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Fachreferat
Der elektrokinetische Antrieb
(Biefeld-Brown-Effekt und Thownsend-Brown-Effekt)
Aufbau, Funktionsweise (Theorien) und Anwendung
Im Fach Technologie
Klasse 12TB
16.05.2003
Autor: Johannes Walk
Handout zum Fachreferat: (Konvertiert zu HTML)
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Inhalt/Gliederung des Handouts:
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I. Geschichtliches zum elektrokinetischen Antrieb:
- 1923 entdecken Dr. Thomas Thownsend Brown und Prof. Alfred Biefeld das Phänomen an der Denison University in Granville, Ohio.
- Der Effekt wurde als leichte Auslenkung eines mit Hochspannung geladenen Kondensators sichtbar.
- Weiterführende Experimente Browns' mit Röntgenröhren bestätigten diese Entdeckung.
- 1952 arbeitet T. Brown an einer technischen Realisierung des B.B.-Effekts - Der "Gravitor".
- Nach mehreren Verbesserungen konnte das Gerät mehr als sein eigenes Gewicht heben.
- 1953
gelang es Brown, eine seiner "Luftfolien" in einer Laboranlage auf einen Rundkurs von ca. 6m Durchmesser auf fast 185km/h zu beschleunigen.
- Trotz mehrerer Patente und Vorführungen Browns' u.a. auch bei der NASA blieb der Erfolg eher bescheiden.
- Thomas Thownsend Brown verstarb am 22. Oktober 1985 in Avalon, Catalina Island, in Kalifornien.
- Mitte-Ende 2000: Wiederentdeckung des BB-Effekts und mehrere Versuche bei der NASA, sowie Nachweis der Wirkung im Vakuum (Purdue University - Energy Conversion Lab)
- Mehrere Patente der NASA
- Juni 2001: Erste dreiecksförmige Lifter-Aufbauten (Transdimensional Technologies).
- Oktober 2001 gab es erste Replikationen der Lifterzellen von verschiedenen Personen (z.B. http://jnaudin.free.fr )
- 2001/2002 patentiert die NASA ihr "Asymetrical Capacitor Thruster", und den "Orbital Maneuvering Propellantless Thruster".
- März 2002: Erste NASA Orbitalmanövrier-Triebwerksnachbauten.
- Ende 2002: Schon mehr als 100 Lifter-Replikationen weltweit.
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II. Die Grundprinzipien des elektrokinetischen Antriebs:
II.1 Der Biefeld-Brown-Effekt:
- Tritt bei einem (symmetrischen) Plattenkondensator auf, der mit einer hohen Gleichspannung geladen wurde (ca. 30-50kV)
- Der Effekt selber äußert sich in einer sehr schwachen dem Pluspol zugewandten
Beschleunigung der Konstruktion.
- Ergebnisse von Versuchsreihen beschreiben folgende Abhängigkeiten der BB-Kraft:
o Je größer die Spannung, desto stärker der Effekt (exponentiell)
o Je größer die Dielektrizitätskonstante, desto stärker der Effekt (etwa proportional)
o Die Geometrie des Kondensators
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- Der BB-Effekt ist im Vakuum nachweisbar (Keine Ionenwinde).
- Auf was genau der Biefeld-Brown-Effekt basiert ist noch nicht bekannt.
- Als theoretischer Ansatz zur Beschreibung des
Effekts dient die kinetische Subquanten-Theorie (Paul LaViolette). Diese besagt, dass der Kondensator in seiner Umgebung ein eigenes Gravitationsfeld aufbaut.
- Die Größenordnung der Kraft ist gering, aber nachweisbar.
Da über den Biefeld-Brown-Effekt sehr wenig Material vorhanden ist, werde ich diesen Bereich im folgenden vernachlässigen.
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II.2 Der Thomas-Thownsend-Brown-Effekt:
- Der T.T.Brown-Effekt tritt bei asymmetrischen Kondensatorkonstruktionen auf, die mit hoher Gleich- und Wechselspannung betrieben werden, und sich in einem Medium (Gas, Öl etc) befinden.
- Der Effekt äußert sich in einer Beschleunigung der Konstruktion in Richtung der ‚dünneren' Elektrode.
- Ein Großteil des Effekts ist mit der Koronaentladung und der Ionenwind-Theorie begründbar.
(Luftmoleküle werden ionisiert und in Richtung der entgegengesetzt geladenen Feldplatte beschleunigt => Rückstoßeffekt)
- Weiterer Bestandteil ist der BB-Effekt, was ein funktionieren im Vakuum ermöglicht.
