Gaußgewehr
Eine Spulenkanone, auch Gaußgewehr genannt, ist eine Art Massentreiber, der aus einer oder mehreren Spulen besteht, die als Elektromagnete in der Konfiguration eines Linearmotors verwendet werden und ein ferromagnetisches oder leitendes Projektil auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen. Bei fast allen Coilgun-Konfigurationen sind die Spulen und das Geschützrohr auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Ein Coilgun ist kein Gewehr, da der Lauf eine glatte (nicht gezogene) Seele hat. Der Name "Gauß" bezieht sich auf Carl Friedrich Gauß, der mathematische Beschreibungen des magnetischen Effekts formulierte, der von magnetischen Beschleunigerkanonen genutzt wird. ⓘ
Spulenkanonen bestehen im Allgemeinen aus einer oder mehreren Spulen, die entlang eines Rohrs angeordnet sind, so dass der Weg des beschleunigenden Geschosses entlang der Mittelachse der Spulen verläuft. Die Spulen werden in einer genau getakteten Abfolge ein- und ausgeschaltet, wodurch das Projektil durch magnetische Kräfte schnell entlang des Rohrs beschleunigt wird. Coilguns unterscheiden sich von Railguns, da die Richtung der Beschleunigung in einem Railgun rechtwinklig zur Mittelachse der von den leitenden Schienen gebildeten Stromschleife verläuft. Außerdem erfordern Railguns in der Regel den Einsatz von Schleifkontakten, um einen großen Strom durch das Projektil oder den Treibspiegel zu leiten, während Coilguns nicht unbedingt Schleifkontakte benötigen. Während bei einigen einfachen Coilgun-Konzepten ferromagnetische Geschosse oder sogar Geschosse mit Permanentmagneten verwendet werden können, enthalten die meisten Konstruktionen für hohe Geschwindigkeiten eine gekoppelte Spule als Teil des Geschosses. ⓘ
Geschichte
Das älteste elektromagnetische Geschütz ist die Spulenkanone, deren erstes Exemplar vom norwegischen Wissenschaftler Kristian Birkeland an der Universität Kristiania (heute Oslo) erfunden wurde. Die Erfindung wurde 1904 offiziell patentiert, obwohl ihre Entwicklung bereits 1845 begonnen haben soll. Nach seinen Angaben beschleunigte Birkeland ein 500 Gramm schweres Projektil auf etwa 50 m/s (110 mph; 180 km/h; 160 ft/s). ⓘ
1933 entwickelte der texanische Erfinder Virgil Rigsby ein stationäres Spulengewehr, das ähnlich wie ein Maschinengewehr eingesetzt werden sollte. Es wurde von einem großen Elektromotor und einem Generator angetrieben. Es erschien in vielen zeitgenössischen wissenschaftlichen Publikationen, erweckte aber nie das Interesse der Streitkräfte. ⓘ
Konstruktion
Es gibt zwei Haupttypen oder Aufbauten einer Spulenkanone: einstufig und mehrstufig. Eine einstufige Spulenkanone verwendet eine elektromagnetische Spule, um ein Projektil zu verschießen. Bei einer mehrstufigen Spulenkanone werden mehrere elektromagnetische Spulen nacheinander verwendet, um die Geschwindigkeit des Geschosses schrittweise zu erhöhen. ⓘ
Ferromagnetische Geschosse
Für ferromagnetische Geschosse kann eine einstufige Spulenkanone aus einer Drahtspule, einem Elektromagneten, gebildet werden, an dessen einem Ende ein ferromagnetisches Geschoss angebracht ist. Diese Art von Spulenkanone ist wie die in einem elektromechanischen Relais verwendete Magnetspule aufgebaut, d. h. eine stromführende Spule, die ein ferromagnetisches Objekt durch ihr Zentrum zieht. Ein großer Strom wird durch die Drahtspule gepulst und es bildet sich ein starkes Magnetfeld, das das Projektil in die Mitte der Spule zieht. Wenn sich das Projektil diesem Punkt nähert, muss der Elektromagnet abgeschaltet werden, um zu verhindern, dass das Projektil in der Mitte des Elektromagneten festgehalten wird. ⓘ
