Elektrodynamische Seile

Mahlzeit!

   Es gab in der Vergangenheit Experimente im Erdorbit elektrische Energie aus dem Erdmagnetfeld zu gewinnen. Natürlich sind das nur Experimente um zu zeigen daß es prinzipiell funktioniert und um festzustellen wie stark dieser Effekt ist. Wirklich nutzen kann man diese Art der Energieversorgung für einen Satelliten natürlich nicht, denn es wird ja nur die kinetische Energie des Satelliten in elektrische Energie umgewandelt (elektromagnetische Induktion). Es handelt sich also um einen elektrischen Generator und der  Satellit wird deshalb abgebremst und stürzt ab. Das Gegenstück zum elektrischen Generator ist bekanntlich der elektrische Motor. Hierbei wird elektrische Energie in kinetische umgewandelt. Nun könnte man meiner Meinung nach dieses Prinzip für den Antrieb eines Satelliten nutzen:
   Solarzellen wandeln das Sonnenlicht in elektrische Energie um und diese erzeugt in einer oder mehreren Spulen ein Magnetfeld. Hat dieses Magnetfeld die richtige Richtung treibt es im Zusammenspiel mit dem Erdmagnetfeld den Satelliten an. Die richtige Ausrichtung der Spulen ist ein rein technisches Problem (Messinstrumente, Bordrechner, Aktuatoren usw.). Benutzt man die "falsche" Richtung wirken sie als Bremse und bringen z. B. einen nicht mehr benötigten Satelliten zum Absturz.
   Wie stark man diesen Antrieb bauen kann weiß ich nicht und ist natürlich auch von der Leistungsfähigkeit der Solarzellen abhängig. Aber es würde ja bereits genügen dafür zu sorgen daß z. B. die ISS kontinuierlich leicht beschleunigt wird und somit auf ihrer Orbithöhe bleibt. Auch für Satelliten im geostationären Orbit wäre ein solcher Antrieb für leichte Korrekturmanöver interessant. Immerhin ist der größte Vorteil dieses Antriebs, daß er ohne mitgeführte Masse (Treibstoff) für das sonst in der Raketentechnik notwendige Rückstoßprinzip auskommt. Die Einsatzzeit solcher Satelliten könnte also deutlich über die sonst üblichen 15 Jahre hinaus verlängert werden. Allerdings weiß ich nicht ob sich das Erdmagnetfeld genauso bewegt wie die Erde selbst. Wenn ja ist dieser Einsatzbereich natürlich hinfällig.
   Natürlich muss vor einem solchen Einsatz noch einiges bedacht, berechnet, konstruiert, experimentiert usw. werden. Aber dafür gibt es ja Wissenschaftler.
   Allerdings frage ich mich gerade wieso es einen solchen Antrieb noch nicht gibt. Was habe ich übersehen? Wo mache ich einen Denkfehler?


   Gruß
   Peter

Hallo Peter,

in Satelliten gibt es bereits Magnetfeldspulen für Lagemanöver. Diese wirken im allgemeinen aber schwach/langsam und reichen nicht allein. Damit kann man langfristig stabiliseren oder aber auch Drallräder wieder entladen.

Und:

Allerdings weiß ich nicht ob sich das Erdmagnetfeld genauso bewegt wie die Erde selbst. Wenn ja ist dieser Einsatzbereich natürlich hinfällig.

Der Gedanke passt nicht ganz. Die Wirkung der Spulen basiert ja nicht auf der Relativbewegung zum Erd-Magnetfeld, sondern auf der Wechselwirkung ihres eigenen Magnetfelds mit dem Erdmagnetfeld.

Und den anderen Ansatz für echte Orbitmanöver gab es auch schon: elektrodynamisches Seile im Orbit.

U.a. mit dem Shuttle wurde das versucht, in die Richtung eines Generators (Induktion). Es geht auch umgekehrt als Motor (Lorentzkraft). Bei STS-75 ist das Kabel nach 19 km gerissen, sollte ursprünglich auf 20+km abgerollt werden. Bei STS-46 hat das Abrollen nur für ein paar Meter funktioniert und wurde abgebrochen.