- Ergebnisse von Versuchsreihen beschreiben folgende Abhängigkeiten der T.T.Brown-Kraft:
o Je größer die Spannung, desto stärker der Effekt (expotentiell)
o Je größer die Dielektrizitätskonstante, desto stärker der Effekt (etwa proportional)
o Je größer der Druck, desto stärker der Effekt
o Die Polarität der Gleichspannung
o Die Frequenz bei Wechselspannung
o Das Material der Elektroden (wohl auch die Oberflächenbeschaffenheit)
o Die Dichte des Mediums (Dielektrizitätskonstante)
o Die Geometrie des Kondensators
- Der erzeugte Vortrieb ist groß genug, um theoretisch das vielfache des Triebwerkeigengewichts zu heben.
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III. Der elektrokinetischen Antrieb (unter Ausnutzung des T.T.Brown-Effekts)
Wie schon erwähnt, erzeugt ein geladener unsymmetrischer Kondensator eine Kraft. Diese Kraft wirkt allgemein in die Richtung der Elektrode mit dem kleineren Querschnitt. Wie das ganze genau aussieht, wird nun im
Folgenden beschrieben:
III.1 Anwendung des T.T.Brown-Effekts in einer einfachen Antriebseinheit:
Nach mehreren Jahren Entwicklung schaffte es Dr. Brown die von ihm entdeckten Grundlagen soweit weiterzuentwickeln, dass zu der noch schwachen Beschleunigung des Kondensators noch zusätzliche Effekte wie die der
‘Ionenwinde’ (Rückstoßeffekt beschleunigter ionisierter Luftmoleküle) kamen. Mit am stärksten war der Antrieb bei folgender Konstruktion, die er später dann patentieren ließ:
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Prinzipieller Aufbau einer Antriebseinheit (aus T.T.Browns' US-Patent 2,949,550)
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Fig. 01
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Fig. 02
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Wie unschwer zu erkennen ist, besteht dieses Triebwerk hauptsächlich aus einer Metallplatte (20) zu der über Isolatoren (22) ein dünner Draht (21) parallel gespannt wurde. Sobald an die Konstruktion
eine Hochspannung (24, 25, 26) gelegt wird, übt diese eine Kraft in Richtung des Drahtes aus.
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III.2 Erklärung des Antriebes:
Erste Versuche diverser Experimentatoren ergaben, dass - im Gegensatz zum idealen Kondensator - die Metallplatte scheinbar eine größere Kraft in Richtung des Drahtes ausübt, als dieser zur
Metallplatte. Diese Tatsache kann man als Triebwerk ausnutzen, indem Draht und Metallplatte mechanisch miteinander verbunden werden, so wie es oben der Fall ist.
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Somit ‚schiebt' die Metallplatte ihren Draht vor sich her. Desweiteren wurde festgestellt, dass bei dieser Konstruktion eine Luftströmung entsteht, was als Ursache dieses
Kräfteungleichgewichts angesehen wird und mit der Ionenwind-Theorie begründet wurde. (Ionenwind-Theorie: Hier werden Luftmoleküle, die sich in der Nähe des Korona-Drahtes befinden, ionisiert, und zur
entgegengesetzt geladenen Feldplatte beschleunigt =>Rückstoßprinzip)
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Doch schon schnell fand man durch Isolierung des Drahtes heraus, dass es nicht nur Ionenwinde sein können, die für ein Vortrieb sorgen. Also wurden weitere Erklärungsversuche gemacht. Man fand dann
schließlich einen Effekt, der sogenannte Koronaeffekt (=> VI.1), welcher eine Massenionisierung auch entferntere Atome/Moleküle ermöglicht und somit einerseits einen starken Ionenwind erzeugt und andererseits
entferntere Objekte elektrostatisch auflädt und sich von diesen abstößt. Allerdings konnte man mit diesen Theorien bis jetzt noch nicht 100%ig den Antriebs-Effekt erklären. Fakt ist jedoch, dass der Grad der
Ionisierung vom Durchmesser des sog. Koronadrahtes (=> VI.2) abhängt. Um so dünner dieser ist, desto größer ist seine Wirkung. (el. Feldstärke auf der Oberfläche des Drahtes!) Der Draht wirkt also als
Emmitter (=> VI.3), der je nach Polarität Atome ionisiert und diese dann abstößt. Diese nun hauptsächlich beweglichen Ladungsträger (Ionisierte Luft) werden nun von dem anders geladenen Teil des Triebwerkes,
also die Metallplatte, angezogen, und dort im Vorbeiflug elektrisch neutralisiert. (Fig. 1) Für eine optimale Nutzung des Effekts ist aber zu beachten, dass die Metallplatte (der Kollektor => VI.4) möglichst
abgerundet ist, und keinerlei Spitzen und scharfen Kanten haben sollte.