Bei einer mehrstufigen Konstruktion wird dieser Vorgang mit weiteren Elektromagneten wiederholt, um das Projektil schrittweise zu beschleunigen. Bei herkömmlichen Spulenkanonen besteht der "Lauf" der Kanone aus einer Schiene, auf der das Projektil reitet, wobei der Antrieb in den Magnetspulen um die Schiene erfolgt. Die Stromversorgung des Elektromagneten erfolgt über eine Art Schnellentladungsspeicher, in der Regel eine Batterie oder Kondensatoren (einer pro Elektromagnet), die für eine schnelle Energieentladung ausgelegt sind. Eine Diode wird verwendet, um polaritätsempfindliche Bauteile (wie Halbleiter oder Elektrolytkondensatoren) vor Schäden zu schützen, die durch die umgekehrte Polarität der Spannung nach dem Abschalten der Spule entstehen. ⓘ
Viele Hobbybastler experimentieren mit Spulenpistolen, indem sie kostengünstige, rudimentäre Konstruktionen verwenden, z. B. Fotoblitzkondensatoren aus einer Einwegkamera oder einen Kondensator aus einem herkömmlichen Röhrenfernseher als Energiequelle und eine Spule mit geringer Induktivität, um das Projektil vorwärts zu treiben. ⓘ
Nicht-ferromagnetische Geschosse
Einige Konstruktionen haben nicht-ferromagnetische Geschosse aus Materialien wie Aluminium oder Kupfer, wobei der Anker des Geschosses als Elektromagnet mit internem Strom wirkt, der durch Impulse der Beschleunigungsspulen induziert wird. Eine supraleitende Spulenkanone, eine so genannte Quenchkanone, könnte durch sukzessives Quenchen einer Reihe benachbarter koaxialer supraleitender Spulen, die ein Kanonenrohr bilden, erzeugt werden, wobei eine Welle mit einem Magnetfeldgradienten entsteht, die sich mit beliebiger Geschwindigkeit fortbewegt. Eine sich bewegende supraleitende Spule könnte auf dieser Welle wie ein Surfbrett reiten. Das Gerät wäre ein Massentreiber oder ein linearer Synchronmotor, wobei die Antriebsenergie direkt in den Antriebsspulen gespeichert würde. Bei einer anderen Methode wären die Beschleunigungsspulen nicht supraleitend und die Antriebsenergie würde außerhalb der Spulen gespeichert, sondern in einem Projektil mit supraleitenden Magneten. ⓘ
Obwohl die Kosten für die Energieumschaltung und andere Faktoren die Energie des Projektils begrenzen können, besteht ein bemerkenswerter Vorteil einiger Spulenkanonenkonstruktionen gegenüber einfacheren Railguns darin, dass eine intrinsische Geschwindigkeitsbegrenzung aufgrund von physischem Kontakt und Erosion bei hohen Geschwindigkeiten vermieden wird. Dadurch, dass das Projektil bei seiner Beschleunigung in die Mitte der Spulen gezogen wird oder dort schwebt, entsteht keine physische Reibung mit den Wänden der Bohrung. Wenn die Bohrung vollständig vakuumiert ist (z. B. bei einer Röhre mit einem Plasmafenster), gibt es überhaupt keine Reibung, was zur Verlängerung der Wiederverwendbarkeit beiträgt. ⓘ
Schalten
Ein Haupthindernis bei der Konstruktion von Spulenkanonen ist das Schalten der Leistung durch die Spulen. Es gibt mehrere gängige Lösungen - die einfachste (und wahrscheinlich am wenigsten effektive) ist die Funkenstrecke, die die gespeicherte Energie über die Spule freisetzt, wenn die Spannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Eine bessere Option ist die Verwendung von Halbleiterschaltern, z. B. IGBTs oder Leistungs-MOSFETs (die in der Mitte des Impulses abgeschaltet werden können) und SCRs (die die gesamte gespeicherte Energie vor dem Abschalten freigeben). ⓘ