Tja, nix mehr mit Patent .

Satelliten und die ISS im LEO fliegen ja die halbe Zeit im Erdschatten und müssen die Energie für die "Nacht" in Batterien speichern.

Da das Prinzip offenbar in beiden Richtungen, Antrieb und Stromerzeugung, funktioniert, könnte man doch die in der Dunkelphase benötigte Energie statt in Batterien in Lageenergie speichern. Der Wirkungsgrad könnte gut sein.

Gruß

Führerschein

Die Frage wäre da: welche Leistung hat so ein "Kabel". Ich müsste mal Formeln wälzen, bezweifel aber, dass man ausreichend schnell die Energie umschichten und dann wieder abrufen kann, die bei einem Raumschiff der ISS-Klasse "anfällt".

Das ist sicherlich eine Interessante Idee, nur glaube ich das in nächster Zeit wenig Interesse an sowas besteht.

Es gibt bereits seit Jahren elektrische Ionen-Antriebe die verfügbar / erprobt und recht effizient sind.
Solange man nur wenig Schub braucht (Lageregelung / Bahnerhalt) und genug Strom hat (Bei entsprechend dimensionierten Solarzellen machbar) halte ich das für eine recht gute Alternative.

Man könnte durch den hohen spezifischen Impuls und die damit effektivere Ausnutzung des Treibstoffes sicher die Einsatzzeit von Satelliten erhöhen.

Nur haben die Satellitenbetreiber trotzdem wenig Interesse daran.
Lieber startet man seine Satelliten mit noch mehr chemischem Treibstoff oder denkt sogar über Konzepte nach Satelliten im GEO aufzutanken (der Name der Firma fällt mir gerade nicht mehr ein).

Wie soll man die Frage in der Themaüberschrift verstehen?

Ist mit rein elektrischer Antrieb gemeint, dass wirklich bis auf Elektrischen Strom nichts benötigt wird? Wenn die Frage so gemeint ist, kann ja wirklich nur das Erdmagnetfeld als Leistungsquelle dienen, da alle weiteren elektrisch angetriebenen Triebwerke "Stützmasse" brauchen.

kann ja wirklich nur das Erdmagnetfeld als Leistungsquelle dienen, da alle weiteren elektrisch angetriebenen Triebwerke "Stützmasse" brauchen.

Ich würde es eher so verstehen, dass das Erdmagnetfeld die "Stützmasse" sein soll

Ganz grundsätzlich finde ich den Gedanken nicht abwegig, vielleicht wäre das nochmal eine Innovation =)

wodurch man wiederum zu dem Schluss kommt: Ein rein elektrischer Antrieb ist nicht möglich, man benötigt immer etwas, das Impuls erzeugt. Entweder durch Abstoßen von Masse oder durch Abstoßen an einem Feld.

Ich würde es eher so verstehen, dass das Erdmagnetfeld die "Stützmasse" sein soll

Naja, als Stütz'masse' würd ich es nicht beschreiben, eher etwas, das man von sich wegstoßt um Impuls zu erzeugen (=Treibstoff )
Andererseits, e=mc^2, daher hat auch ein energetisches Feld eine 'Masse'... ?

wodurch man wiederum zu dem Schluss kommt: Ein rein elektrischer Antrieb ist nicht möglich, man benötigt immer etwas, das Impuls erzeugt. Entweder durch Abstoßen von Masse oder durch Abstoßen an einem Feld.

Man kann Elektronen rausschießen, deine These ist wiederlegt

Dir ist sicher das Photonenantriebs-Konzept bekannt... Ein Atomelement glüht, und beim Glühen sendet es Photonen mit Lichtgeschwindigkeit aus (sehr effektiv, aber praktisch kein Schub dahinter). Das selbe kann man auch mit Strom, nur zahlt es sich nicht aus...

Mahlzeit!


