Strahlungs-Energie-Konverter Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungs-Energie-Konverter zur Umwandlung von atmosphärischer Strahlung in elektrischen Strom. Der Ener- gieumwandlungsprozeß erfolgt unter Einbeziehung einer, (lokalen) Modulation des Erdmagnetfeldes, daher wird dieses Verfahren im folgenden auch als Terra Energy Magnetism Converter (TEMCon) bezeichnet.

Technischer Hintergrund für den Strahlungs-Energie-Konverter (TEMCon) sind die Arbeiten von Nicola Tesla in den 30iger Jahren in den USA. Tesla befaßte sich in dieser Zeit insbesondere mit der drahtlosen Nachrichten-und Energieübertragung.

Hierzu sei zunächst eine Energiebetrachtung für das System Sonne/Erde einschließ- lich Ionosphäre und Van-Allen-Gürtel vorangestellt.

Gemäß dem heute üblichen Modell der Astrophysik wird die Sonne als Heißfusions- reaktor betrachtet. Demnach sollen im Inneren der Sonne Kernfusionsprozesse ablaufen, bei denen Wasserstoffkeme in Heliumkerne umgewandelt werden. Aus dem dabei entstehenden Massendefekt (die Masse eines Heliumkerns ist geringer als die seiner Einzelteile) von 4 Mio. Tonnen pro Sekunde wird Energie freigesetzt, die das in der Sonne, enthaltene Gas auf eine sehr hohe Temperatur von mehreren Millionen °C bringt.

Geht man nun von der aus optischen Messungen ermittelten Temperatur von 5800 °C auf der Sonnenoberfläche aus, so strahlt diese eine Leistung von 63 MW/m2 in den Weltraum ab. Während einer Stunde wird also je m2 die Energie von 63. 000 kWh abgestrahlt. Der Radius der Erdbahn um die Sonne beträgt ungefähr 150 Mio. km. Durch diese Distanz reduziert sich die mittlere Strahlungsleistung auf 1,37 kW/m2, dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. Die einstrahlende Energie schwankt in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Sonne und Erde, Sonnen- flecken und weiteren Eiriflüssen. Von dieser abgestrahlten Energie erreicht selbst bei wolkenlosem Himmel in unserem Breitengrad nur ungefähr 1000 W/m2 die Erdober- fläche, da durch Brechung, Streuung und Reflexion Verluste auftreten. Die höchste extraterrestrische Strahlungsintensität liefert die Sonne im Bereich des W und des sichtbaren Lichts. Weiterhin umfaßt das Sonnenspektrum die folgenden Wellen- längenbereiche (geordnet nach zunehmender Wellenlänge) : Gammastrahlung, Rönt- genstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht (VIS), Infrarot-Strahlung (Wärme- strahlung), Radiofrequenzstrahlung und ELF-Strahlung (extra low frequency). Des weiteren ist die kosmische Strahlung (Gammastrahlung, Neutronenstrahlung) zu berücksichtigen, die den Van-Allan-Gürtel und die Ionosphäre der Erde beeinflußt.

Neben der Abstrahlung durch die Sonne müssen auch die Verhältnisse der Erde und der sie umgebenden Bereiche betrachtet werden. Der Van-Allen-Gürtel ist eine gür- telförmig um die Erde liegende Zone, in der Teilchenstrahlung sehr hoher Intensität vorhanden ist. Der Strahlungsgürtel liegt rotationssymmetrisch zur erdmagnetischen Achse wie eine Schale um die Erde und erstreckt sich etwa bis zu 45.000 km Höhe über die Erdoberfläche.

Die größte Strahlungsintensität (Gammastrahlung und ionisierende Teilchenstrah- lung in Form von hochenergetischen Elektronen und Protonen) herrscht in zwei Zonen des van-Allan-Gürtels, gelegentlich auch als Zweistrahlungsgürtel bezeich- net, etwa zwischen 1.000 und 6.000 km und zwischen 15.000 und 25.000 km über der Erdoberfläche. Die Teilchenenergie der Elektronen (der sog. Fluss, engl. Flux) liegt im Bereich von 1 bis 10 MeV, die entsprechende Energie der Protonen liegt im Bereich von 10 bis 200 MeV. (Zusätzlich zu der o. g. elektromagnetischen Strahlung emittiert die Sonne auch den sog. Sonnenwind, das sind elektrisch geladene und ionisierte Teilchen, die von der Oberfläche der Sonne ausgehen und vor allem in den Van-Allan-Gürteln der Erde absorbiert werden.) Die Ionosphäre ist eine obere Schicht der Atmosphäre, zwischen 70 und 1.000 km über dem Erdboden gelegen, die bereits reich an elektrisch geladenen Teilchen ist.

