EP1671333B1

EP1671333B1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung von alfvén-wellen

Info

Publication number: EP1671333B1
Application number: EP04761035A
Authority: EP
Inventors: Andreas Grassauer; Manfred Hettmer; Norbert Frischauf; Tobias Bartusch
Original assignee: QASAR TECHNOLOGIEENTWICKLUNG G; Qasar Technologieentwicklung Gesmbh
Current assignee: Wwv Partner Steuerberatungsgmbh
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: DE502004011183D1; CA2538827A1; IL174274A; US20060289117A1; WO2005027142A1; AT502984B1; IL174274A0; AU2004273099B2; ZA200603012B; AT502984B8; EP1671333A1; KR20070019954A; AU2004273099A1; US7482597B2; NZ546592A; ATE468590T1; AT502984A1; JP2007506016A; NO20061648L

Description

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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen.
Alfvén-Wellen sind Magneto-Hydro-Dynamische Wellen, welche nach dem schwedischen Physiker Hannes Olof Gösta Alfvén benannt wurden, wofür dieser 1970 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bei den Alfvén-Wellen handelt es sich um niederfrequente Wellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder magnetisierten Plasmen, welche durch die Änderung der Stärke oder Geometrie eines magnetischen Feldes hervorgerufen werden. Die Ausbreitung der Alfvén-Wellen erfolgt mit endlicher Geschwindigkeit, der so genannten Alfvén-Geschwindigkeit. Eine Alfvén-Welle ist die wellenförmige Ausbreitung einer Störung im Magnetfeld. Im Vakuum breitet sich eine Alfvén-Welle mit Vakuumlichtgeschwindigkeit aus. Wenn das Magnetfeld mit einer ionisierbaren Materie, beispielsweise einem Plasma, interagiert, wird die Alfvén-Geschwindigkeit von der Massen- bzw. Ladungsdichte des dielektrischen Mediums bestimmt. Durch die Interaktion von Materie mit dem Magnetfeld können Alfvén-Wellen Masse und damit auch Energie und Impuls transportieren. Für einen solchen Massentransport spielt die so genannte Alfvén-Grenze eine Rolle, innerhalb der die Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der zu transportierenden Materie. Der Effekt des Materietransports durch Alfvén-Wellen wurde erstmals in der Atmosphäre exotischer Sterne spektroskopisch und später in Laborexperimenten nachgewiesen.
Alfvén-Wellen sind allgegenwärtig in Plasmen des Weltraums und resultieren aus der Interaktion zwischen Magnetfeldern und darin fließenden Strömen. Alfvén-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 Alfvén 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 Alfvén-Scherwellen ist von besonderem Interesse in den polaren Erdregionen, da die Alfvén-Wellen wahrscheinlich eine Rolle bei der Entstehung von Polarlicht darstellen. Weitere Details finden sich in den Publikationen "The Physics of Alfvén 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, und "Alfven wave propagation in a helicon plasma", J.Hanna et al., Physics of Plasma, AIP USA, Bd. 8, Nr. 9, Sept. 2001, S. 4251-4254.
Bisher wurden Alfvén-Wellen nur bei Verfahren zur Anwendung in Fusionsreaktoren genutzt. Beispielsweise zeigt die US 4 661 304 die Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-Wellen genutzt. Eine direkte Nutzung des Massentransports durch Alfvén-Wellen liegt dabei nicht vor (s. auch H. Alfvén, "Spacecraft Propulsion: New Methods", _Science_, Bd. 176, S. 167-168, April 14, 1972).
Eine Nutzung von Alfvén-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 düsenförmigen 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 B1 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 Alfvén-Wellen. Ein derartiger Teilchenstrahl kann als Bohrwerkzeug oder Waffe eingesetzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Einrichtung nach Anspruch 16 zur Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen Masse transportiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt erstmals Alfvén-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 Alfvén-Wellen müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden, welche weiter unten beschrieben werden. Die Alfvén-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 Ansteuersignals 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 Alfvén-Wellen stattfinden kann, ist die so genannte Alfvén-Grenze, innerhalb derer die magnetische Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teilchen, zu berücksichtigen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, können die Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen, der so genannten Alfvén-Geschwindigkeit. Dabei können zwei Möglichkeiten unterschieden werden.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Geschwindigkeiten zulässt.
