Gliederung
Gliederung
Elektromagnetische Wellen
Schwingkreis
Das Hertz’sche Dipol
Elektromagnetische Wellen
Nuklearer Elektromagnetischer Impuls
Gamma Strahlung
Der Compton Effekt
NEMP in höheren Schichten der Atomsphäre
NEMP an der Erdoberfläche
Technische erzeugter EMP
„ Flux Compression Generator “
„Explosiv oder Treibstoffgetriebenen hydrodynamischen Generatoren“
Anfälligkeit elektronischer Bauteile für (N) EMP
Schutz von elektronischen Bauteilen vor (N) EMP
Bildernachweis
1.0 Einleitung
2.0 Elektromagnetische Wellen
Um das Phänomen des ( nuklearen ) Elektromagnetischen Impulses zu veranschaulichen erscheint es mir als wichtig , einmal die Entstehung von Elektromagnetischen Wellen zu erklären .
2.1 Elektrischer Schwingkreis
Im allgemeinen ist unter einem Schwingkreis eine Schaltung mit einem Kondensator und einer Spule zu sehen .
In einem idealen , verlustlosen Schwingkreis, der einmal (z.
B. durch kurzzeitiges Aufladen des Kondensators) angestoßen wurde, führen Strom und Spannung ungedämpfte harmonische Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Schwingkreises aus, wobei die Energie zwischen dem Kondensator (elektrische Energie) und der Spule (magnetische Energie) hin- und herschwingt, da die Spule bei Durchfluss einer Spannung magnetische Energie erzeugt , welche ihrer Ursache entgegengesetzt ist ( Lenz’sche Regel) .
Wenn der Schwingkreis auch einen ohmschen Widerstand enthält, was bei jedem realen Schwingkreis der Fall ist, sind die Schwingungen mehr oder weniger stark gedämpft, weil im Widerstand elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt wird.
2.2 Der Hertz’sche Dipol
Die von Maxwell theoretisch mit Hilfe seiner Maxwell’schen Wellengleichung , auf welche ich hier nicht näher eingehen werde , vorhergesagten elektromagnetischen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit auch im Vakuum weiterbewegen sollen von Hertz experimentell nachgewiesen .
In diesem Experiment wird ein Hochfrequenz Oszillator benötigt , auf welchen ein Metallstab gelegt wird.
In die Mitte des Stabes wird ein Lämpchen gestellt , welches leuchtet , obwohl kein geschlossener Stromkreis vorhanden ist . Durch den Stab fließt ein hochfrequenter elektrischer Strom , der das Glühlämpchen leuchten lässt . Durch diesen hochfrequenten elektrischen Strom werden die Enden des Stabes periodisch positiv und negativ aufgeladen. „Hier werden also elektrischmagnetische Wellen abgestrahlt , da bei der periodischen Stromumkehr die elektrischen und magnetischen Felder nicht abgebaut werden , sondern sich aneinander schnüren und mit Lichtgeschwindigkeit von dem Hertzschen Oszillator weglaufen“.
2.3 Elektromagnetische Wellen
Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten von elektromagnetischen Wellen .
Natürliche elektromagnetische Wellen treten bei natürlichen Schwingungsvorgängen von Ladungsträgern in Molekülen , Atomen und Festkörpern auf.
Grundsätzlich gehen Elektromagnetische Wellen von beschleunigten elektrischen Ladungen hervor ( z.B. Elektronen ) , da sich bei einer Beschleunigung von Ladungsträgern elektrische Ladungs- - und Stromdichte ändern was z.B. bei Schwingkreis passiert .
3.0 Nuklearer elektromagnetischer Impuls
Ein nuklearer Elektromagnetischer Impuls tritt bei der Explosion einer Atombombe in großen Höhe , aber auch am Boden auf , so konnte der NEMP das erste Mal bei den Atombombenexplosionstests der Amerikaner im Atlantik festgestellt werden .
Die Hauptursache für die Entstehung dieses NEMP lässt sich in der Entstehung von Gamma Strahlung bei einer Nuklearwaffenexplosion finden .
3.1 Gamma Strahlung
In über 30 Kilometer Entfernung von der Erdoberfläche ist die Atomsphäre sehr dünn , was der bei einer Nuklearwaffenexplosion entstehenden Gammastrahlung eine schnelle und großflächige Verbreitung ermöglicht . Diese auftretende Gammastrahlung bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zu .