Eine schnelle und einfache Methode zum Schalten, insbesondere für diejenigen, die eine Blitzkamera für die Hauptkomponenten verwenden, ist die Verwendung der Blitzröhre selbst als Schalter. Indem man sie mit der Spule in Reihe schaltet, kann man geräuschlos und zerstörungsfrei (unter der Voraussetzung, dass die Energie im Kondensator unter den sicheren Betriebsgrenzen der Röhre gehalten wird) eine große Strommenge zur Spule durchlassen. Wie bei jeder Blitzröhre wird sie durch die Ionisierung des Gases in der Röhre mit einer hohen Spannung ausgelöst. Da es sich bei der Röhre um eine Funkenstrecke handelt, hört die Röhre auf zu leiten, sobald die Spannung über ihr ausreichend abfällt, so dass ein Teil der Ladung auf dem Kondensator verbleibt. ⓘ
Widerstand
Durch den elektrischen Widerstand der Spulen und den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) der Stromquelle wird eine beträchtliche Leistung abgeleitet. ⓘ
Bei niedrigen Geschwindigkeiten dominiert die Erwärmung der Spulen den Wirkungsgrad der Spulenkanone, was zu einem außergewöhnlich niedrigen Wirkungsgrad führt. Mit steigender Geschwindigkeit wächst die mechanische Leistung jedoch proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, wobei die Widerstandsverluste bei richtiger Schaltung weitgehend unbeeinflusst bleiben, so dass diese prozentual viel kleiner werden. ⓘ
Magnetischer Kreislauf
Im Idealfall würden 100 % des von der Spule erzeugten magnetischen Flusses an das Projektil abgegeben und auf dieses einwirken; in der Realität ist dies aufgrund der in einem realen System immer vorhandenen Energieverluste, die nicht eliminiert werden können, unmöglich. ⓘ
Bei einer einfachen Luftspule wird der größte Teil des magnetischen Flusses aufgrund der hohen Reluktanz des Magnetkreises nicht in das Projektil eingekoppelt. Der ungekoppelte Fluss erzeugt ein Magnetfeld, das Energie in der umgebenden Luft speichert. Die in diesem Feld gespeicherte Energie verschwindet nicht einfach aus dem Magnetkreis, wenn der Kondensator entladen ist, sondern kehrt in den Stromkreis der Spulenkanone zurück. Da der Stromkreis der Spulenkanone von Natur aus einem LC-Oszillator entspricht, kehrt die ungenutzte Energie in umgekehrter Richtung zurück ("Klingeln"), was gepolte Kondensatoren wie Elektrolytkondensatoren ernsthaft beschädigen kann. ⓘ
Die umgekehrte Aufladung kann durch eine Diode verhindert werden, die in umgekehrter Richtung parallel zu den Kondensatoranschlüssen geschaltet ist; dadurch fließt der Strom so lange, bis die Diode und der Widerstand der Spule die Feldenergie als Wärme abführen. Dies ist zwar eine einfache und häufig verwendete Lösung, erfordert aber eine zusätzliche teure Hochleistungsdiode und eine gut konzipierte Spule mit ausreichender thermischer Masse und Wärmeableitungsfähigkeit, um einen Ausfall der Komponenten zu verhindern. ⓘ
Bei einigen Konstruktionen wird versucht, die im Magnetfeld gespeicherte Energie mit Hilfe eines Diodenpaars zurückzugewinnen. Diese Dioden sind nicht gezwungen, die verbleibende Energie abzugeben, sondern laden die Kondensatoren mit der richtigen Polarität für den nächsten Entladezyklus wieder auf. Dadurch müssen die Kondensatoren nicht mehr vollständig aufgeladen werden, was die Ladezeiten erheblich verkürzt. Die Praktikabilität dieser Lösung wird jedoch durch den hohen Ladestrom eingeschränkt, der durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) der Kondensatoren verursacht wird; der ESR leitet einen Teil des Ladestroms ab, wodurch sich die Kondensatoren erwärmen und ihre Lebensdauer möglicherweise verkürzt wird. ⓘ