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Diese Tatsache wurde von mehreren voneinander unabhängigen Erbauern festgestellt, und kann mit der el. Feldstärke an der Materialoberfläche begründet werden. (Somit wird verhindert, dass der
Kollektor seinerseits als Emmitter wirkt bzw. Atome/Moleküle ionisiert => Sprühentladungen) Nach neuesten Erkenntnissen existieren noch weitere Effekte wie z.B. EM-Wellen- bzw. Strahlungseffekte, die
zu einem Vortrieb beitragen, doch sind diese noch nicht vollständig geklärt, und deswegen hier nicht weiter erläutert.
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Bei diesem Grundaufbau sind folgende Faktoren optimierbar: Die Breite des Aufbaus, der Abstand Draht-Platte, die Länge und Form der Platte, die Anzahl, Anordnung
und Dicke der Koronadrähte, die Materialien (angeblich ist der Effekt materialabhängig) und die Betriebsspannung (Höhe, Art, Frequenz). Zu letzterem wird als nächstes Stellung bezogen:
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III.3 Die Stromversorgung:
Zur Stromversorgung dieser Konstruktion ist eine Hochspannung notwendig. Denn erst bei einem großen Potentialunterschied entstehen in Verbindung mit sehr dünnen Drähten (Koronadraht, siehe VI.2)
sehr hohe el. Feldstärken/-dichten. Diese sind dann für die Ionisation der Umgebung verantwortlich. Wichtig dabei ist die Höhe der Spannung, denn die Intensität des Effekts nimmt nahezu quadratisch mit der
Spannung zu.
Die Spannungsart selber spielt dabei eine weniger wichtige Rolle. Die meisten glauben nämlich, das dieses Prinzip nur bei Gleichspannung mit einer bestimmten Polung funktioniert. Doch genau dies
stimmt nicht. Wie auch schon am Anfang erwähnt, ist der T.T.Brown-Effekt sowohl bei einer AC als auch bei einer DC-Stromversorgung vorhanden. Allerdings ist die Wirkung nicht unabhängig. Am stärksten ist der
Effekt bei Gleichspannung, wobei der Koronadraht auf das positive Potential zu legen ist. Dies lässt sich einfach damit begründen, dass einem Luftmolekül leichter ein Elektron zu entreißen ist, als eines
zuzugeben. Bei einem negativem Koronadraht ist der Effekt somit nicht mehr ganz so stark ausgeprägt. Bei Wechselspannung sieht das schon anders aus: Hier ist trotz der Umkehrbarkeit der Polarität auf die
richtige Frequenz zu achten. Ist diese zu niedrig, sind Leistungseinbußen vorhanden. Ist diese zu hoch, so kann es passieren, dass sich die unterschiedlich geladenen Ionen auf ihrem Weg zwischen den Elektroden
gegenseitig neutralisieren. (Nützlich wäre der Betrieb an Wechselspannung, wenn das Luftschiff mit einem Resonanztransformator, der genau auf die Kapazität und der max. Frequenz des Luftschiffes ausgelegt ist,
versorgt werden würde.)
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III.4 Darauf aufbauende Konstruktionen (Der Lifter):
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(Bild 1) Hier eine einfache Konstruktion: eine dreieckige Lifterzelle. Sie besteht im Wesentlichen aus drei der vorherig gezeigten Elementen, und hat ein Gewicht (Je nach Bauart) bis zu 7g.
Der Emmitter ist als Konstantandraht ausgeführt, der Kollektor mit einer Alufolie geformt. Das Trägergerüst besteht im Wesentlichen aus dünnem verlötetem kupferkaschiertem 0,5mm Glasfasermaterial, als
Drahthalter wurden Sprühröhrchen verwendet. Bei einer Betriebsspannung von ca. 30kV und einem Drahtabstand von ca. 4-5cm zur Alufolie ist das Dreieck in der Lage, eine stabile Flughöhe zu erreichen.
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Das sich Lifterzellen beliebig kombinieren und anreihen lassen, kann man an den Lifter-Bildern (2, 3, 4) von Jean-Louis Naudin sehen. (http://jnaudin.free.fr)
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IV. Weitere konstruktive Möglichkeiten zur Nutzung des Antriebseffekts
Der Lifter war nur eine von vielen konstruktiven Möglichkeiten um den T.T.Brown-Effekt zu nutzen.
