse ein Massenverlust während der Kompression auf, weil die Düsenwände "undicht" sind. Dieser Effekt lässt sich näherungsweise wie folgt darstellen
J=Jox (5.1)
J = nicht ionisierte Restgasmasse, die im Einschlussvolumen verbleibt
J0 = ursprüngliche Gesamtmasse nicht ionisierten Gases im
Einschlussvolumen x = Verlust-Faktor, enthält Verhältnis zwischen Mindest- und tatsächlicher Ionendichte, kann auch als Wirkungsquerschnitt beschrieben werden. J und J0 kann dabei als Wert x von 1 dargestellt werden. Diese Parameter haben nur dann Bedeutung, wenn die Ionen- oder Plasmaquelle keine vollständige oder ausreichende Ionendichte gewährleistet. Da der eigentliche Beschleunigungsmechanismus von dieser Quelle entkoppelt ist, kann letztere energetisch auf die Bereitstellung einer Mindestionendichte optimiert werden. Für den Mechanismus selbst stellt das einen Nebenparameter dar, welcher gegebenenfalls zu berücksichtigen ist. Verändert das magnetische Feld nun seine Form, so dass die magnetische Düse enger wird, findet eine räumliche Kompression der darin befindlichen Masse statt, wobei die Kompressionsgeschwindigkeit der Alfven-Geschwindigkeit entspricht. Ist diese größer als die innere Schallgeschwindigkeit der Emissionsmasse, so wird letztere inelastisch komprimert, was im Falle eines ideal plastischen Gaskörpers zu entsprechender thermischer Anregung führt. Als Grundlage zur Bestimmung der durch inelastische Kompression zugeführten Energie kann man die Newton' sehe Kraftgleichung
F=M. (v2/(2.dl) ) (6.1)
bei der gilt
F = Kraft
M = Masse v = Geschwindigkeit dl = Deformationsweg inelastisch
wie folgt ableiten
F=M . ( vR 2/ ( 2 . Def ) ) =M . ( vR 2/ ( 2 . ( dl /dlelast) ) ) ( 6 . 2 )
wobei Def den Deformations-Faktor für das Verhältnis der durch einen Impuls zugeführten Kraft zur elastisch transportierbaren und damit resultierenden Kraft darstellt. vR beschreibt das Δv, also die Geschwindigkeitsänderung entlang einer Referenzstrecke von 1 m. Dementsprechend können aus diesem Faktor alle mit der ursprünglichen Gleichung zusammenhängenden Größen wie folgt abgeleitet werden
wobei dlelast den elastischen Anteil innerhalb des Gesamtdeforma- tionsweges darstellt. Im Fall einer voll elastischen Deformation hat Def daher stets den Wert 1. Damit wird klar, dass sich aus dem Verhältnis der Weglängen ein dimensionsloser Faktor definieren lässt. Stellt lind den Impuls dar, welcher von der Alfven-Welle zugeführt wird, so ist Ires der Anteil davon, welcher elastisch durch das komprimierte Medium transportiert werden kann.
