Elektromagnetischer Antrieb - Electromagnetic propulsion

Elektromagnetischer Antrieb ( EMP ) ist das Prinzip der Beschleunigung eines Objekts durch die Nutzung eines fließenden elektrischen Stroms und magnetischer Felder . Der elektrische Strom wird verwendet, um entweder ein gegenläufiges Magnetfeld zu erzeugen oder ein Feld aufzuladen , das dann abgestoßen werden kann. Wenn ein Strom durch einen Leiter in einem Magnetfeld fließt , entsteht eine elektromagnetische Kraft, die als Lorentzkraft bekannt ist, drückt den Leiter in eine Richtung senkrecht zum Leiter und zum Magnetfeld. Diese abstoßende Kraft verursacht den Vortrieb in einem System, das darauf ausgelegt ist, dieses Phänomen zu nutzen. Der Begriff Elektromagnetischer Antrieb (EMP) lässt sich durch seine einzelnen Komponenten beschreiben: Elektromagnetisch  – Strom erzeugt ein Magnetfeld und Antrieb – der Vorgang, etwas anzutreiben. Wenn als beweglicher Leiter ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) verwendet wird, kann der Antrieb als magnetohydrodynamischer Antrieb bezeichnet werden . Ein wesentlicher Unterschied zwischen EMP und Antrieb durch Elektromotoren besteht darin, dass die für EMP verwendete elektrische Energie nicht verwendet wird, um Rotationsenergie für die Bewegung zu erzeugen ; obwohl beide Magnetfelder und einen fließenden elektrischen Strom verwenden.

Die Wissenschaft des elektromagnetischen Antriebs hat keinen Ursprung bei einem einzelnen Individuum und findet auf vielen verschiedenen Gebieten Anwendung. Der Gedanke, Magnete als Antrieb zu verwenden, hält bis heute an und wird mindestens seit 1897 geträumt, als John Munro seine fiktive Geschichte "A Trip to Venus" veröffentlichte. Aktuelle Anwendungen finden sich in Magnetschwebebahnen und militärischen Railguns . Andere Anwendungen, die noch nicht weit verbreitet sind oder sich noch in der Entwicklung befinden, umfassen Ionentriebwerke für Satelliten mit niedriger Umlaufbahn und magnetohydrodynamische Antriebe für Schiffe und U-Boote.

Geschichte

Eine der ersten aufgezeichneten Entdeckungen bezüglich elektromagnetischer Antriebe war im Jahr 1889, als Professor Elihu Thomson seine Arbeit mit elektromagnetischen Wellen und Wechselströmen veröffentlichte. Einige Jahre später schlug Emile Bachelet die Idee eines über den Schienen schwebenden Metallwagens einer modernen Eisenbahn vor, die er Anfang der 1890er Jahre präsentierte. In den 1960er Jahren entwickelte Eric Roberts Laithwaite den linearen Induktionsmotor , der auf diesen Prinzipien aufbaute und die erste praktische Anwendung des elektromagnetischen Antriebs einführte. 1966 ließen sich James R. Powell und Gordon Danby das supraleitende Magnetschwebebahn- Transportsystem patentieren , und danach rasten Ingenieure um die ganze Welt, um die erste Hochgeschwindigkeitsbahn zu bauen. Von 1984 bis 1995 lief in Birmingham die erste kommerzielle automatisierte Magnetschwebebahn. Es war ein Magnetschwebebahn-Shuttle mit niedriger Geschwindigkeit, das vom Birmingham International Airport zum Birmingham International Railway System fuhr. In der UdSSR Anfang der 1960er Jahre am Institut für Hydrodynamik, Nowosibirsk, Russland, Prof. Dr. VF Minin legte die experimentellen Grundlagen der elektromagnetischen Beschleunigung von Körpern auf Hyperschallgeschwindigkeit.

Verwendet

Züge

SCMaglev auf der Yamanashi- Teststrecke in Japan im November 2005

Elektromagnetischer Antrieb wird in Transportsystemen verwendet, um die Reibung zu minimieren und die Geschwindigkeit über lange Distanzen zu maximieren. Dies wurde hauptsächlich in Hochgeschwindigkeitsbahnsystemen implementiert, die einen linearen Induktionsmotor verwenden, um Züge durch magnetische Ströme anzutreiben. Es wurde auch in Themenparks verwendet, um Hochgeschwindigkeits- Achterbahnen und Wasserbahnen zu schaffen .

Magnetschwebebahn

In einer Magnetschwebebahn liegt die Primärspulenanordnung unterhalb der Reaktionsplatte. Dazwischen befindet sich ein Luftspalt von 1–10 cm (0,39–3,93 Zoll), der Reibung eliminiert und Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h (310 mph) ermöglicht. Den Spulen wird ein elektrischer Wechselstrom zugeführt, der eine Polaritätsänderung des Magnetfelds bewirkt. Dies zieht den Zug von vorne nach vorne und schiebt den Zug von hinten nach vorne.