Durch ntürliche Strahlung von der Sonne und aus dem Kosmos werden hier immer wieder Materiepartikel aufgeladen und wieder entladen. Speziell in der Nähe des Nord-und Südpols, wo die Feldlinien des Erdmagnetfeldes trichterförmig und besonders dicht liegen, kommt es dabei immer wieder zu großflächigen Entladun- gen, die auch vom Erdboden aus zu beobachten sind und als Polarlicht (Nordlicht, Südlicht) bezeichnet werden. Nur ein geringer Teil der im Sonnenwind enthaltenen Energie ist tatsächlich als Polarlicht sichtbar. Der Sonnenwind erzeugt vor allem ein sehr großes elektrisches Potential. Parallel zur Erdoberfläche fließt ein sehr großer elektrischer Strom, etwa in derselben Region wie die Polarlichter, aber oft auch etwas ausgedehnter. Dieser ionosphärische Strom wird als Elektrojet bezeichnet, und er entspricht einem Stromfluß von etlichen tausend Ampere.

Die Elektronenkonzentration in den Schichten der Ionosphäre ist für die Reflexion, aber auch für die Dämpfung der Kurzwellen verantwortlich. Sie reagiert sehr sen- sibel auf die solare Aktivität.

Seit langem weiß man bereits, daß die elektrisch positiv aufgeladene Ionosphäre einen Gegenpol zur negativ geladenen Erdoberfläche bildet und daß zwischen bei- den ständig eine elektrische Spannung von ungefähr 300 kV bis zu 5 GV herrscht.

Diese Spannung entlädt sich u. a. durch Gewitter und sogenannte atmosphärische Leckströme. Wie russische Wissenschaftler Mitte der 80iger Jahre festgestellt haben, beträgt die Summe aller globalen Leckströme im jahreszeitlichen Mittel etwa 2000 A. Vereinfacht kann man dieses System Erde-Ionosphäre als einen Kugelkonden- sator. beschreiben.

Tesla erzeugte bei seinen Experimenten hohe elektrische Spannungen von mehreren hunderttausend Volt, mit denen er sogar künstliche Blitze erzeugen konnte. Er fand dabei heraus, daß mit solchen Blitzen auch Radiowellen extrem niedriger Frequenz (ELF) ausgestrahlt werden, die nahezu widerstandslos in die Erde ein-und durch diese hindurchdringen können. Er hatte damit die elektromagnetische Resonanzfre- quenz der Erde entdeckt, die im Bereich von 6 Hz liegt.

Zu den elektromagnetischen Prozessen in der oberen Atmosphäre : Nachdem Flugzeugpiloten bereits seit Jahrzehnten von Blitzen oberhalb mächtiger Gewitterwolken berichten, sind erst in den 90iger Jahren die sogenannten"Sprites" entdeckt worden : Lichtblitze, die von Gewitterwolken nach oben gehen. Sprites sind Lichtblitze, die in 70 Kilometer Höhe auf und ab springen-ein bisher in der Atmo- sphärenphysik unbekanntes Phänomen. Diese Blitze gehen einher mit gewaltigen Ausbrüchen von Kurzwellenstrahlung, die ihre Energie bis hinauf in die Ionosphäre pumpen, 70 Kilometer über dem Erdboden. Einhergehend mit den Sprites gibt es Ladungsausgleichsvorgänge in der unteren Atmosphäre, die als"gigantic jets" bezeichnet werden. Zwischen 1989 und 2002 sind solche Entladungen von taiwane- sischen Wissenschaftlern der National Cheng Kung University aufgenommen worden. Über dem südchinesischen Meer besitzen solche Jets Abmessungen von bis zu 40 km Breite und erzeugen karottenförmige Lichterscheinungen, die offenbar negative Ladungen von Gewitterwolken hinauf in die Ionosphäre transportieren (Nature 2003, Band 423, Seite 927).