ist also der Anteil des zugeführten Impulses, welcher in irreversible Deformation umgesetzt wird. Bei Gasen und Plasmen als ideal plastische Körper ohne Schermodul wird diese inelastische Deformation vollständig in Wärme umgesetzt. Sind also die Schallgeschwindigkeit des zu komprimierenden Mediums und die Alfven-Geschwindigkeit bekannt, kann daraus auch der Faktor für die Impulsverteilung bestimmt werden. Da sowohl die Masse pro Oszillationstakt als auch die Masse eines Teilchens bekannt sind, kann aus der Zahl der Teilchen sowie eben deren Masse die mittlere Impulsänderung und damit auch die mittlere Teilchengeschwindigkeit und die Temperatur ermittelt werden. Daraus folgt im Plasma die neue Schallgeschwindigkeit aus neuer Temperatur aus
vc=vt.sqrt(l+(Tβ/Ti)) (7.1)
dabei sind
vc = Ionenschallgeschwindigkeit vt = mittlere Teilchengeschwindigkeit der Ionen
Ti = Ionentemperatur
Te = Elektronentemperatur
Im vereinfachten Modell werden Ionen- und Elektronentemperatur als gleich angenommen. In der Praxis haben die Elektronen eine höhere Temperatur als die Ionen, weshalb eine Vereinheitlichung der Temperaturen als „worst-case"-Annahme gelten kann. Obwohl die Verteilung der Impulse im Plasma von der Masse der Teilchen abhängt und das Elektronengas daher keinen wesentlichen Anteil am Gesamtimpuls aufnimmt, kann als weitere worst-case-Be- dingung angenommen werden, dass die Elektronen einen größeren Anteil aufnehmen, als sie es aufgrund ihrer Masse eigentlich sollten. Dabei kann auch der Impulsanteil der Photonen im Plasma mit einbezogen werden. Rechnerisch erhalten die Ionen dabei einen geringeren Impuls pro Teilchen, was die resultierende Ionenschallgeschwindigkeit reduziert. Aus der Annahme, dass ein gasförmiger Körper im Vakuum mit seiner eigenen Schallgeschwindigkeit expandiert, erhalten wir daraus die mittlere Ausströmgeschwindigkeit aus der magnetischen Düse. Da das Plasma bereits während der Kompression mit seiner eigenen ansteigenden Schallgeschwindigkeit expandiert, erhalten wir hier bereits einen wesentlichen Anteil der gesamten Schubleistung. Somit resultieren Ausgangs- und Endwerte für die Kompressionsphase durch die Alfven-Welle während eines Arbeitstaktes. Da sich der Impuls als
M.v=F.t (8.1)
beschreiben lässt, kann über t als Laufzeit der Welle integriert werden. Die Kompressionsphase wird in Zeitschritte aufgelöst, wodurch man Verläufe von Temperatur und Schallgeschwindigkeit erhält. Dabei werden die gleichen Grundlagen angewandt wie in der beschriebenen Gesamtrechnung. Aus den Verlaufsdaten werden dann mittlere Temperatur, Ausströmgeschwindigkeit und Schub während der Kompressionsphase bestimmt. Die auf die Kompression folgende Entspannungsphase wird ebenfalls als adiabatisch angenommen. Im Gegensatz zur Kompressionsphase muss hier aber keine durch die Alfven-Welle von außen zugeführter Impuls aufgelöst werden, weshalb aus der Volumenänderung während der Entspannungszeit gerechnet werden kann.
T=Ta. ( (Va/V)ad (9.1)
dabei ist
T = Temperatur nach Entspannung
Ta = Ausgangstemperatur
Va = Ausgangsvolumen
V = Endvolumen ad = Adiabaten-Exponent Auch hier wird die Volumenänderung in Zeitschritten integriert, woraus dann die entsprechenden Mittelwerte aus den Verläufen bestimmt werden. Für die Zeitverteilung ist dabei zu beachten, dass ein Oszillationstakt sich entsprechend der Phasengeomtrie eines Steuersignals in eine Null-Phase und eine Schaltphase teilt, wobei sich ein asymmetrischer duty-cycle mit kürzerer Null-Phase vorteilhaft erweist. Während der Null-Phase gilt die Ausgangssituation, die Sekundärspule 3 ist nicht entgegen der Primärspule 2 polarisiert, das Primärfeld wird nicht durch das Sekundärfeld deformiert und Plasma strömt aus der Quelle in die magnetische Düse. Die Schaltphase teilt sich in eine Kompressionsphase und eine Entspannungsphase. Während der Kompressionsphase wird die magnetische Düse durch das Sekundärfeld deformiert, das Plasma wird durch inelastische Kompression aufgeheizt, wodurch es bereits dabei beschleunigt expandiert. Während der Entspannungsphase bleibt die magnetische Düse durch das Sekundärfeld deformiert und das aufgeheizte Plasma expandiert während der En- spannung, wobei es abkühlt. Die dabei auftretenden Spitzenwerte sind größer als die auf die Zeiträume gerechneten Mittelwerte. Für die Mittelwerte während eines ganzen Oszillationstaktes ist dabei auch die Null- Phase zu berücksichtigen. Anschließend werden die Werte für Schub und Ausströmgeschwindigkeit auf die Zeiteinheit einer Sekunde aufgerechnet.