Wenn diese Gammastrahlung auf die unteren Schichten der Atomsphäre trifft , beginnen die Gammastrahlen mit Atomen oder Luftmolekülen zu interagieren , was natürlich jeweils von der Dichte der Luftmoleküle und der Höhe der Atombombenexplosion abhängt.
3.2 Compton Effekt :
Wenn nun die Gammastrahlung ( Photonen ) auf Luftmoleküle trifft , tritt der sogenannte Compton Effekt auf .
Hierbei wird die Energie der Gamma Strahlung ( Photon ) auf ein Elektron des Luft Moleküls transferiert . Nun wird das Elektron auf einen Schlag in die selbe Richtung wie die Gamma Strahlung mit einem ungeheuren Tempo beschleunigt . Hierbei verliert die Gamma Strahlung an Energie .
Die Reichweite dieses Effektes hängt ganz von der Höhe der Atombombenexplosion und der Stärke der Explosion ab .
Wie im Abschnitt der Elektromagnetischen Wellen beschrieben , entsteht eine Elektromagnetische Welle durch die Beschleunigung von Landungsträgern also z.B. Elektronen .
Bei einem Atombombenexplosion findet durch den hier erläuterten Compton Effekt also eine enorme Beschleunigung von Elektronen auf einen Schlag statt , was zu einer gewaltigen elektromagnetischen “Schockwelle“ führt .
Wie an den nebenstehenden Bildern zu erkennen ist , erreicht das Elektrische Feld bei der Detonation des Sprengkopfes eine Stärke von 50 000 V/m und eine Magnetische Feldstärke max.
120 A/m , also enorme Feldgrößen welche innerhalb von ca. einer Millisekunde “ zerfallen“ .
Die Reichweite solcher Wellen kann bis zu 1000 km betragen . Die Folgen sind enorm induzierte Ströme in elektrischen Bauteilen , worauf ich später noch näher eingehen werde.
Die Dauer eines solch intensiven elektromagnetischen Impulses liegt zwischen einigen Nanosekunden und 200 Nanosekunden .
Nach dieser ersten Phase der Explosion, also die Entstehung einer elektromagnetischen Schockwelle , produzieren die Gamma Strahlung , welche nicht mit der Luft reagiert hat , eine Energie Rückstand , der die betroffene Region ionisiert und somit erhitzt.
Hierbei wird mit dem natürlichen Magnetfeld der Erde ein zweiter NEMP erzeugt , der in seiner Intensität zwar nicht an den Impuls direkt nach der Explosion herankommt , jedoch durch seinen sehr niedrigen Frequenzen und sehr kleinen Amplituden lange Leitungen wie z.B. Telefonleitungen , Stromleitungen etc. stark beschädigen , da eine Spannung in der Leitung induziert werden kann .Die mittlere Feldstärke in dieser Phase liegt bei etwa 30 V/m , die Dauer für diese Phase lässt sich für ca. 0.
1 bis 100 Sekunden nach der Explosion einer Kernwaffe in den oberen Schichten der Atomsphäre datieren .
Der erste Elektromagnetische Impuls dieser Art konnte bei amerikanischen Atombomben Tests im Süd-Pazifik beobachtet werden ( 1,4 Megatonnen Sprengkraft ) . Die Auswirkung des Impulses reichte bis nach Hawaii , was eine Reichweite von 400-500 km bedeutet .
Bei Kernwaffenzündungen in geringer Höhe konnte der Effekt nur sehr selten nachgewiesen werden , was möglicherweise an den dichten Luftschichten hängt , bei denen der Compton Effekt durch andere Effekte überlagert wird.
3.4 Nuklearwaffenexplosion am Boden :
Da in der unteren Schicht der Atomsphäre die Luftdichte natürlich höher ist als in den oberen Schichten der Atomsphäre findet hier kein vergleichbar intensiver Compton Effekt statt , wie bei einer Nuklearwaffenexplosion in den oberen Schichten der Atomsphäre , wo die Luftmoleküle weiter verteilt sind .
Die Reichweite einer Explosion am Boden lässt sich in drei Unterschiedliche Stufen enteilen. Eine Region mit dem Radius 3-5 km von der Explosion entfernt mit einer Feldenergie von 300 KV/M bis zu einer Feldenergie 10 KV/m , was zum Anfang also die Intensität einer Explosion in einer größeren Höhe übertrifft , was allerdings keine Rolle spielt , da in dieser Region die Anderen Effekt einer Nuklearbombexplosion die Auswirkungen des EMP um ein weites übersteigen.