Um die Größe, das Gewicht, die Anforderungen an die Haltbarkeit und vor allem die Kosten der Komponenten zu reduzieren, muss der Magnetkreis so optimiert werden, dass bei einer gegebenen Energiezufuhr mehr Energie an das Projektil abgegeben wird. Dies wurde bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Back- und End-Eisen erreicht. Dabei handelt es sich um Teile aus magnetischem Material, die die Spule umschließen und Pfade mit geringerer Reluktanz schaffen, um die Menge des in das Projektil eingekoppelten magnetischen Flusses zu verbessern. Die Ergebnisse können je nach verwendetem Material sehr unterschiedlich ausfallen; Hobbybastler können zum Beispiel Materialien verwenden, die von Magnetstahl (effektiver, geringerer Widerstand) bis hin zu Videoband (geringerer Widerstand) reichen. Darüber hinaus können die zusätzlichen Teile des magnetischen Materials im Magnetkreis die Möglichkeit der Flusssättigung und anderer magnetischer Verluste potenziell verschlimmern. ⓘ
Sättigung des ferromagnetischen Geschosses
Eine weitere wesentliche Einschränkung der Spulenkanone ist das Auftreten von magnetischer Sättigung im ferromagnetischen Projektil. Wenn der Fluss im Projektil im linearen Bereich der B(H)-Kurve seines Materials liegt, ist die auf den Kern ausgeübte Kraft proportional zum Quadrat des Spulenstroms (I) - das Feld (H) ist linear abhängig von I, B ist linear abhängig von H und die Kraft ist linear abhängig von dem Produkt BI. Diese Beziehung setzt sich fort, bis der Kern gesättigt ist; sobald dies der Fall ist, steigt B nur noch geringfügig mit H (und damit mit I), so dass der Kraftgewinn linear ist. Da die Verluste proportional zu I2 sind, führt eine Erhöhung des Stroms über diesen Punkt hinaus schließlich zu einer Verringerung des Wirkungsgrads, auch wenn sich dadurch die Kraft erhöhen kann. Dies setzt eine absolute Grenze dafür, wie stark ein bestimmtes Projektil mit einer einzigen Stufe bei akzeptabler Effizienz beschleunigt werden kann. ⓘ
Projektilmagnetisierung und Reaktionszeit
Abgesehen von der Sättigung enthält die B(H)-Abhängigkeit oft eine Hystereseschleife, und die Reaktionszeit des Projektilmaterials kann erheblich sein. Die Hysterese bedeutet, dass das Projektil permanent magnetisiert wird und ein Teil der Energie in Form eines permanenten Magnetfelds des Projektils verloren geht. Die Reaktionszeit des Projektils führt andererseits dazu, dass das Projektil nur zögerlich auf abrupte B-Änderungen reagiert; der Fluss steigt nicht so schnell wie gewünscht an, während Strom angelegt wird, und ein B-Schwanz entsteht, nachdem das Spulenfeld verschwunden ist. Diese Verzögerung führt zu einer Verringerung der Kraft, die maximiert würde, wenn H und B in Phase wären. ⓘ
Induktionsspulenkanonen
Bei den meisten Arbeiten zur Entwicklung von Spulenkanonen als Hypergeschwindigkeits-Werfer wurden "luftgekühlte" Systeme verwendet, um die mit ferromagnetischen Geschossen verbundenen Einschränkungen zu umgehen. Bei diesen Systemen wird das Projektil durch einen beweglichen Spulenanker" beschleunigt. Wenn der Anker als eine oder mehrere "kurzgeschlossene Windungen" konfiguriert ist, ergeben sich induzierte Ströme als Folge der zeitlichen Veränderung des Stroms in der statischen Abschuss-Spule (oder den Spulen). ⓘ