Bin wieder von der Arbeit zurück und dachte eigentlich, daß ich mich klar ausgedrückt hätte. Aber so wie es aussieht muss ich wohl doch noch einiges konkreter erläutern. Deshalb folgen nun etliche (gekürzte) Zitate:

... in Satelliten gibt es bereits Magnetfeldspulen für Lagemanöver. Diese wirken im allgemeinen aber schwach/langsam und reichen nicht allein. Damit kann man langfristig stabiliseren oder aber auch Drallräder wieder entladen. ...

Das wusste ich bisher nicht. Handelte es sich hierbei um elektrische Generatoren oder Motoren?

Zitat

Allerdings weiß ich nicht ob sich das Erdmagnetfeld genauso bewegt wie die Erde selbst. Wenn ja ist dieser Einsatzbereich natürlich hinfällig.

Der Gedanke passt nicht ganz. Die Wirkung der Spulen basiert ja nicht auf der Relativbewegung zum Erd-Magnetfeld, sondern auf der Wechselwirkung ihres eigenen Magnetfelds mit dem Erdmagnetfeld.

Das bezog sich auf Satelliten im geostationären Orbit und diese bewegen sich ja genau wie die Erde (manche ein bisschen abweichend in Form einer 8 ). Mir ist aber im Verlaufe des Tages eingefallen, daß das Magnetfeld der Erde durch den Sonnenwind mächtig-gewaltig deformiert wird und somit auch diese Satelliten in den Genuss eines sich ständig ändernden Magnetfeldes kommen. Allerdings sind diese Satelliten wiederum sehr weit von der Erde entfernt. Ob da das Erdmagnetfeld noch nutzbar ist weiß ich nicht.

Und den anderen Ansatz für echte Orbitmanöver gab es auch schon: elektrodynamisches Seile im Orbit.

U.a. mit dem Shuttle wurde das versucht, in die Richtung eines Generators (Induktion). ...

Genau sowas meinte ich in meinem ersten Satz.

... Es geht auch umgekehrt als Motor (Lorentzkraft). ...

Und GENAU DARUM geht es mir hier. Um einen simplen Elektromotor. Allerdings nicht mit einem langen geraden Draht sondern deutlich effektiver mit Spulen. Wie bei der Modelleisenbahn (nicht Märklin) mit Permanentfeldgleichstrommotoren. Allerdings mit deutlich geringerer Drehzahl (weniger als eine Umdrehung pro Stunde).

... Tja, nix mehr mit Patent .

Elektromotoren gibt's doch schon lange.

... Da das Prinzip offenbar in beiden Richtungen, Antrieb und Stromerzeugung, funktioniert, könnte man doch die in der Dunkelphase benötigte Energie statt in Batterien in Lageenergie speichern. ...

Keine schlechte Idee. Muss man natürlich von Fall zu Fall auf Machbarkeit prüfen.

... Es gibt bereits seit Jahren elektrische Ionen-Antriebe die verfügbar / erprobt und recht effizient sind. ...

Ja schon, aber sie benötigen Masse, die sie wegschleudern können und die steht nicht endlos zur Verfügung. Ich sehe meine Idee auch nicht als Ersatz für andere Antriebe sondern als Ergänzung.

... Ist mit rein elektrischer Antrieb gemeint, dass wirklich bis auf Elektrischen Strom nichts benötigt wird? ...

Genau so isses.

... durch Abstoßen an einem Feld.

Ich gratuliere dir: Du hast zu 50% verstanden wie ein Elektromotor funktioniert. Hier die anderen 50%: durch Anziehung unterschiedlich gepolter Felder.

Nochmal gaaanz langsam:
Es geht um nichts besonderes. Es geht um einen simplen Elektromotor. Auf der einen Seite hat man ein permanent vorhandenes Magnetfeld (die Erde) und auf der anderen Seite einen oder mehrere stromdurchflossene Leiter (Spulen im oder am Satelliten). Daraus ergibt sich die schon von Daniel erwähnte Lorentzkraft.
Wie die Spulen aufgebaut, angeordnet, angesteuert usw. werden weiß ich nicht. Darüber müssen sich andere gscheitere Leute alswie ich ihren Kopf zerbrechen. Natürlich weiß ich ebensowenig wie stark so ein elektrischer Antrieb sein kann. Eventuell wollte man genau das mit den bisherigen Experimenten herausfinden.