In einem Radis von ca. 5- 10 km Entfernung von der Explosion und einer Feldstärke unter zehn KV/m , sind nur noch Systeme mit langen Leitungen wie Telefonleitungen und Stromleitungen für den nuklearen elektromagnetischen Impuls anfällig .
Die Dauer eines elektromagnetischen Impulses bei einer Explosion am Boden oder in geringer Höhe liegt für die Phase mit starken Feldstärken bei einer Zeit zwischen einigen Nanosekunden und einer Mikrosekunde . Für schwächere Feldstärken in größerer Entfernung zwischen einer Mikrosekunde und 100 Mikrosekunden .
4.0 Technisch erzeugter elektromagnetischer Impuls
Neben dem durch Nuklearwaffen erzeugten EMP wird seit geraumer Zeit auch versucht einen nicht-nuklearer elektromagnetischen Impuls zu erzeugen ,was für mich persönlich spannender ist als der nuklear verursachte EMP . Es ist sehr schwierig zu diesem Thema Informationen zu bekommen , was auch verständlich ist , da man mit einem Gerät , welches derartige elektromagnetische Schockwellen erzeugen kann , enormen Schaden , vor allem in den heutigen Industrieländern anrichten kann , da ein Ausfall der Elektronik , beispielsweise ziviler Versorgungsnetze wie Krankenhäuser oder schon alleine der Ausfall des Telefonnetzes oder Stromnetzes verheerende Folgen haben kann.
Nach meinen Informationen gibt es nicht viele Möglichkeiten, einen technisch erzeugten elektromagnetischen Impuls zu erzeugen .
4.1 „ Flux Compression Generator ”
Ein Flux Compression Generator (FCG ) ist wohl die am weitesten entwickelte Technologie , welche für die Erzeugung eines nicht nuklearen elektromagnetischen Impulses geeignet ist .
Die zentrale Idee hinter der Konstruktion von FCG‘s ist die Nutzung einer starken Explosion im inneren des Gerätes zur extremen Kompression eines magnetischen Feldes, um große Energiemengen von der Explosion in das Magnetfeld zu transferieren.
Die FCG ist eine Vorrichtung , die in der Lage ist , elektrische Energien von einem zehntel Megajoule über einen Zeitraum von einer zehntel bis hundertstel Mikrosekunde in Form einer relativ kompakten Ladung zu erzeugen , mit Energiespitzen in der Größenordnung von Terrawatts .
Der von einem FCG entwickelte elektrische Strom ist in seinem Zeitrahmen zwischen dem zehn bis tausendfachem größer, als derjenige, welcher von einem Blitz erzeugt wird . Das Magnetfeld wird in der FCG vor der Initiierung der Explosion innerhalb des FCG’s erzeugt. Diese Initiierung wird durch eine externe Quelle, so wie einer Hochspannungskondensatorbank oder einen kleineren FCG erzeugt. Prinzipiell kann jede Vorrichtung dazu verwendet werden, welche in der Lage ist, einen elektrischen Impuls oder Strom in der Größenordnung von Kiloamperes oder Megaamperes zu erzeugen.
Eine Reihe von geometrischen Konfigurationen für FCG‘s wurde veröffentlicht. Die üblicher Weise am häufigsten genutzte Anordnung ist die, einer schraubenförmigen FCG. Die schraubenförmige Anordnung ist in diesem Zusammenhang besonders interessant, weil hauptsächlich zylindrische Formen als Hülle für Munition verwendet wird.
Bei einem typischen schraubenförmigen FCG bildet eine zylindrische Röhre aus Kupfer den „Kern“ eines Magneten. Diese Röhre ist mit einem hochenergetischen Sprengstoff gefüllt. Diese Röhre ist umgeben von einer spiralförmigen Spule dicken Drahtes, der in der Regel aus Kupfer besteht und den sogenannten FCG - Stator ( siehe Bild ) bildet.
Die Intensität der Magnetkraft, die während der Verwendung eines FCG erzeugt wird, kann Ursache für eine frühzeitige Selbstzerstörung der Vorrichtung sein, falls dieser nicht entgegen gewirkt wird. Dieses Problem lässt sich verhindern , indem man ein nicht magnetisches Material als strukturelle Ummantelung verwendet wie z.B. Plexiglas oder Beton.