Wenn die Alfvén-Geschwindigkeit, mit der sich die Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen, die vom Arbeitsweg und der Alfvén-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 Alfvén-Geschwindigkeiten notwendig ist. Trotz kurzer Beschleunigungswege ist durch eine hohe Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen ist dann sinnvoll, wenn die Alfvén-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 Alfvén-Geschwindigkeit von Vorteil sein, wenn z.B. durch eine zu hohe Kompressionstemperatur die Verluste durch Schwarzkörperstrahlung den Wirkungsgrad zu sehr einschränken.
Wenn die Alfvén-Wellen nach dem Rückstoßprinzip einen Schub erzeugen, kann das Verfahren zur Erzeugung von Alfvéfn-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 Alfvén-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 Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas führt. Durch die Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 β-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen gebildet werden, die sich mit der Alfvén-Geschwindigkeit ausbreiten, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfvén-Wellen Masse transportiert wird. Die wesentlichen Konstruktionsmerkmale bestehen daher in zwei unterschiedlich gepolten Feldspulen, durch welche eine Deformation des Magnetfeldes und somit die Alfvén-Wellen gebildet werden. Durch die Einhaltung der bereits oben erwähnten Alfvén-Grenze eignen sich die Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen vorgesehen. Eine derartige Phasenverzögerung kann eine Reduktion der Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Wellen erzeugt. Trotzdem kann auch ein bereits durch einen anderen Mechanismus beschleunigter Plasma-Strahl durch die Wirkung von Alfvén-Wellen eine zusätzliche Beschleunigung erfahren. Der wesentliche Vorteil besteht in der Erreichbarkeit hoher Ausströmgeschwindigkeiten, weshalb sich ein derartiges PlasmaTriebwerk auf Alfvén-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 Transponderkapazitäten 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 Alfvén-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 Alfvén-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 Plasmatriebwerkes;
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 Alfvén-Wellen;
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen; und
Fig. 9a bis 9c schematische Schaltbilder zur Erklärung der Berechnung der Auslenkung der Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-Wellen im Test gemäß Fig. 6.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine magnetische Düse 1 einer Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-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 zugeschaltet, deformiert sich das Magnetfeld der Primärspule 2 und die Feldlinien engen sich am Ausgang des Rohres 4 ein, wodurch die durch die Alfvén-Wellen transportierte Materie entsprechend eingeschnürt wird.
Es resultiert somit eine oszillierende Strömung der ionisierten Materie. Aufgrund der Berücksichtigung der Alfvén-Grenze wird durch die Alfvén-Wellen ein Massentransport möglich. Dazu muss die magnetische Feldstärke größer sein als die kinetische Energie der wechselwirkenden Teilchen. Die Alfvén-Grenze bestimmt also, ob die Alfvén-Wellen überhaupt Masse transportieren können.
Weiters ist der Wirkungsquerschnitt wesentlich dafür, ob die Alfvén-Wellen die Emissionsmasse überhaupt komprimieren können. Dieser Grenzwert wird im Allgemeinen als unkritisch betrachtet. Die Kompressibilität des eingeschlossenen Mediums hängt von der Alfvén-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 Alfvén-Wellen bzw. mit einer derartigen Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-Welle kann entsprechend den Gleichungen von Hannes Alfvén 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: $v_{Alfvén} = c / sqrt (1 + ((μ_{0} . c^{2} . phi) / B^{2}))$

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 $phi = (M / f) . (1 / vol)$