Gruß
Peter

Zitat von: Schillrich am 15. Dezember 2011, 12:56:58

... in Satelliten gibt es bereits Magnetfeldspulen für Lagemanöver. Diese wirken im allgemeinen aber schwach/langsam und reichen nicht allein. Damit kann man langfristig stabiliseren oder aber auch Drallräder wieder entladen. ...

Das wusste ich bisher nicht. Handelte es sich hierbei um elektrische Generatoren oder Motoren?

Motoren. Die dienen ja der Lagesteuerung und drehen und wenden den Satelliten.

Es geht um nichts besonderes. Es geht um einen simplen Elektromotor. Auf der einen Seite hat man ein permanent vorhandenes Magnetfeld (die Erde) und auf der anderen Seite einen oder mehrere stromdurchflossene Leiter (Spulen im oder am Satelliten). Daraus ergibt sich die schon von Daniel erwähnte Lorentzkraft.

Danke dafür, das nochmal so klar zu sagen. Das habe ich erst gestern kapiert. Die Presseinfos zu dem schiefgegangenen Space Shuttle Versuch mit dem Kabel gab da ja gar nichts her, jedenfalls nicht so, daß ich es verstanden hätte.

Hallo Peter,

Um einen simplen Elektromotor. Allerdings nicht mit einem langen geraden Draht sondern deutlich effektiver mit Spulen. Wie bei der Modelleisenbahn (nicht Märklin) mit Permanentfeldgleichstrommotoren. Allerdings mit deutlich geringerer Drehzahl (weniger als eine Umdrehung pro Stunde).

Ich denke hier müssen wir genau trennen:

• Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ihr Magnetfeld, ihr eigenes magnetisches Moment. Sie wird zum Magneten.
  Ihr Feld wechselwirkt magnetisch mit dem äußeren Feld der Erde. Die Spule wird versuchen ihr Feld parallel zum Erdfeld auszurichten, erfährt dabei ein Drehmoment und beginnt sich (und den Satelliten) in eine Richtung zu drehen.
• Die Lorentzkraft, die auf den Strom in der Spule wirkt, hat keinen resultierenden Effekt, also keinen antreibenden/bremsenden Effekt. Der Strom I fließt im Kreis: n-mal 360°. Damit dreht sich auch der lokale Krafvektor F der Lorentzfrakt aller Ladungen im Kreise. In der Summe heben sich diese Kraftkomponeten dann auf.
  Anschaulich: Teilstück a der Spule erzeugt und erfährte eine Lorentzkraft F(a). Das gegenüberliegende Teilstück a' erzeugt und erfährt die genau entgegengesetzte Kraft F(a') = -F(a)

In der Summe wirkt also keine Kraft, höchstens im kurzen Abschnitt der letzten Wicklung, falls die kein voller Kreis mehr ist.
Um Strom zu erzeugen oder sich anzutreiben, brauchen wir lange gerade Kabel im Magnetfeld der Erde, keine Wicklungen.

Mahlzeit!

... Um Strom zu erzeugen oder sich anzutreiben, brauchen wir lange gerade Kabel im Magnetfeld der Erde, keine Wicklungen.

Um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen benötigt man elektrische Leistung. Sie definiert sich aus Strom und Spannung. Damit Strom fließen kann benötigt man einen Stromkreis. Damit scheidet ein langes Kabel als Antriebsquelle aus.
Es gibt verschidene Arten von Elektromotoren. Weiß denn hier wirklich niemand wie sie funktionieren und welche Art für diesen Anwendungsfall am besten geeignet wäre?

Gruß
Peter

Der Stromkreis wird über die Ionosphäre geschlossen. Die beiden Shuttlemissionen zeigen, dass und wie es geht. Was ich oben geschrieben habe, gilt immer noch: keine Wicklung, sondern gerade Leiter. Die Kraftkomponenten heben sich hier sonst auf.