Elektromagnetische Prozesse in der unteren Atmosphäre, sogenannte Sferics (abge- leitet"atmospherics"), werden in der Meteorologie als kurze elektromagnetische Impulse beobachtet. Sie entstehen, wenn sich Luftmassen aneinander reiben und es zu elektrischen Entladungen kommt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, daß sie extrem kurz sind, eine typische Dauer zwischen 50 lls und einigen Millisekunden besitzen und mit einem extrem breiten Spektrum auftreten. Auslöser für Sferics sind meistens Blitze, die in Gewitterzellen auftreten, die mehr als 1000 km vom Beobachter entfernt sind. Sferics breiten sich entlang der Magnetfeldlinien der Erde aus. Sferics, die in Mitteleuropa aufgenommen werden, entstehen in Gewitter- zentren, die in Südeuropa oder Afrika liegen. Ein solcher Gewitter-Sferic besitzt seine höchste Amplitude im Frequenzbereich unter 10 kHz. Andere Sferics ent- stehen im Vorfeld großer Gewitterzentren durch starke Luftmassenbewegungen, die die magnetischen Feldlinien beeinflussen. Diese Sferics weisen ein relatives Maxi- mum um 20 kHz auf und sind meist auf eine Frequenz unter 40 kHz begrenzt.

Will man zu den Atmosphärenprozessen nun halb-quantitativ eine Energiebilanz aufstellen, so ergibt sich, daß in der oberen und mittleren Atmosphäre (höher als 50 km) so wie in dem Van-Allen-Gürtel eine erhebliche Menge bewegter Ladungs- träger und oszillierender elektromagnetischer Felder vorhanden sind. Über deren Energieinhalt liegen gegenwärtig nur Schätzungen vor, die in der Größenordnung von 1 bis 100 kJ/m3 liegen. Dieser Energiegehalt wird mit dem vorliegenden Strah- lungs-Energiekonverter (TEMCon) genutzt und in elektrische Energie für einen Verbraucher umgewandelt. Neben dieser geschätzten Energiedichte werden mög- licherweise zusätzlich noch weitere von der Sonne abgestrahlte Energie sowie kos- mische Teilchenstrahlung genutzt, deren Eigenschaften in aktuellen Forschungs- projekten der NASA (CERES, SARB, AIRS) seit dem Jahr 2002 mit untersucht werden.

Nimmt man nun einen Wirkungsgrad von 40 % für den Energietransfer zum Erdbo- den an, und eine Leistungsentnahme von 50 kW am Erdboden, so ergibt sich, daß ein atmosphärisches Volumen von ungefähr 50 m3 erforderlich ist, um bei einer mittleren Energiedichte von 5 kJ/m3 die nötige Energie aus der Ionosphäre zu ent- nehmen. Ähnliche Überlegungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.

So befaßt sich US-Patent. 787, 412 von Nicola Tesla im Jahr 1900 mit einem Verstär- kungssender, der elektrische Energie durch ein natürliches Medium ("ambiant medium") sendet. Auch die Patente US 685,957 und 685,958 aus dem Jahre 1901 befassen sich mit der Nutzung von Strahlungselektrizität ("radiant electricity", "radiant energy").

Die Verwendung von harmonisch modulierten, typischen elektrischen Signalen zur Überschußenergieerzeugung und Energieumwandlung aus dem sog. Vakuumfeld (Puthoff 1993, Phys. Rev. E 48/2,1562-1565, Haisch und Rueda 1998, The Zero- Point Field and Inertia, Causality and Locality in Modern Physics, Kluwer Academic Publishers (1998), 171-178) sind in den US-Patenten 5,208, 844, 4,394, 230 und 3,629, 521,3, 563,246, 3,726, 762 beschrieben.

Die US-Patente US 3,890, 548 und 4,595, 975 von Edwin Gray befassen sich mit der Konstruktion und Anwendung einer"Kraftverstärkerröhre" (power conversion tube) zum Antrieb von Elektromotoren mit Leistungen von 10 bis 50 kW. Dabei sollen ebenfalls die auf die Arbeiten von Nikola Tesla zurückgehenden Strahlungsenergie- Effekte ("radiant energy") genutzt werden.

Die oben bereits angesprochene, weitere von der Sonne abgestrahlte Strahlungs- energie geht auf Überlegungen zurück, wonach elektromagnetische Wellen nicht ausschließlich aus sogenannten transversalen elektromagnetischen Wellen bestehen.