Wir nun die Apparatur einmal in Gang gesetzt , verformt sich die Vorderseite durch die Explosion im Anker des Magneten kegelförmig. ( siehe Bild ) .
Wo sich der Kern des Magneten auf den vollen Durchmesser des Stators ausgedehnt hat, ( siehe bild oben ) bildet sich ein Kurzschluss an den Enden der „Statorspule“ und deshalb wird der anfängliche Ursprung der elektrischen Strömung isoliert und leitet den Strom in die Vorrichtung.
Die plötzliche Verkürzung hat den Effekt einer Kompression des Magnetfeldes durch die Reduktion der Induktivität in der Statorspule. Als Ergebnis erzeugen solche Generatoren einen wachsenden Stromimpuls , dessen Spitzenwert erreicht ist kurz bevor die vollkommene Zerstörung der Vorrichtung einsetzt. Veröffentlichte Resultate weisen auf Ladezeiten, je nach den Eigenschaften der Vorrichtung von einer zehntel bis hundertstel Mikrosekunde und auf Spitzenströme von einem zehntel Mega Ampere und Spitzenenergien von einem zehntel Mega Joule hin.
Die Strommultiplikation (das heißt das Verhältnis von Anfangsstrom und Output) erreicht je nach Konstruktion unterschiedliche Werte im Größenbereich von mehr als das 60fache . Bei der Anwendung als Waffe sind die Größe und das Gewicht von größter Bedeutung, eine kleinst mögliche Energiequelle ist erforderlich.
Hierbei kann eine Kaskade von FCG‘s eingesetzt werden, wobei eine kleinere FCG prinzipiell die größere FCG mit Anfangsstrom versorgt.
Wie an dem auf dieser Seite vorhandenen Bild zu sehen ist , benötigt ein FCG wesentlich länger um sein Energiemaximum zu erreichen , was auch logisch ist , da eine Kernwaffenexplosion eben „explodiert“ und sich nicht langsam aufbaut , dasselbe mit einem Blitz. Hier ist auch gut zu sehen , dass bei einer langsameren Entladung der Maximal Energie z.B. bei einem Blitz der EMP Effekt bzw. der Compton Effekt nicht so stark ausgeprägt ist wie bei einem NEMP oder einem technisch EMP .
Das Bild gib allerdings keinen Ausschluss über das Energiemaximum des jeweils erzeugten EMP sondern bei 1.00 ist der relative Maximum Wert des erzeugten EMP erreicht.
4.2 „Explosiv oder Treibstoffgetriebenen hydrodynamischen Generatoren“
Die Konstruktion von Explosiv oder „Treibstoffgetriebenen hydrodynamischen Generatoren“ ( MHD ) mit Magnetzünder ist weniger ausgereift als die der FCG Entwürfe. Technische Daten so wie die Größe und das Gewicht von Vorrichtungen , welche Magnetfelder erzeugen , sind für den Betrieb von MHD Generatoren von Bedeutung und vieles deutet darauf hin, dass diese Technologie in Zukunft keine Rolle mehr spielen werden .
Das grundlegende Prinzip hinter dem Entwurf von MHD’s Vorrichtungen ist, dass ein Leiter , der sich durch ein Magnetfeld bewegt , einen elektrischen Strom erzeugt, der entgegengesetzt der Richtung des Magnetfeldes und der Drehrichtung des Leiters wirkt .
In einer Explosiven in einer MHD Vorrichtung mit Treibstoff ist der Leiter ein ionisiertes explosives Plasma oder ein Treibstoff, der sich durch ein Magnetfeld bewegt. Der Leiter ist mittels Elektroden , die mit dem Plasmatriebwerk in Verbindung stehen , verbunden.
Die elektrischen Eigenschaften des Plasmas sind optimiert durch die Platzierung entsprechender Zusätze im explosiven Teil des Antriebs, die während des Verbrennens ionisierend auf das Plasma oder den Treibstoff wirken . Diese Technologie hat im Gegenteil der FCG’s den Vorteil , dass sie mehrmals wiederverwendet werden kann , was bei einem FCG nicht der Fall ist .
5.0 Anfälligkeit elektronischer Bauteile für (N) EMPComputerausstattung ist durch EMP Effekte von Nuklearwaffenexplosionen in der Luft oder am Boden besonders leicht außer Kraft zu setzen oder zu zerstören , da die Bauteile eines Computers ( Prozessor usw.
) größtenteils auf Metall Oxyd Halbleitern (MOS) bestehen, welche sehr empfindlich auf Hochspannungsimpulse reagieren.