Prinzipiell können auch Spulenpistolen gebaut werden, bei denen die beweglichen Spulen über Schleifkontakte mit Strom versorgt werden. Die praktische Konstruktion solcher Anordnungen erfordert jedoch die Bereitstellung zuverlässiger Hochgeschwindigkeits-Gleitkontakte. Obwohl die Stromversorgung eines Ankers mit mehreren Windungen nicht so große Ströme erfordert wie bei einer Railgun, ist der Wegfall der Hochgeschwindigkeits-Gleitkontakte ein offensichtlicher potenzieller Vorteil der Induktionsspulenpistole gegenüber der Railgun. ⓘ
Luftgefüllte Systeme haben außerdem den Nachteil, dass viel höhere Ströme als bei einem "eisengefüllten" System erforderlich sein können. Letztendlich können jedoch luftgefüllte Systeme, sofern sie über eine entsprechend bemessene Stromversorgung verfügen, mit sehr viel größeren Magnetfeldstärken betrieben werden als "eisengefüllte" Systeme, so dass letztlich sehr viel höhere Beschleunigungen und Kräfte möglich sein sollten. ⓘ
Formel für die Austrittsgeschwindigkeit von Coilgun-Geschossen
Ein Näherungswert für die Austrittsgeschwindigkeit eines Projektils, das durch eine einspulige Spulenkanone beschleunigt wurde, ergibt sich aus der Gleichung ⓘ
ρm ist die Dichte des Geschosses, definiert als kg/m3 ⓘ
μ0 ist die Vakuumpermeabilität, definiert in SI-Einheiten als 4π × 10-7 V-s/(A-m) ⓘ
χm die magnetische Suszeptibilität des Projektils, eine dimensionslose Proportionalitätskonstante, die den Grad der Magnetisierung in einem Material als Reaktion auf angelegte Magnetfelder angibt. Sie muss oft experimentell bestimmt werden. Tabellen mit Suszeptibilitätswerten für bestimmte Materialien finden sich im CRC Handbook of Chemistry and Physics sowie im Wikipedia-Artikel zur magnetischen Suszeptibilität. ⓘ
n ist die Anzahl der Spulenwindungen pro Längeneinheit der Spule, die durch Division der Gesamtwindungen der Spule durch die Gesamtlänge der Spule in Metern ermittelt werden kann. ⓘ
und I ist der durch die Spule fließende Strom in Ampere. ⓘ
Diese Näherung ist zwar nützlich, um schnell die Obergrenze der Geschwindigkeit in einem Spulenkanonensystem zu bestimmen, es gibt jedoch genauere und nichtlineare Differentialgleichungen zweiter Ordnung. Die Probleme mit dieser Formel bestehen darin, dass sie davon ausgeht, dass sich das Projektil vollständig in einem gleichmäßigen Magnetfeld befindet, dass der Strom sofort abklingt, sobald das Projektil die Mitte der Spule erreicht (was die Möglichkeit eines Rückzugs der Spule ausschließt), dass die gesamte potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird (während der größte Teil in Reibungskräfte fließen würde) und dass die Drähte der Spule unendlich dünn sind und sich nicht übereinander stapeln, was alles zusammen die erwartete Austrittsgeschwindigkeit erhöht. ⓘ
Verwendungen
Kleine Spulenkanonen werden von Hobbybastlern hergestellt und haben in der Regel eine Geschossenergie von einigen Joule bis zu einigen Dutzend Joule (letzteres ist vergleichbar mit einem typischen Luftgewehr und um eine Größenordnung geringer als bei einer Feuerwaffe), wobei der Wirkungsgrad von unter einem Prozent bis zu mehreren Prozent reicht. ⓘ
Im Jahr 2018 bot das in Los Angeles ansässige Unternehmen Arcflash Labs die erste Coilgun der Öffentlichkeit zum Kauf an. Sie feuerte 6-Gramm-Stahlgeschosse mit 45 m/s und einer Mündungsenergie von etwa 5 Joule ab. Im Jahr 2021 entwickelten sie ein größeres Modell, das GR-1 Gauss-Gewehr, das 30-Gramm-Stahlgeschosse mit einer Geschwindigkeit von bis zu 75 m/s und einer Mündungsenergie von etwa 85 Joule verschoss, vergleichbar mit einem PCP-Luftgewehr. ⓘ