Beispiele zur Simulation
Im Folgenden werden 2 Rechenbeispiele gegenübergestellt. In der 1. Spalte werden einige Werte für eine Konfiguration im niederen Leistungsbereich dargestellt, welche bereits experimentell mit einem Prototypen getestet wurde (s. unten). In der 2. Spalte stehen die entsprechenden Werte für eine Konfiguration im geplanten Hochleistungsbereich. Im ersten Fall wird Stickstoff als Arbeitsgas angenommen. In der Hochleistungsvariante Argon als Arbeitsgas angenommen.
1. Beispiel 2 . Beispiel Arbeitsgas N2 Ar
Volumen magnet.Düse 3,142.10"5 3 , 142 . 10~5 m3 Masse/sek. 1,0.10-6 1 , 0 . 10"7 kg
Frequenz 1,0.102 1 , 0 . 107 Hz Feldstärke 5,0.10~2 6,5.10'3 T
Ausgangstemperatur der Durchsatzmasse 1,0.102 3,2.104 K
Ionenmasse m 2, 335867551.10"26 5, 977908.10'26 kg von der Feldgeometrie abhängiger mittlerer Laufweg der Alfven- Welle 1,5.10"2 1,5.10-2 m entsprechend 1.2.:
Masse/Frequenz 1,0.10"8 1,0.10"13 kg
Massendichte phi 3,1826.10~4 3,1826.10"9 kg/m3 aus 1.1. : Mfvέn 2, 4998014.103 1, 02765843.105 m/s
Aus der von den Eigenschaften der Spule abhängigen Grenzfrequenz ergibt sich durch 2.4. aifrtntti 1, 79049306.103 1, 02765843.105 m/s bei einer Schallgeschwindigkeit in der Ausgangssituation von vc 5,95518008 102 6,65915895 103 m/s folgt nach 6.3. ein Kompressibiltätsfaktor von Def 9,03973057.10° 2, 38154512.102 und aus einem während einer Laufzeit der Alfven-Welle von 8, 37758064.10"6 4,6157.10'8 s zugeführten Gesamtimpuls von 2, 09422856.10"8 1,5.10-9 kg.m/s nach 6.4. einen thermischen Impuls von 1, 8625592.10"8 1, 4993.10'9kg . m/s was zu einer mittleren thermischen Teilchengeschwindigkeit vτ 4, 23116478.102 1,5316.105 m/s und damit nach 7.1. zu einer Ionenschallgeschwindigkeit vc 5, 98377061.102 2,1660.105 m/s führt .
Aus dem Integral zwischen Ausgangs- und Endwert der Schallgeschwindigkeiten ergibt sich ein Mittelwert während der Kompression von 5, 96947535.102 1,1163.105 m/s
Aus der Entspannungsphase ergibt sich aus 9.1. ein Endwert von 3.71829384.101 1,2964.105 m/s und ein integrierter Mittelwert von 1.04113686.102 1,6229.105 m/s Insgesamt ergibt sich eine mittlere Expansionsgeschwindigkeit von 3, 50228722.102 1,3144.105 m/s Bei einem Ionen-Anteil von 1,0 100,0 % bei einer Durchsatzmasse pro Oszillationstakt von M 1,0.10"8 1,0.10"14 kg erhalten wir eine nicht ionisierte Restgasmasse pro Oszillationstakt von 9,9.10"9 0,0.100 kg und nach 5.1. eine für den Schub relevante Emissionsmasse von 9, 912181891.10~9 1,0.10"14 kg pro Oszillationstakt inklusive Ionenanteil, daraus folgt eine für den Schub relevante Emissionsmasse pro Sekunde von 9, 912181891.10"7 1,0.10"7 kg
Daraus ergibt sich ein mittlerer Schub während der Kompression von 5,4452.10"4 1,1163.10-2 N während der Entspannungsphase 9, 49706. lO'5 1,6229.10"2 N zusammen über die Schaltphase 9, 572385.10"5 1,3799.10"2 N und permanent von 4, 78619269.10"5 1, 31448.10"2 N
Die Zeitanteile eines Oszillationstaktes setzen sich zusammen aus
Zeit pro
Oszillationstakt 1,0.10"2 1,0.10"7 s
Null-Phase 5,0.10~3 5,0.10~9 s
Schaltphase 5,0.10-3 9,5.10'8 s
Wobei sich die Schaltphase teilt in
Kompressionszeit 8 , 37758064.10-5 4, 61575.10-8 s
Entspannungszeit 4,99162242 10-3 4,88424 10~8 s