Das Verhalten der transversalen elektromagnetischen Wellen wird durch ein System von linearen, partiellen Differentialgleichungen beschrieben, die zeitliche und räumliche Änderung der Felder E, H, D, B, der Ladungsdichte und der Stromdichte beschreiben. Dieses grundlegende Gleichungssystem der Elektrodynamik wurde zwischen 1853 und 1873 von J. C. Maxwell entwickelt ; nach seinem Tod 1879 wurde diese Beschreibung von H. Hertz, O. Heaviside und O. Lodge auf eine verein- fachte Form gebracht, die heute unter dem Namen"Maxwellgleichungen"bekannt sind. Eine allgemeingültige Notwendigkeit, die bekannten Phänomene der elektro- magnetischen Wellen durch lineare Differentialgleichungen zu beschreiben, ist nicht bekannt. Es gibt zahlreiche Ansätze, auch nicht-lineare elektromagnetische Gleichungen zu betrachten. In häufig gewählten Ansätzen wird hier auf eine SU2- Symmetrie für die Feldtheorie zurückgegriffen. Eine solche SU2-Symmetrie hat sich bei der Beschreibung der elektro-schwachen Wechselwirkung als überaus erfolg- reich erwiesen. Unterstellt man eine solche nicht-abelsche Eichgruppe, so entsteht eine nicht-lineare Elektrodynamik. Zusätzlich zu den oben im Rahmen der klassi- schen Elektrodynamik diskutierten transversalen elektromagnetischen Wellen, transportieren dann auch nicht-transversale elektromagnetische Wellen Strahlungs- energie (vgl. Energiestromdichte S, Poynting-Vektor). Beispielsweise besitzen solche Feldtheorien als Lösung ihrer Wellengleichung auch longitudinale elektro- magnetische Wellen kurzer Reichweite und longitudinale Magnetfelder. Auch Solitonen, das sind nicht zerfließende Wellenpakete, treten als Lösung dieser Feld- gleichungen auf und würden dementsprechend bei einer Anregung durch die in der Sonne ablaufenden Kernreaktionen ebenfalls ausgesendet werden. Auch diese elek- tromagnetische Strahlung transportiert zusätzlich zu der oben bereits diskutierten Strahlung im Rahmen der klassischen Elektrodynamik Energie von der Sonne zur Erde. Es sei jedoch betont, daß die Annahme einer solchen Strahlungsenergie zur Zeit noch nicht experimentell belegt ist und bei der vorliegenden Erfindung daher nicht weiter betrachtet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsenergiekonverter zur Umwandlung von atmosphärischer Strahlung, oszillierender atmosphärenelek- trischer Felder und modulierter erdmagnetischer Felder in elektrischen Strom bereit- zustellen, mit dem ein elektrischer Verbraucher dauerhaft betrieben werden kann.

Durch geeignete Dimensionierung der resonanzfähigen Baugruppen (Antenne, Spu- lenanordnungen) und geeignete Festlegung von Treiberfrequenzen wird sicherge- stellt, daß technische Systeme wie das 50/60 Hz-Stromversorgungsnetz, Kurz- wellenfunk, Radiosender, Mobilfunknetze usw. unbeeinflusst bleiben.

Die Aufgabe wird durch den Strahlungsenergiekonverter gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Strahlungsenergiekonverter zur Umwandlung von atmo- sphärischer Strahlung und elektromagnetischer Feldenergie der Ionosphäre in elek- trischen Strom besteht im wesentlichen aus drei Schaltkreisen und zwei Steuervor- richtungen, wie in Figur 4 dargestellt. In Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockschalt- bild zu sehen, mit minimierten Steuerfunktionen. Der Strahlungsenergiekonverter besteht aus einem Hochfrequenz-Empfangskreis 110, einem im Bereich der Radio- frequenz arbeitenden Speicherkreis 120, einem Niederfrequenz-Lastkreis 130, einem Prozeßsteuergerät 150 mit Leitsystemanbindung und einer Betriebszustands-Steuer- vorrichtung 160 für Start, Notabschaltung, Netzparallelbetrieb und Inselnetzbetrieb.