Weitere Möglichkeiten könnten z.B. so aussehen:
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Wie man sieht, gibt es sehr viele Variationen, was das Triebwerk angeht...
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V. Der elektrokinetische Antrieb in der Praxis
Da das Phänomen erst vor kurzem wiederentdeckt wurde, ist es nicht verwunderlich, dass Seitens der Experimentatoren noch keine für den Alltag brauchbaren Flugaggregate gebaut wurden. Mit die
einzigen (unbestätigten) Versuche, diese Triebwerksform anzuwenden, machte schon seit Jahren die NASA. Nicht nur mit der Konstruktion zur Rotation und Ausrichtung von Satelliten in ihrer Umlaufbahn wurden
Experimente gemacht, sondern auch mit Triebwerksboostern (die heißen und unter hohem Druck stehenden Abgase eines Düsentriebwerkes werden mit einer Ionisationsvorrichtung nochmals nachbeschleunigt), reinen
Ionentriebwerken (hier werden Materialien wie Blei etc. verdampft und Ionisiert) oder gar mit komplett auf der elektrokinetischen Ebene fungierenden Flugzeugen.
Wenn man das Phänomen des “asymmetrischen
Kondensatortriebwerks” näher betrachtet, so ist die Entwicklung noch lange nicht am Ende angelangt. Wenn man manchen Theorien glauben kann, so hat das Prinzip des elektrokinetischen Antriebs - wenn der Aufbau
weiter optimiert wird - eine größere Effizienz als die eines Hubschraubers, und dieser kann bekanntlich auch einiges heben. Und als Bonus obendrauf: Das Triebwerk ist nahezu lautlos...
Doch wie auch in
anderen Bereichen hat auch diese Antriebstechnik ihre Tücken. Eine der fatalsten Auswirkungen liegt zweifelsfrei in der Ionisation der Luft. Das Hauptproblem liegt nun nicht in der Giftstoffbelastung (Ozon),
sondern ist im Bereich der Tragfähigkeit der Luft zu suchen. So ist ionisierte Luft nicht mehr so tragfähig wie normale, was den Effekt hat, dass bei einem konventionellem Fluggerät, welches sich in solch einem
ionisierten ‚Luftloch' befindet, der wichtige Auftrieb stark verringert wird. Die NASA stellte dies u.a. bei Testflügen mit ionenbasierenden Triebwerken fest - so waren konventionelle Flugzeuge, die diesen
"Ionenstreifen" durchflogen, starke Turbulenzen ausgesetzt. Allerdings können duch konstruktive Maßnahmen solche Nebeneffekte verringert werden, indem mit Hilfe von Feldlinienberechnungsprogrammen und
mehreren Versuchsreihen eine optimale Form des Triebwerks und Anordnung der Elektroden herausgefunden wird. Als weiterer Nachteil der elektrokinetischen Antriebstechnik ist die elektrostatische Aufladung der
umliegenden Objekte zu nennen. Dieser Effekt ist besonders gefährlich für elektronische Bauteile.
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VI. Erklärung verwendeter Fachbegriffe:
VI.1 Der Koronaeffekt (Koronaentladungen):
Vergleichbar mit einem Mückenschwarm fliegen die Teilchen eines Gases durch den Raum. Dabei "drängen" sich ungefähr 1e18 Moleküle oder Atome innerhalb eines Kubikzentimeters. Ständige
Stöße untereinander sind somit unvermeidbar. Jeder Zusammenprall bewirkt einen Impulsaustausch zwischen den beiden Stoßpartnern (elastischer Stoß); ihre Flugrichtungen ändern sich ununterbrochen.
"Zickzack"-Flugbahnen sind die Folge. Nicht alle Teilchen eines Gases sind neutral. Einige unter ihnen haben ihre Neutralität durch den Einfluß von kosmischer Strahlung oder Licht verloren und driften
als Ladungsträger durch den Raum. In Luft beispielsweise rechnet man mit etwa 2000 Ladungsträgerpaaren pro Kubikzentimeter. Trotz ihrer Ladung verhalten sie sich wie die Neutralteilchen, unterliegen also
ständigen Stößen.
Sobald das Gas unter dem Einfluß eines (starken) elektrischen Feldes steht, werden diese Initialladungen beschleunigt. Mit der daraus resultierenden Zunahme der kinetischen Energie geht gleichzeitig
der elastische Charakter der Stöße zwischen Atomen und Ladungsträgern verloren. Heftige strukturverändernde Stöße treten an deren Stelle. Einem ursprünglich neutralen Atom wird in dessen Folge durch den
Zusammenprall mit einem Elektron ein solches herausgeschlagen (Ionisierungsstoß).