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 Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén. 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 $tau = L / R$

gegeben ist, wobei gilt

L =: Induktivität der Spule
R =: Ohmscher Widerstand

Die Schaltzeit t_s der Sekundärspule 3 beträgt $t_{s} = tau .2. Pi$

und die Grenzfrequenz f_g der Sekundärspule 3 $f_{g} = 1 / t_{s}$
Die "technische" Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén hängt davon ab, wie schnell sich die Störung bedingt durch die Ladezeit der Sekundärspule 2 ausbreitet und lautet. $v_{Alfvén (t)} = Weg / t$

wobei der Weg die Laufstrecke der Alfvén-Welle als mittleren Deformationsweg des Feldes beschreibt. Ist diese technische Alfvén-Geschwindigkeit geringer als die physikalisch mögliche Alfvén-Geschwindigkeit, so ist V_Alfvén(t) der relevante Wert.
Mit der Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén ist nun definiert, wie schnell das Magnetfeld seine Geometrie ändern kann. Nun ist es aber entscheidend wichtig, dass mit der Alfvén-Welle zumindest im Bereich hoher Felddichte auch Materie transportiert werden kann. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist dafür die Alfvén-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: $T . k . (3 / 2) = (m . {v_{T}}^{2}) / 2$

T =: Temperatur
k =: Boltzmann-Konstante
m =: Teilchenmasse
V_T =: Teilchengeschwindigkeit

Nun kann die kinetische Teilchenenergie mit der Feldstärke in Zusammenhang gebracht werden: $Kinetische Teilchenenergie = (m . {v_{T}}^{2}) / 2$
$Grenzwert = Energiedichte des Feldes = (μ_{0} . B^{2}) / 2$

µ₀ =: magnetische Feldkonstante
B =: magnetische Flussdichte

Ist die kinetische Teilchenenergie kleiner als der Grenzwert, ist der Massentransport durch die Alfvén-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 $J = {J_{0}}^{x}$

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 Jo 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 Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfvén 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'sche Kraftgleichung $F = M . (v^{2} / (2. dl))$

bei der gilt

F =: Kraft
M =: Masse
V =: Geschwindigkeit
dl =: Deformationsweg inelastisch

F = M . ({v_{R}}^{2} / (2. Def)) = M . ({v_{R}}^{2} / (2. (dl / {dl}_{elast})))

_R

Dementsprechend können aus diesem Faktor alle mit der ursprünglichen Gleichung zusammenhängenden Größen wie folgt abgeleitet werden $Def = F_{ind} / F_{res} = {v_{ind}}^{2} / {v_{res}}^{2} = I_{ind} / I_{res} = dl / {dl}_{elast}$

wobei dl_elast den elastischen Anteil innerhalb des Gesamtdeformationsweges 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 I_ind den Impuls dar, welcher von der Alfvén-Welle zugeführt wird, so ist I_res der Anteil davon, welcher elastisch durch das komprimierte Medium transportiert werden kann. $I_{def} = I_{ind} - I_{res}$

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 $v_{c} = v_{t} . sqrt (l + (T_{e} / T_{i}))$

dabei sind

V_c =: Ionenschallgeschwindigkeit
V_t =: mittlere Teilchengeschwindigkeit der Ionen
T_i =: Ionentemperatur
T_e =: 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-Bedingung 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 Alfvén-Welle während eines Arbeitstaktes. Da sich der Impuls als $M . v = F . t$

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 Alfvén-Welle von außen zugeführter Impuls aufgelöst werden, weshalb aus der Volumenänderung während der Entspannungszeit gerechnet werden kann. $T = T_{a} . ({(V_{a} / V)}^{ad}$

dabei ist

T =: Temperatur nach Entspannung
T_a =: Ausgangstemperatur
V_a =: 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 Enspannung, 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 Alfvén-
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. :
V_Alfvén	2, 4998014.10³	1,02765843.10⁵	m/s
Aus der von den Eigenschaften der Spule abhängigen Grenzfrequenz
ergibt sich durch 2.4.
V_Alfvfén(t)	1,79049306.10³	1,02765843.10⁵	m/s
bei einer Schallgeschwindigkeit in der Ausgangssituation von
V_c	5,95518008 10²	6,65915895 10³	m/s
folgt nach 6.3. ein Kompressibiltätsfaktor von
Def	9,03973057.10⁰	2,38154512.10²
und aus einem während einer Laufzeit der Alfvén-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
V_T	4,23116478.10²	1,5316.10⁵	m/s
und damit nach 7.1. zu einer Ionenschallgeschwindigkeit
V_C	5,98377061.10²	2,1660.10⁵	m/s
führt.
Aus dem Integral zwischen Ausgangs- und Endwert der Schallge-
schwindigkeiten ergibt sich ein Mittelwert während der Kom-
pression 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 Oszil-
lationstakt 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
	9,49706.10^-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^-6	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-Effekte, 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-Systeme 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 Alfvén-Wellen praktisch eingesetzt wurde. Die Einrichtung 20 zur Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 $sinα = δ / l$