Bei genug hoher Spannung, kann da auch das interplanetare Medium (ein paar Atome Wasserstoff) den Strom leiten??

Vermutlich nicht...

Mahlzeit!


Ich zitiere mich mal selbst:

... Es gibt verschidene Arten von Elektromotoren. Weiß denn hier wirklich niemand wie sie funktionieren und welche Art für diesen Anwendungsfall am besten geeignet wäre? ...

Da hatte ich mal wieder eine viel zu große Klappe. Ich schrieb Anwendungsfall und meinte damit bekanntlich den Spezialfall für Raumfahrzeuge. Aber diese Raumfahrzeuge bewegen sich nicht alle gleich um die Erde. Einige bewegen sich polar, andere äquatorial um die Erde. Das wären dann schon wieder zwei Anwendungsfälle und dafür benötigt man zwei verschiedene Elektromotoren. Da sich viele Raumfahrzeuge bekanntlich nicht exakt an polar und äquatorial halten wäre für sie eine Kombination dieser Motoren nötig.

Zunächst habe ich mir Gedanken über die polare Umlaufbahn gemacht und bin der Meinung, daß dafür das Prinzip des einphasigen Synchronmotors geeignet wäre.
Angenommen ein Raumfahrzeug befindet sich zwischen Äquator und magnetischem Erdnordpol und ist auf dem Weg in Richtung magnetischem Erdnordpol. Dabei ist sein Elektromagnet so gepolt, daß sein Südpol in Richtung des magnetischen Erdnordpols und sein Nordpol in Richtung des magnetischen Erdsüdpols zeigt. Er wird also vom magnetischen Erdnordpol mehr als vom magnetischen Erdsüdpol angezogen und beschleunugt dadurch das Raumfahrzeug.
Hat das Raumfahrzeug den magnetischen Erdnordpol erreicht wird der Elektromagnet umgepolt und stößt sich somit vom magnetischen Erdnordpol ab. Gleichzeitig stößt er sich aber auch vom magnetischen Erdsüdpol ab. Da dieser aber sehr viel weiter vom Raumfahrzeug entfernt ist als der magnetische Erdnordpol ist die abstoßende Wirkung vom magnetischen Erdnordpol größer als die Abstoßung vom magnetischen Erdsüdpol und das Raumfahrzeug wird beschleunigt.
Hat das Raumfahrzeug den Äquator erreicht wird der Elektromagnet wieder umgepolt. Ab hier wiederholt sich nun der Vorgang wie auf dem Weg zum magnetischen Erdnordpol. Allerdings mit umgekehrter Polung des Elektromagneten.

Ein solcher Antrieb sorgt dafür, daß sich das Raumfahrzeug grundsätzlich nicht über die geographischen (Rotationsachse der Erde) sondern die magnetischen Pole der Erde bewegt. Dabei ist zu beachten, daß sich der magnetische Nordpol in der Nähe des geographischen Südpols und umgekehrt befindet. Sollten sich die magnetischen Pole nicht genau 180° gegenüber stehen ergeben sich natürlich entsprechende Abweichungen. Weitere Abweichungen ergeben sich aus der Tatsache, daß sich die Magnetpole der Erde ständig bewegen.
Ein weiteres lösbares Problem ist die Tatsache, daß der Elektromagnet je nach Polung und Ausrichtung das Raumfahrzeug im Bereich der Pole in Richtung Erdmittelpunkt zieht bzw. von ihr weg drückt. Ob sich das zu 100 % ausgleicht oder geringe Abweichungen möglich sind weiß ich nicht. Kann aber sicherlich von schlauen oder/und experimentierfreudigen Leuten ermittelt und ausgeglichen oder ausgenutzt werden. Desweiteren kann man den Elektromagneten im Bereich der Pole und des Äquators abschalten weil es an diesen Stellen kaum bis keinen Vortrieb gibt.