Eine typische Magnetschwebebahn kostet drei Cent pro Personenmeile oder sieben Cent pro Tonnenmeile (ohne Baukosten). Im Vergleich zu 15 Cent pro Passagiermeilen für Reisen mit dem Flugzeug und 30 Cent für Tonnenmeile für Reisen mit Überland-Lkw. Magnetschwebebahnen haben eine hohe Langlebigkeit durch minimale Reibung und eine gleichmäßige Gewichtsverteilung. Die meisten halten mindestens 50 Jahre und benötigen während dieser Zeit nur wenig Wartung. Magnetschwebebahnen werden für ihre Energieeffizienz beworben, da sie mit Strom betrieben werden, der ohne Öl aus Kohle, Kernkraft, Wasserkraft, Fusion, Wind- oder Sonnenenergie erzeugt werden kann. Im Durchschnitt fahren die meisten Züge 483 km/h (300 mph) und verbrauchen 0,4 Megajoule pro Passagiermeile. Bei einem 20 Meilen/Gallonen-Auto mit 1,8 Personen zum Vergleich beträgt die Fahrt mit dem Auto typischerweise 97 km/h (60 mph) und verbraucht 4 Megajoule pro Passagiermeile. Die Kohlendioxidemissionen basieren auf der Methode der Stromerzeugung und dem Kraftstoffverbrauch . Viele erneuerbare Stromerzeugungsverfahren erzeugen bei der Produktion wenig oder kein Kohlendioxid (obwohl Kohlendioxid bei der Herstellung der Komponenten freigesetzt werden kann, z. B. des Stahls, der in Windkraftanlagen verwendet wird). Der Zugverkehr ist deutlich leiser als bei anderen Zügen, Lastwagen oder Flugzeugen.

Montage: Linearer Induktionsmotor

Ein linearer Induktionsmotor besteht aus zwei Teilen: der Primärspulenbaugruppe und der Reaktionsplatte. Die Primärspulenanordnung besteht aus Phasenwicklungen, die von Stahlblechen umgeben sind, und enthält einen Wärmesensor in einem thermischen Epoxid. Die Reaktionsplatte besteht aus einer 3,2 mm (0,125 Zoll) dicken Aluminium- oder Kupferplatte, die mit einem 6,4 mm (0,25 Zoll) dicken kaltgewalzten Stahlblech verbunden ist. Zwischen diesen beiden Teilen befindet sich ein Luftspalt, der die reibungslose Eigenschaft erzeugt, die ein elektromagnetisches Antriebssystem umfasst. Die Funktion eines linearen Induktionsmotors beginnt mit einer Wechselstromkraft, die den Spulenwicklungen innerhalb der Primärspulenanordnung zugeführt wird. Dadurch entsteht ein magnetisches Wanderfeld, das in der Reaktionsplatte einen Strom induziert, der dann ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Die Magnetfelder in der Primärspulenbaugruppe und der Reaktionsplatte wechseln sich ab, wodurch Kraft und direkte lineare Bewegung erzeugt werden.

Raumfahrzeug

Es gibt vielfältige Anwendungen für EMP-Technologien im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Viele dieser Anwendungen sind derzeit konzeptionell, es gibt jedoch auch mehrere Anwendungen, die von der nahen Zukunft bis zum nächsten Jahrhundert reichen. Eine dieser Anwendungen ist die Verwendung von EMP zur Steuerung von Feineinstellungen von umlaufenden Satelliten. Eines dieser besonderen Systeme basiert auf den direkten Wechselwirkungen des fahrzeugeigenen elektromagnetischen Feldes mit dem Magnetfeld der Erde. Die Schubkraft kann man sich als elektrodynamische Wechselwirkungskraft des elektrischen Stroms in seinen Leitern mit dem angelegten natürlichen Feld der Erde vorstellen. Um eine größere Wechselwirkungskraft zu erreichen, muss sich das Magnetfeld vom Fluggerät weiter ausbreiten. Der Vorteil solcher Systeme ist die sehr genaue und sofortige Kontrolle über die Schubkraft. Darüber hinaus sind die erwarteten elektrischen Wirkungsgrade weitaus höher als die heutiger chemischer Raketen, die durch die Zwischennutzung von Wärme einen Vortrieb erhalten; dies führt zu geringen Wirkungsgraden und großen Mengen an gasförmigen Schadstoffen. Die elektrische Energie in der Spule des EMP-Systems wird durch direkte Energieumwandlung in potentielle und kinetische Energie umgewandelt. Dies führt dazu, dass das System die gleichen hohen Wirkungsgrade wie andere elektrische Maschinen aufweist und gleichzeitig den Ausstoß von Stoffen in die Umgebung ausschließt.

Die derzeitigen Schub-zu-Masse-Verhältnisse dieser Systeme sind relativ niedrig. Da sie jedoch keine Reaktionsmasse benötigen, ist die Fahrzeugmasse konstant. Außerdem kann der Schub bei relativ geringem Stromverbrauch kontinuierlich sein. Die größte Einschränkung wäre vor allem die elektrische Leitfähigkeit von Materialien, um die notwendigen Stromwerte im Antriebssystem zu erzeugen.

Schiffe und U-Boote

EMP und seine Anwendungen für Seeschiffe und U-Boote werden mindestens seit 1958 untersucht, als Warren Rice ein Patent zur Erklärung der Technologie US 2997013 einreichte  . Die von Rice beschriebene Technologie erwog, den Rumpf des Schiffes selbst aufzuladen. Die Konstruktion wurde später verfeinert, indem man das Wasser durch Triebwerke fließen ließ, wie in einem späteren Patent von James Meng US 5333444 beschrieben  . Die Anordnung besteht aus einem an beiden Enden offenen Wasserkanal, der sich in Längsrichtung durch das Schiff erstreckt oder daran befestigt ist, einem Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds im gesamten Wasserkanal, Elektroden an jeder Seite des Kanals und einer Stromquelle zum Senden von Gleichstrom durch den Kanal bei rechtwinklig zum magnetischen Fluss gemäß der Lorentzkraft.

Aufzüge

Kabellose Aufzüge mit EMP, die sich sowohl vertikal als auch horizontal bewegen können, wurden vom deutschen Ingenieurbüro Thyssen Krupp für den Einsatz in hohen Gebäuden mit hoher Dichte entwickelt.

Siehe auch

Verweise