ableitbar. Unter Heranziehung der Skizze gemäß Fig. 9c über die Kräfteverhältnisse folgt $F = - F_{R}$
$G = m . g = F_{R} + F_{S}$
$sinα = - F / G$
$F = - m . g . sinα$
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 Alfvén-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 Alfvén-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 Alfvén-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 Entladungselektrönen 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 akkumulativ, wodurch zwischen den einzelnen Betriebszeiten thermische Regenerationsintervalle berücksichtigt werden mussten.
Bei den praktischen Untersuchungen wurde die Sekundärspule 3 mit einem rechteckförmigen Stromsignal angesteuert, wobei die Oszillationsfrequenz 100 Hz betrug. Die Flanken des rechteckförmigen 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 × 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 f_Oszil herangezogen und die Alfvén-Geschwindigkeit V_Alfven, die mittlere Ausströmgeschwindigkeit V₀ der Treibstoffmasse, der Schub, der erzielte gesamte Wirkungsgrad η, die Leistung P_Strahl, die in den Abgasstrahl zur Beschleunigung der Materie eingesetzt wird, und die gesamte eingeführte Leistung P simuliert.

M	f_Oszil	V_Alfvén	V₀	Schub	η	P_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	261,12	52,73	3,41	6,46
0,0040	1	16,25	15,18	60,70	62,67	0,46	0,74
Kohlendioxid (CO₂)
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	11,16
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	236,48	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 f_Oszil 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

Verfahren zur Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-Wellen gebildet werden, welche sich mit einer Geschwindigkeit (V_A) 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 Alfvén-Wellen Masse transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Geschwindigkeit (V_A) kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Geschwindigkeit (V_A) größer der Schallgeschwindigkeit der im Magnetfeld befindlichen Materie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld periodisch abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oszillierende magnetische Sekundärfeld während der Abschaltperioden des Primärfeldes ebenfalls abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in axialer und/oder radialer Richtung fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld während des eingeschalteten magnetischen Sekundärfeldes in seiner Feldstärke verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Wellen phasenverzögert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Wellen nach dem Rückstoßprinzip einen Schub erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Wellen einen Teilchenstrahl hoher kinetischer Energie erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Alfvén-Wellen einer beschleunigten Masse zusätzliche Impulse zuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der im Magnetfeld befindlichen Materie Phononen erzeugt oder verstärkt werden.
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.
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.
Einrichtung zur Erzeugung von Alfvén-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 Alfvén-Wellen gebildet werden, welche sich mit der Alfvén-Geschwindigkeit (V_A) ausbreiten, wobei die Feldstärke des Magnetfeldes größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld befindlichen Materie ist, so dass durch die Alfvén-Wellen Masse transportiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes durch eine Primärspule (2) gebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erzeugung des magnetischen Primärfeldes durch Permanentmagnete gebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 3) flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 3) supraleitend ausgebildet sind.
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.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Phasenverzögerung der erzeugten Alfvén-Wellen vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Fokussierung des Magnetfeldes vorgesehen ist.
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.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung eine an der der Austrittsrichtung der Alfvén-Wellen gegenüberliegenden Seite des Magnetfeldes angeordnete Abschirmplatte (5) beinhaltet.
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.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) durch einen Rechner gebildet ist.
Triebwerk für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 29 vorgesehen ist.
Triebwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch einen Plasma-Generator gebildet ist und mit Hilfe der Alfvén-Wellen nach dem Rückstoßprinzip ein Schub erzeugt wird.
Triebwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch eine Einrichtung zur Zuführung elektrisch leitfähiger Flüssigkeit gebildet ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitstellung ionisierbarer Materie durch ein Lichtbogentriebwerk gebildet ist.