Im Jahr 2022 brachte der Northshore Sports Club in Lake Forest, Illinois, ein kompaktes, magazingespeistes Spiralgewehr auf den Markt, das eine maximale Mündungsenergie von etwa 15 Joule hatte. Sie wurde ursprünglich als E-Shotgun vermarktet. Die erste Markteinführung dieses Produkts erfolgte nach seinem Debüt auf dem erfolgreichen YouTube-Kanal Demolition Ranch. Es wird erwartet, dass die Produktion in vollem Umfang 5000 Einheiten pro Jahr erreichen wird. ⓘ
Mit aufwändigeren und ausgefeilteren Konstruktionen lassen sich eine wesentlich höhere Effizienz und Energie erzielen. Im Jahr 1978 erzielte Bondaletov in der UdSSR einen Beschleunigungsrekord mit einer einzigen Stufe, indem er einen 2-Gramm-Ring auf 5000 m/s bei einer Länge von 1 cm schickte, aber die effizientesten modernen Konstruktionen umfassen in der Regel mehrere Stufen. Für einige sehr viel größere supraleitende Konzepte für den Weltraumstart wird ein Wirkungsgrad von über 90 % geschätzt. Eine experimentelle 45-stufige, 2,1 m lange DARPA-Spulenkanonenmörser-Konstruktion hat einen Wirkungsgrad von 22 %, wobei 1,6 Megajoule KE an eine Kugel abgegeben werden. ⓘ
Obwohl die Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Geschützen (und manchmal auch Railgun-Alternativen) ein Problem darstellt, wird an Spulenkanonen für die Bewaffnung geforscht. ⓘ
Das DARPA-Programm für elektromagnetische Mörser ist ein Beispiel für die möglichen Vorteile, wenn praktische Herausforderungen wie ein ausreichend geringes Gewicht gemeistert werden können. Die Spulenkanone wäre relativ geräuschlos, da kein Rauch ihre Position verrät, obwohl ein Spulenkanonenprojektil bei Überschallgeschwindigkeit immer noch einen Überschallknall erzeugen würde. Eine einstellbare, aber gleichmäßige Beschleunigung des Geschosses im Lauf kann eine etwas höhere Geschwindigkeit ermöglichen, wobei für einen 120-mm-EM-Mörser eine Reichweitensteigerung von 30 % gegenüber der herkömmlichen Version ähnlicher Länge vorhergesagt wird. Da keine separaten Treibladungen geladen werden müssen, kann die Feuerrate nach Ansicht der Forscher etwa verdoppelt werden. ⓘ
Im Jahr 2006 wurde ein 120-mm-Prototyp zur Evaluierung gebaut. Die Sandia National Laboratories schätzten die Zeit bis zum Einsatz im Feld, falls es dazu kommt, auf 5 bis 10+ Jahre. Im Jahr 2011 wurde die Entwicklung eines 81-mm-Spulenmörsers vorgeschlagen, der mit einer hybrid-elektrischen Version des künftigen leichten taktischen Fahrzeugs (Joint Light Tactical Vehicle) betrieben werden soll. ⓘ
Elektromagnetische Flugzeugkatapulte sind geplant, unter anderem an Bord künftiger Flugzeugträger der Gerald-R.-Ford-Klasse der Vereinigten Staaten. Eine experimentelle Induktionsspulenkanonenversion eines elektromagnetischen Raketenwerfers (EMML) wurde zum Abschuss von Tomahawk-Raketen getestet. Ein aktives Verteidigungssystem für Panzer auf der Grundlage von Spulenkanonen wird derzeit am HIT in China entwickelt. ⓘ
Das Potenzial von Coilguns wurde über militärische Anwendungen hinaus erkannt. Gigantische Spulenkanonen mit einer Projektilmasse und -geschwindigkeit in der Größenordnung von Gigajoule kinetischer Energie (im Gegensatz zu Megajoule oder weniger) sind bisher noch nicht entwickelt worden, aber sie wurden als Abschussgeräte vom Mond oder von der Erde aus vorgeschlagen:
- Ein ehrgeiziger Vorschlag für eine Mondbasis, der in einer NASA-Studie aus dem Jahr 1975 erwogen wurde, hätte eine 4000-Tonnen-Spulenkanone vorgesehen, die 10 Millionen Tonnen Mondmaterial zur Unterstützung einer massiven Weltraumkolonisierung nach L5 befördert hätte (kumulativ über Jahre hinweg, unter Verwendung eines großen 9900-Tonnen-Kraftwerks).