Zur äquatorialen Umlaufbahn habe ich mir noch keine Gedanken gemacht. Da könnten dann eventuell die von Daniel ins Spiel gebrachten Seile in Frage kommen. Oder funktionieren die nicht im Magnetfeld sondern im elektrischen Feld der Erde?

Anmerken möchte ich noch, daß es hier nur um die Machbarkeit allgemein geht. Es soll hier nicht um die genaue Ausführung (zum Beispiel Form des Elektromagneten oder seine Beweglichkeit im Raumfahrzeug) oder die mögliche Stärke eines solchen Antriebs gehen.


Gruß
Peter

Hallo Peter

Hat das Raumfahrzeug den magnetischen Erdnordpol erreicht wird der Elektromagnet umgepolt und stößt sich somit vom magnetischen Erdnordpol ab. Gleichzeitig stößt er sich aber auch vom magnetischen Erdsüdpol ab. Da dieser aber sehr viel weiter vom Raumfahrzeug entfernt ist als der magnetische Erdnordpol ist die abstoßende Wirkung vom magnetischen Erdnordpol größer als die Abstoßung vom magnetischen Erdsüdpol und das Raumfahrzeug wird beschleunigt.
Hat das Raumfahrzeug den Äquator erreicht wird der Elektromagnet wieder umgepolt. Ab hier wiederholt sich nun der Vorgang wie auf dem Weg zum magnetischen Erdnordpol. Allerdings mit umgekehrter Polung des Elektromagneten.

Das beißt sich etwas, vor allem wann was umpolt.

Generell funktioniert das aber nicht. Im Vergleich zum Erdmagnetfeld ist der Raumschiffmagnet ein Punkt. Die Distanz der beiden Pole des Raumschiffs zu den beiden Erdpolen ist jeweils gleichgroß, wenige Meter Unterschied. Der Erdsüdpol zieht den Raumschiffnordpol genauso stark an wie er den Raumschiffsüdpol abstößt. Dasselbe gilt für den Erdnordpol. Daraus resultiert keine Bewegung.

Noch ganz grundlegend, warum dieser Elektromotor nicht funktioniert: Energieerhaltung. Du könntest den Magneten (mal als Permanentmagnet angenommen) so ja unendlich, ewig im Kreis beschleunigen, ohne Energieaufwand. Das wäre quasi ein Perpetuum Mobile auf polarer Umlaufbahn.

Mahlzeit!

... Die Distanz der beiden Pole des Raumschiffs zu den beiden Erdpolen ist jeweils gleichgroß, wenige Meter Unterschied. ...

Danke für diesen Hinweis. Das ist einleuchtend und ich hatte es nicht bedacht. Im Umkehrschluss würde es bedeuten, daß die Magnetspule seeehr lang sein müsste. Also ein seeehr langes Stahlseil (als Eisenkern) mit der üblichen Wicklung drumrum. Aber wie lang und wieviele Windungen und ob überhaupt in dieser enormen Länge technisch realisierbar? Schade.
Ich bin nun mit meinem bescheidenen Latein am Ende. Es fehlt mir an grundsätzlichem Wissen und an Zeit darüber nachzudenken. Aber vielleicht hat ja noch jemand eine Idee für eine Realisierung. Allerdings gibt mir zu denken, daß sicherlich schon ganz andere, gebildetere Leute als ich sich über sowas Gedanken gemacht haben. Entweder haben sie festgestellt, daß es grundsätzlich nicht machbar ist oder daß das Erdmagnetfeld dafür zu schwach ist (an der Oberfläche 40 µT). Jupiters Magnetfeld wäre dafür besser geeignet (auf Höhe der Wolken ca. 1200 µT).

Gruß
Peter

Ich muss auch noch mal darüber nachdenken. Was du ansprichst, geht in die Richtung einer "Gauss-Kanone", bei der das Feld im Inneren von Spulen einen Körper (Permanentmagnet oder E-Magnet) beschleunigt. Der Körper wird quasi durch die Spule gezogen, und dann von Spule zu Spule. So grundsätzlich falsch kann dein Ansatz dann doch nicht sein.