Eine lawinenartige Vermehrung der Ladungsträger setzt ein (Zündung). Ihrer Elektronen beraubt, geraten die ionisierten Atome aufgrund ihrer positiven Ladung ebenfalls in den Einfluß des elektrischen
Feldes. Ihre fast unveränderte Masse hindert die Ionen jedoch es den Elektronen gleichzutun und ihrerseits ein Atom zu ionisieren. Beim Zusammenprall mit den Neutralteilchen können die Ionen wegen der
praktischen Massengleichheit den Impulsaustausch und die Energieabgabe an den Stoßpartner nicht verhindern. Der Vorgang bleibt demnach weiterhin elastisch.
Doch auch nicht jeder Stoß eines Elektrons mit einem Atom bewirkt eine Ionisierung des Neutralteilchens. Zum Teil, wenn die kinetische Energie des Elektrons zu gering ist, erfolgt ausschließlich
eine Anhebung eines Außenelektrons in ein höheres Energieniveau (Anregungsstoß). Die Verweildauer auf einem solchen Zustand beträgt allerdings nur ungefähr 10 ns. Prallt kein weiteres Elektron innerhalb dieses
Zeitraumes gegen das angeregte Atom und entreißt ihm das Außenelektron vollständig, so fällt dieses wieder in den Grundzustand zurück. Dabei gibt es die überschüssige Energie als Lichtquant ab. Blitze und andere
Leuchterscheinungen werden sichtbar.
VI.2 Der Koronadraht:
Als Koronadraht ist ein Draht definiert, der durch seinen sehr geringen Querschnitt und die an ihm angelegte Hochspannung den Koronaeffekt nutzbar macht. Der geringe Querschnitt ist dabei für eine
hohe el. Feldstärke auf der Drahtoberfläche nötig. Koronadrähte werden im Allgemeinen in Laserdruckern verwendet, um das Papier und die Bildtrommel elektrostatisch vorzuladen, was für den Druckablauf notwendig
ist. Als Koronadraht kann prinzipiell jedes Drahtmaterial verwendet werden, welches einen sehr geringen Querschnitt aufweist.
VI.3 Der Emmitter:
Als Emmitter ist jenes Teil der Antriebskonstruktion definiert, welches Ionen etc. emmittiert (absondert).
VI.4 Der Kollektor:
Als Kollektor ist jenes Teil der Antriebskonstruktion definiert, welches die Ionen etc. wieder ‚einsammelt' bzw. neutralisiert.
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VII.Quellenangaben
VII.1 Patente zum Thema:
- A Method of and an Apparatus or Machine for Producing Force or Motion
US Patent No. 300,311, 15. November 1928 (T.T.Brown)
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- Electrostatic Motor
US Patent No. 1,974,483, 25. September 1934 (T.T.Brown)
- Electrokinetic Apparatus
US Patent No. 2,949,550, 16. August 1960 (T.T.Brown)
- Electrokinetic Generator
US Patent No. 3,022,430, 20. Februar 1962 (T.T.Brown)
- Electrokinetic Apparatus
US Patent No. 3,187,206, 1. Juni 1965 (T.T.Brown)
- Method and Apparatus for Producing Ions and Electrically-Charged Aerosols
US Patent No. 3,296,491, 3. Januar 1967 (T.T.Brown)
- Fluid Flow Control System
US Patent No. 3,518,462, 30 Juni 1970 (T.T.Brown)
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- Asymmetrical Capacitor Thruster (ACT)
US Patent No. 6,317,310, November 2001 (NASA)
- Apparatus for generating thrust using a two dimensional, asymmetrical capacitor module
US2002012221, 10. März 2002 (NASA)
- US6411493, 25. Juni 2002
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VII.2 Internetseiten zum Thema:
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VIII. Sonstiges:
- Die im Referat verwendeten ‘fremden’ Bildmaterialien stammen aus Quellen, die einer nichtkommerzielle Nutzung des Materials zustimmen.
- Die Rechte der aufgeführten Patentauszüge gehören deren jeweiligen Patentinhaber.
- Dieses Referat sowie dessen Bilder und Versuchsaufbauten (Referat-Fotos, Lifter, Hochspannungsnetzteile) und deren Beschreibung können demnächst auch auf meiner Homepage www.walktronics.de eingesehen werden.
(ja, das ist das hier ;)
- Die Rechtliche Absicherung: Siehe IMPRESSUM
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