Im 1. Beispiel wird entsprechend den Experimentalbedingungen mit symmetrischem duty-cycle gearbeitet, während im 2. Beispiel bereits mit asymmetrischer Phasengeomtrie gerechnet wird. Durch die genannten worst-case-Bedingungen liegen die in der ersten Spalte angeführten Werte unter den tatsächlich gemessenen. Der permanente Schub wurde dabei mit 1,4 mN gemessen. Dabei ist zu beachten, dass in der Berechnung boot-strap-Effek- te, wie der Anteil des Kaltgas-Schubs und die Wirkung der Ionenquelle nicht hinzu gerechnet wurden. Bei der Messung waren diese Effekte jedoch unwesentlich, da die Ionenquelle z.B. mit einer Eingangsleistung von 1 W arbeitete, wodurch diese keinen wesentlichen Beitrag an der Erhöhung der Ionentemperatur hatte. In der Simulation werden verschiedene Referenzionendichten angenommen und bei unterschiedlichen Massendurchsätzen im Verhältnis zu einer geringen Ionisierungsrate von 1% gestellt. Die dabei auftretenden Massenverluste durch inkohärente Expansion sind hauptsächlich verantwortlich für den bei der Messung beobachteten Resonanzbereich, der sich durch ein Schubminimum im Arbeitsbereich um 400 Hz zeigt. Die Referenzionendichten sind aus den Daten anderer MPD-Sys- teme extrapolierte Werte und definieren die Ionendichte, die mindestens notwendig ist, um die aus dem 2. Grenzwert definierte Bedingung einzuhalten. Ist die Ionen- bzw. Plasmaquelle als Nebensystem ausreichend leistungsfähig, um die entsprechende Mindestionendichte zu gewährleisten, ist es beim vorliegenden System daher nicht notwendig eine vollständige Ionisierung bereits durch ein solches Nebensystem zu erreichen. Da der eigentliche Beschleunigungsmechanismus im Gegensatz zu Konkurrenzsystemen unabhängig von der Ionen- bzw. Plasmaquelle arbeitet, kann für letztere der nötige Energieaufwand auch in anderen Leistungsbereichen auf ein Minimum optimiert werden. Die daraus resultierende Verbesserung des Wirkungsgrades schlägt sich in weiterer Folge auf das Gesamtsystem positiv nieder. Grundsätzlich zeigt sich, dass die theoretischen Vorhersagen gut mit den praktischen Ergebnissen übereinstimmen. Da die Simulation mit worst-case-Bedingungen arbeitet und die experimentellen Messungen tatsächlich quantitativ höher liegen, während der qualitative Verlauf übereinstimmt, ist zu erwarten, dass die vorhergesagten Ergebnisse auch im höheren Leistungsbereich zumindest erreicht werden können. Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild des Testaufbaus, in dem ein Prototyp der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen praktisch eingesetzt wurde. Die Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfven-Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde in einer Vakuumkammer 21 durch Aufhängung platziert und mit einer Einrichtung 8 zur Bereitstellung ionisierbarer Materie, im gegebenen Fall einer Stickstoffflasche, über nicht näher erläuterte Leitungen mit Ventilen verbunden. Es wurde die Vakuumkammer des Lehrstuhls für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München in Garching verwendet. Mit Hilfe eines Laser-Reflexionsmessgerätes 22 wurde die Distanz d zur Einrichtung 20 zur Erzeugung der Alfven-Wellen ermittelt. Entsprechende Rechnereinrichtungen 23, 24 überwachten bzw. steuerten die Komponenten des Testaufbaus. Fig. 9a bis 9c zeigen schematische Schaltbilder der Aufhängung der Einrichtung 20 zur Erzeugung der Alfven-Wellen in der Vakuumkammer 21 und die Ermittlung der Kraft über die vom Laser-Reflexionsmessgerät 22 ermittelte Distanz d. Aus Fig. 9b ist die Gleichung
sinα = δ/1
ableitbar. Unter Heranziehung der Skizze gemäß Fig. 9c über die Kräfteverhältnisse folgt
F=-FR
G=m.g=FR+Fs sinα=-F/G F=-m. g. sinα
Schließlich folgt die resultierende Kraft F aus
F=-m.g.δ/l.