Ein signifikantes Merkmal von MOS Geräten ist, dass man nur sehr wenig Energie benötigt um eine dauerhafte Beschädigung oder Zerstörung der dieser Bauteile oder Geräte herbeizuführen. Bereits eine geringe Spannung von einigen zehn Volt Überschuss kann einen Effekt herbeiführen, der den sogenannten “Ausfall der Sperrschicht“ des Bauteils bewirkten und das Gerät irreparabel beschädigt . Sogar wenn der Impuls nicht stark genug ist , um eine Überhitzung des Bauteils zu erzeugen, wird das Netzteil des Gerätes genügend Energie liefern, um die Zerstörung quasi zu vollenden .
Beschädigte Geräte können eventuell weiterhin funktionieren . Ihre Zuverlässigkeit ist jedoch sehr gering , was einen kompletten Austausch der Elektronik erfordert.
Andere elektronische Geräte und elektrisches Equipment können ebenso durch den EMP-Effekt zerstört werden. Fernmeldeeinrichtungen können durch die überlangen Kupferkabel, welche die Endgeräte miteinander verbinden, in höchstem Maße verwundbar sein.
Empfänger jeder Art sind durch die sehr empfindlichen Hochfrequenz-Transistoren und Dioden in diesen Geräten , die sehr leicht durch elektrische Impulse sehr hoher Spannung zerstört werden können, empfindlich gegenüber EMP-Impulsen. Deshalb sind RADAR, Ausstattung zur elektronischen Kriegführung, Satelliten, Mikrowellen, UHF,VHF, HF so wie Geräte zur Kommunikation mittels niedriger Frequenzen und Fernsehgeräte sehr leicht durch EMP-Impulse verwundbar.
6.0 Schutz von elektronischen Bauteilen vor (N) EMP Die beste Methode eines Schutzes von elektronischen Geräten , wäre natürlich eine vollkommene Abschirmung des Gerätes von elektromagnetischen Feldern eines sogenannten Faradayschen Käfig .
Also ein geschlossenes System ohne Verbindung nach außen .
In der Realität ist dies unmöglich , da technische Ausrüstung Strom & eventuell Daten benötigt und somit Leitungen nach außen in Verbindung mit dem Gerät stehen müssen , welche wie Antennen wirken und des elektromagnetischen Impuls in das Innere des geschützten Gerätes leiten . Die Datenübertragung kann dank Glasfaserkabeln sicher gestaltet werden .
Die Stromversorgung hingegen ist ein großes Problem . Jedes technische Gerät benötigt Strom . Da Stromkabel aus elektrisch leitenden Materialien bestehen , wird dort die extrem groß auftretende Spannung eines elektromagnetischen Impulses induziert und zerstört somit die mit dem Stromnetz angeschlossenen Teile.
Zur Lösung dieses Problems könnte es hilfreich sein , selbstauslösende Überspannungsschutzkreise als eine Art Schleuse einzusetzen , welche bei zu hoher Spannung den Strom blockiert.
Daher ist es unvermeidlich , dass jedes einzelne elektronische Bauteil in einem technischen Gerät einzeln gegen den EMP gesichert werden muss , was natürlich mit enormen Kosten verbunden ist , und für z.B Seriencomputer heute nahezu undenkbar ist . Ein weiteres , schon im vorherigen Kapitel angesprochenes Problem ist , dass wenn ein Bauteil eines Computers beschädigt ist, dies aber nicht auffällt , die gesamte Elektronik ausgetauscht werden muss , da die Fehlfunktion dieses einen Bauteiles in z.B. einem Zielerfassungssystem das Gerät unbrauchbar macht .
Ein Teilschutz , z.B. von altem Equipment macht daher keinen Sinn , da das Gerät nicht mehr als zuverlässig angesehen werden kann .
7.0 Schlusswort
8.0 Bildernachweis :
Bilder Seite 4 ; 5 :
Metzler Physik 1998 Schrödel Verlag Hannover
Bilder Seite 12 ; 15
https://www.
airpower.maxwell.af.mil/airchronicles/kopp/apjemp.html
Bilder Seite 7 ; 8 ; 9 :
https://www.usace.
army.mil/inet/usace-docs/eng-pamphlets/ep1110-3-2/c-2fig.pdf
Bild Seite 11 :
https://lansce.lanl.gov/research/accelerators/images/fortfig1.gif
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