- In einer NASA-Studie aus dem Jahr 1992 wurde errechnet, dass eine 330 Tonnen schwere supraleitende Quenchgun jährlich 4400 Geschosse mit einer Nutzlast von jeweils 1,5 Tonnen und meist flüssigem Sauerstoff abschießen könnte, wobei eine relativ geringe Leistung von durchschnittlich 350 kW benötigt würde.
- Nachdem die NASA Ames abgeschätzt hatte, wie die aerothermischen Anforderungen für Hitzeschilde bei einem Start von der Erdoberfläche erfüllt werden könnten, untersuchten die Sandia National Laboratories elektromagnetische Trägerraketen für den Orbit und erforschten weitere EML-Anwendungen, sowohl Railguns als auch Coilguns. Im Jahr 1990 wurde eine kilometerlange Spulenkanone für den Start von Kleinsatelliten vorgeschlagen.
- Spätere Untersuchungen bei Sandia umfassten eine 2005 durchgeführte Studie des StarTram-Konzepts für eine extrem lange Spulenkanone, eine Version, die Passagiere mit überlebensfähiger Beschleunigung in die Umlaufbahn befördern sollte.
- Ein Massentreiber ist im Wesentlichen eine Spulenkanone, die ein Paket magnetisch beschleunigt, das aus einem magnetisierbaren Halter mit einer Nutzlast besteht. Sobald die Nutzlast beschleunigt wurde, werden die beiden Teile getrennt, der Halter wird abgebremst und für eine andere Nutzlast wiederverwendet. ⓘ
Anwendungen
Eine Vielzahl von privaten Projekten, Schulprojekten und Demonstrationsgeräten befasst sich mit den Varianten des Prinzips. ⓘ
Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Rüstungsunternehmen befassen sich neben der verwandten Railgun auch mit den Prinzipien von Gaußgewehren. Als Waffe ist das Gaußgewehr jedoch nie über das Versuchsstadium hinausgekommen. ⓘ
Ein ähnliches Konzept nur mit Linearmotor siehe: elektromagnetisches Katapult ⓘ
Funktionsweise
Das Gaußgewehr beschleunigt Wuchtgeschosse, deren Wirkung sich im Ziel nur durch ihre kinetische Energie entfaltet. Prinzipiell existieren zwei grundlegend verschiedene Verfahren, ein Projektil mit einer Anordnung von Spulen zu beschleunigen: ⓘ
Induktive Gaußkanone
Dieser Typ verwendet nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Projektile (meist aus Kupfer oder Aluminium). Bei diesem Typ wird ein sehr starkes und sich schnell änderndes Magnetfeld in den Spulen erzeugt. Dieses bewirkt durch Wirbelstrom bzw. die durch dessen Magnetfeld hervorgerufene Feldverdrängung eine abstoßende Kraft auf das Projektil und beschleunigt es von der Spule weg (auch als Thomson-Effekt bezeichnet). Auch hier lässt sich das Magnetfeld vorteilhaft mit einem Kondensator erzeugen, der in eine Spule entladen wird – es entsteht eine gedämpfte Schwingung. Die Spannung des Kondensators ist typischerweise mehrere kV, damit die Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Spule hoch ist und starke Wirbelströme entstehen. Der Stromimpuls ist bei dieser Methode meist kürzer als beim ferromagnetischen Modell. Der elektrische Impuls muss nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeschaltet werden, was die Konstruktion vereinfacht. Die Abwesenheit von Eisen lässt auch bei Magnetfeldern über dessen Sättigungsinduktion eine weitere Steigerung der Wirkung zu – die Maximalstärke wird im Wesentlichen nur durch die mechanische Festigkeit der Spule begrenzt. Die Geschosse haben meist Ringform, was sich vorteilhaft auf die induzierten Ströme auswirkt und einen Kompromiss zwischen möglichst geringem Luftwiderstand und großer Querschnittsfläche darstellt. ⓘ
Das Verfahren wird auch zur Material-Umformung angewendet, siehe Magnetumformung. ⓘ