Der Messablauf wurde durch die folgenden Schritte gekennzeichnet
1. Vakuumkammer in Betrieb nehmen
2. Distanz d bestimmen (Nullanzeige)
3. Gaszufuhr einschalten
4. Arbeitsdruck einstellen
5. Schaltventil 25 öffnen
6. Vakuumkammerinnendruck überprüfen
7. Distanz d bestimmen
8. Ionenquelle in Betrieb nehmen 9. Distanz d bestimmen 10. Primärspule in Betrieb nehmen (mit Zeitlimit)
10.1. Primärspulenzeitlimit einstellen (wegen Temperaturüberschreitung) 10.2. Primärspulenspannung einstellen
11. Distanz d bestimmen
12. Sekundärspule in Betrieb nehmen
13. Distanz d bestimmen
14. Primärspulentemperatur überwachen
15. Primärspule und Sekundärspule abschalten und abkühlen lassen
16. Distanz d bestimmen
17. Ionenquelle abschalten
18. Distanz d bestimmen
19. Gaszufuhr abschalten
20. Distanz d bestimmen
Von den bisher 4 durchgeführten Tests erbrachte der am 28.05.2004 durchgeführte Versuch den endgültigen Beweis, dass der Mechanismus funktioniert. Aufgrund der Auswertung wurden weitere Nebenparamter in die numerische Simulation eingebracht. Diese Parameter betreffen in erster Linie die vorhandene Test- Situation. Als Beispiele können die Grenzfrequenz der Sekundärspule 2 und der Schubverlauf bei geringer Ionisierungsrate angeführt werden. Für den Prototypen der Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfven-Wellen wurden 3 verschiedene Plasmaquellen gebaut, von denen bisher 2 getestet wurden. Damit konnte auch demonstriert werden, dass der eigentliche Beschleunigungsmechanismus von der Ionen- bzw. Plasmaquelle unabhängig zu bewerten ist. Fig. 7 zeigt eine Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfven- Wellen unter Verwendung einer Hochspannungsentladungsstrecke als Ionenquelle, wobei Stickstoff N2 über eine Zuleitung und das Schaltventil 25 der Anode 27 zugeführt wird und zwischen der Anode 27 und der Kathode 29 Hochspannung angelegt wird, wodurch im Entladungsbereich der durchströmende Stickstoff N2 durch Stöße der Elektronen ionisiert wird. Zur Ansteuerung der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 dient eine Steuerungselektronik 26, welche mit einer Rechnereinheit 23 verbunden ist. Fig. 8 zeigt eine Variante der Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfven-Wellen mit einer Hochfrequenz-Ionenquelle, wobei über einen Hochfrequenz-Generator 28 die entsprechende zur Erzeugung der ionisierbaren Materie notwendige Hochfrequenzenergie zwischen Anode 27 und Kathode 29 zugeführt wird. Nach dem Induktionsgesetz wird ein hochfrequentes elektrisches Wirbelfeld induziert, das die Entladungselektronen zur Beschleunigungskathode 30 so lange beschleunigt, bis sie den Stickstoff N2 ionisieren können. Der Prototyp ist auf einen niederen Leistungsbereich ausgelegt. Das Ziel war es einen proof-of-principle zu erreichen und Grundlagendaten für weitere technische Optimierungen zu erhalten. Das Gerät hat kein aktives Kühlsystem und wurde für bis zu maximal 1 Minute durchgehend betrieben. Die Kühlung erfolgte ak- kumulativ, wodurch zwischen den einzelnen Betriebszeiten thermische Regenerationsintervalle berücksichtigt werden muss- ten. Bei den praktischen Untersuchungen wurde die Sekundärspule 3 mit einem rechteckförmigen Stromsignal angesteuert, wobei die Oszillationsfrequenz 100 Hz betrug. Die Flanken des rechteckför- migen Signals waren abgeflacht. Die Länge der Aufhängungen der Einrichtung 20 in der Vakuumkammer 21 betrug 0,44 m und die Masse der Einrichtung 20 6 kg. Der Druck in der Vakuumkammer 21 betrug 3,1 x 10"3 mbar. Der Arbeitsdruck des Stickstoffs N2 betrug 5 mbar. Mit Hilfe des Reflexionsmessgeräts 22 konnten Abweichungen ermittelt werden, welche einer Kraft von 1,07 mN entsprachen. In der folgenden Tabelle werden noch die wichtigsten durch Simulation ermittelten Kennwerte eines erfindungsgemäßen Antriebs wiedergegeben, um zu veranschaulichen, welches Potenzial in der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Antrieb bzw. zur Richtungskorrektur von Raumfahrzeugen steckt. Dabei wurden verschiedene Medien, wie Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Neon und Xenon, bei verschiedenen Massendurchsätzen M durch das Treibstoffsystem und verschiedenen Oszillationsfrequenzen f0szii herangezogen und die Alfven-Geschwindigkeit Aifvέn, die mittlere Ausströmgeschwindigkeit V0 der Treibstoffmasse, der Schub, der erzielte gesamte Wirkungsgrad η, die Leistung PstrahiΛ die in den Abgasstrahl zur Beschleunigung der Materie eingesetzt wird, und die gesamte eingeführte Leistung P simuliert. M foszil Yalfven v0 Schub η ^Strahl P g/s MHz km/s km/s mN kW kW
Argon (Ar)
0,0001 10 324,97 131,13 13,11 7,70 0,86 11,16
0,0100 10 32,50 26,11 261,1 52,73 3,41 6,46
0,0040 1 16,25 15,18 60,70 62,67 0,46 0,74
Kohlendioxid (C02)
0,0001 10 324,97 129,54 12,95 7,52 0,84 11,16
0,0100 10 32,50 24,56 245,61 48,34 3,02 6,24
0,0040 1 16,25 14,07 56,26 61,34 0,40 0,65
Wasserstoff (H2)
0,0001 10 324,97 147,66 14,77 9,70 1,09 11,23
0,0100 10 32,50 33,21 332,10 39,56 5,51 13,94
0,0007 6 95,14 82,99 58,10 63,11 2,41 3,82
Neon (N2)
0,0001 10 324,97 131,45 13,14 7,74 0,86 11,1
0,0100 10 32,50 26,41 264,09 53,48 3,49 6,52
0,0040 1 16,25 15,36 61,46 62,35 0,47 0,76
Xenon (Xe) 0,0001 10 324,97 128,67 12,87 7,42 0,83 11,16 0,0100 10 32,50 23,65 236, 4i 45,46 2,80 6,15 0,0040 1 16,25 13,33 53,31 58,32 0,36 0,61
Es resultieren, je nach angesetztem Massendurchsatz M und Oszillationsfrequenz f0Szii unterschiedliche Wirkungsgrade. Dadurch kann je nach Einsatzfall eine optimale Einstellung erfolgen. Beispielsweise wird bei Vorhandensein besonders geringer Leistung P, wie sie beispielsweise auf Satelliten der Fall ist, eine Lagekorrektur bei möglichst hohem Wirkungsgrad durchgeführt. Durch die vorliegende Erfindung kann enorm viel Treibstoff gespart werden und somit die maximale Beladung eines Raumfahrzeugs besser ausgenutzt werden. Elektrische Triebwerke, wie sie in der Raumfahrt verwendet werden, zeichnen sich durch hohe Ausströmgeschwindigkeiten aus, haben aber den Nachteil geringer Schubdichten. Mit Plasmatriebwerken können zwar höhere Schubdichten erzielt werden, jedoch bei geringeren Ausströmgeschwindigkeiten. Beispielsweise liegen die Ausströmgeschwindigkeiten v0 bei bekannten Plasmatriebwerken im Bereich von 30-50 km/s und bei elektrischen Triebwerken bis 80 km/s. Übliche Werte für den Schub bei Plasmatriebwerken sind 250-300 mN bei elektrischen Triebwerken unter 50 mN. Mit einem Antrieb, der gemäß dem vorliegenden Verfahren arbeitet, können die Vorteile einer hohen Ausströmgeschwindigkeit von elektrischen Triebwerken mit höheren Schubdichten von Plasmatriebwerken durch geeignete Wahl des Massendurchsatzes des Treibstoffs und der Arbeitsfrequenz in einem Gerät kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Erzeugung von Alfven-Wellen, wobei ionisierbare Materie bereitgestellt wird, welche ein Magnetfeld durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld aus einem magnetischen Primärfeld besteht, welches durch zumindest ein gegenüber dem Primärfeld gegengepoltes, oszillierendes magnetisches Sekundärfeld periodisch deformiert wird, wodurch in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfven- Wellen gebildet werden, welche sich mit einer Geschwindigkeit (vA) ausbreiten, die von der Massendichte der das Magnetfeld durchlaufenden Materie und der Feldstärke des Magnetfeldes abhängt, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfven-Wellen Masse transportiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Geschwindigkeit (vA) kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Geschwindigkeit (vA) größer der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld im Wesentlichen konstant ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld periodisch abgeschaltet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oszillierende magnetische Sekundärfeld während der Abschaltperioden des Primärfeldes ebenfalls abgeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in axialer und/oder radialer Richtung fokussiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld während des eingeschalteten magnetischen Sekundärfeldes in seiner Feldstärke verändert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Wellen phasenverzögert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Wellen