Ein Spezialfall der induktiven Gaußkanone ist die von Andrei Dmitrijewitsch Sacharow im Jahre 1953 erfundene Plasma-Kanone. Ein Magnet-kumulativer Generator vom Typ 2 (MK-2), der auch als Flusskompressionsgenerator bezeichnet wird, erzeugt einen Magnetfeld-Puls von 2 Millionen Gauß oder 200 Tesla, der einen Strom von 100 Millionen Ampere induziert. Dadurch wird ein kleiner Aluminiumring durch die induzierten Wirbelströme zu einem auf 100 km/s beschleunigten Plasma-Torus verdampft. Durch das Magnetfeld des im Plasma-Torus fließenden Ringstromes wird das Plasma eingeschlossen und komprimiert (Pinch-Effekt). Im Vakuum behält der Plasma-Torus seine Geschwindigkeit bei. ⓘ
Als Wirbelstrombeschleuniger wird eine Anordnung bezeichnet, bei der eine flache Spule eine leitfähige Scheibe aus Aluminium (Sabot) beschleunigt. In der Mitte der Scheibe liegt ein Projektil (Stahlkugel), welches aufgrund der Impulsübertragung eine wesentlich größere Geschwindigkeit (nahezu Schallgeschwindigkeit) erhält als die Scheibe. ⓘ
Vorteile
Konventionelle, durch Treibladungen angetriebene Waffen sind in ihrer maximalen Mündungsgeschwindigkeit begrenzt. Die theoretisch maximal erreichbare Geschwindigkeit eines konventionell beschleunigten Geschosses ist gleich der Ausdehnungsgeschwindigkeit des beim Verbrennen der Treibladung entstehenden Treibgases. ⓘ
Ein Gaußgewehr kann dagegen theoretisch die für alle Projektilwaffen geltenden aerodynamischen Grenzen des Projektils erreichen. ⓘ
Denkbar ist es, die Flugbahn eines Geschosses durch ein Magnetfeld im Mündungsbereich wesentlich feiner auszurichten, als das durch Richten und Traversieren eines traditionellen Laufes möglich ist. So sind schnelle Schussfolgen möglich, bei denen die Flugbahn des vorhergehenden Geschosses ausgewertet wird und das nächste Geschoss im Feinstbereich nachgeführt wird. ⓘ
Tatsächlich ist die mit beiden Methoden erreichbare Austrittsgeschwindigkeit enorm hoch (mehrere km/s) – entsprechend groß ist die kinetische Energie des Projektils und die daraus resultierende Penetrationsleistung. ⓘ
Die Waffen wären vermutlich weitaus leiser als herkömmliche Feuerwaffen und erzeugten weniger die Stellung verratende Rauchschwaden. Da nur eine oder wenige Treibladungen gespeichert werden würden, entfallen die mit der Lagerung von Munition entstehenden Risiken weitgehend. ⓘ
Nachteile
Ein Gaußgewehr benötigt zum Betrieb sehr viel elektrische Energie. Bisher gibt es keine Möglichkeit, diese Energie kompakt und schnell abrufbar zu speichern. Auf Panzern und Kriegsschiffen kann ein Gaußgewehr zwar an deren Stromversorgung angeschlossen werden – jedoch ist ein zusätzlicher voluminöser Energiespeicher (meist Kondensatoren) erforderlich, der während einer kurzen Zeitspanne eine sehr hohe Momentanleistung (MW bis GW) liefern kann. ⓘ
Aufgrund der Funktionsweise von Gaußgewehren sind die Entwürfe nur schwer umzusetzen. Neben den Problemen, die auch bei anderen magnetischen Waffen auftreten (Gewicht, Stromversorgung etc.), gibt es hier weitere Komplikationen:
- Mit Gaußgewehren lassen sich zwar hohe Geschwindigkeiten erreichen – die Energie steigt im Quadrat zur Geschwindigkeit –, der Luftwiderstand nimmt jedoch ebenso quadratisch zu. Das kann bis zur thermischen Zerstörung des Geschosses führen, das bereits beim Abschuss stark erhitzt wird.
- Bei den derzeit geringen realisierten Wirkungsgraden werden enorme Wärmemengen in der Waffe selbst frei.
- Bei den sogenannten Multistage Coilguns wird der Beitrag der vorderen Spulen wegen steigender Geschwindigkeit des Geschosses immer geringer, da die Wirk- bzw. Einschaltzeit sinkt. ⓘ