nach dem Rückstoßprinzip einen Schub erzeugen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Wellen einen Teilchenstrahl hoher kinetischer Energie erzeugen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfven-Wellen einer beschleunigten Masse zusätzliche Impulse zuführen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der im Magnetfeld befindlichen Materie Phononen erzeugt oder verstärkt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die im Magnetfeld befindliche Materie Phononen in einem umgebenden Medium erzeugt oder verstärkt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die im Magnetfeld befindliche Materie komprimiert und thermisch angeregt wird, und dass durch die thermische Anregung der Materie elektromagnetische Strahlung erzeugt oder verstärkt wird.
16. Einrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen, mit einer Einrichtung (8) zur Bereitstellung ionisierbarer Materie, einer aus zumindest einer Einrichtung (2) zur Erzeugung eines magnetischen Primärfeldes und zumindest einer Sekundärspule (3) zur Erzeugung eines magnetischen Sekundärfeldes aufgebauten magnetischen Düse (1), und einem Kanal (4) zur Führung der ionisierbaren Materie durch die Magnetfelder, und elektrischen Versorgungseinrichtungen (6), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sekundärspule (2) entgegengesetzt der Einrichtung (2) zur Erzeugung des Primärfeldes gepolt ist und mit einem oszillierenden elektrischen Signal versorgt wird, wodurch das magnetische Primärfeld durch das magnetische Sekundärfeld periodisch deformiert wird und in der in diesem Magnetfeld befindlichen ionisierbaren Materie Alfven-Wellen gebildet werden, welche sich mit der Alfven-Geschwindigkeit (vA) ausbreiten, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfven-Wellen Masse transportiert wird.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes durch eine Primärspule (2) gebildet ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes durch Permanentmagnete gebildet ist.
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 3) flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sind.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 3) supraleitend ausgebildet sind.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch einen Behälter mit ionisierbarem Gas und eine Injektoreinrichtung zur Einbringung des ionisierbaren Gases in das Magnetfeld gebildet ist.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Quelle zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet ist.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Phasenverzögerung der erzeugten Alfven-Wellen vorgesehen ist.
24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Fokussierung des Magnetfeldes vorgesehen ist.
25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung durch die Primärspule (2) und allenfalls Sekundärspule (3) mit einem Magnetkern aus verschiedenen Materialien, beispielsweise auf Basis eines FFAG_(Fixed Field Alternating Gradient) -Kerns gebildet ist.
26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist.
27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung eine an der der Austrittsrichtung der Alfven-Wellen gegenüberliegenden Seite des Magnetfeldes angeordnete Abschirmplatte (5) beinhaltet.
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (7) vorgesehen ist, welche mit den elektrischen Versorgungseinrichtungen für die Spulen (2, 3) verbunden ist.
29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) durch einen Rechner gebildet ist.
30. Triebwerk für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 29 vorgesehen ist.
31. Triebwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch einen Plasma-Generator gebildet ist und mit Hilfe der Alfven-Wellen nach dem Rückstoßprinzip ein Schub erzeugt wird.
32. Triebwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Einrichtung zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet ist.
33. Triebwerk nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch ein Lichtbogentriebwerk gebildet ist.
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