Die Spulenelemente aus Hochfrequenz-Empfangskreis, Radiofrequenz-Speicher- kreis und Niederfrequenz-Lastkreis wirken durch die induktiven und/oder kapazi- tiven Kopplungen der Spulenelemente untereinander als eine elektromagnetische Baugruppe, die im folgenden als"Spulenresonator"bezeichnet wird.

DerHochfrequenz-Empfangskreis 10 ; 110 besitzt eine Antenneneinrichtung 18 ; 111 und eine mit dieser verbundene Koppeleinrichtung 20 ; 119, vorzugsweise eine Kop- pelspule. Der Radiofrequenz-Speicherkreis 12 ; 120 besitzt eine Speicherspulen- anordnung 22 ; 121 und einen mit dieser verbundenen Anregungsschaltkreis 24,26, 28 ; 126, 127, 128,129. Der Niederfrequenzlastkreis 14 ; 130 besitzt eine Entnahme- spule 30 ; 131, die mit einem aktiven Schaltelement 32 ; 133a und einem Verbraucher 34 ; 135 verbunden ist.

Ein zusätzlicher Bestandteil der Speicherspulenanordnung im Radiofrequenz- Speicherkreis 120 kann eine optionale Erdschlußkoppeleinrichtung 132 sein, die spiegelsymmetrisch zur Koppeleinrichtung 119 des Hochfrequenz-Empfangskreises 110 ausgeführt ist. Die in der Erdschlußkoppeleinrichtung 132 über mehrere Oszillationsperioden akkumulierte elektromagnetische Feldenergie wird über ein geeignetes Schaltelement 133b gegen Masse oder Erde entladen. Die Schaltelemente 133a, 133b werden entweder über das Steuergerät 150 getriggert oder schalten selbsttätig durch (d. h. frei schwingende Nahfeldkopplung). Die Oszillationsfrequenz im Speicherkreis 120 beträgt das Mehrfache der Schaltfrequenz der Schaltelemente 133a, 133b. Die Triggersignale für die Schaltelemente im NF-Lastkreis werden von dem Prozeßsteuergerät 150 erzeugt unter Einbeziehung von Sensordaten 151,152, 153 und Steuerungsalgorithmen die im Prozessor 158 ablaufen (dabei handelt es sich bevorzugt um Regelungsalgorithmen auf der Grundlage sog. Zustandsrückführun- gen).

Der beim Durchschalten der Schaltelemente 133a, 133b entstehende Spannungspuls im Lastkreis 130 hat bedingt durch die Entnahmespule 131 einen Strompuls zur Folge, der den Verbraucher 135 antreibt. Durch die pulsförmige Entladung und die induktive Kopplung zwischen RF-Speicherspulenanordnung 121 und der Entnahme- spule 131 wird die im RF-Speicherkreis oszillierende Blindleistung in Wirkleistung im Lastkreis umgewandelt.

Weiteres Element des erfindungsgemäßen Strahlungsenergiekonverters ist eine Pro- zeßsteuereinrichtung 150, die mit dem Empfangskreis 110, dem Speicherkreis 120 sowie dem Lastkreis 130 verbunden ist und die in den Kreisen auftretende Ströme und Spannungen mißt. Weiterhin wird von der Prozeßsteuereinrichtung 150 das ak- tive Schaltelement im Lastkreis sowie der Anregungsschaltkreis angesteuert.

Gekoppelt sind die drei Schaltkreise 110,120, 130 jeweils über ihre Spulen. Die Kopplung von Empfangskreis und Speicherkreis erfolgt über die Koppelspule und die Speicherspulen, während die Kopplung zwischen Speicherkreis und Lastkreis über Speicherspulenanordnung und die Entnahmespule erfolgt. Die Funktionsweise des Strahlungsenergiekonverters ist derart, daß durch den Anregungsschaltkreis die Speicherspulenanordnung zu Schwingungen angeregt wird, die vorzugsweise, aber nicht notwendig, induktiv auf die Koppelspule übertragen und an die Antennenein- richtung 18 ; 111 weitergeleitet werden.

Zur Energieübertragung aus der Ionosphäre kann beispielsweise ein über die Anten- neneinrichtung 18 ; 111 abgestrahltes Kurzwellen-Signal mit zusätzlicher Modula- tion verwendet werden, um eine elektrisch leitfähige Verbindung (Kanal) bis zu den Ionosphärengrenzscliichten aufzubauen (E-, F1-, F2-Schicht in 200 bis 300 km Höhe). Auf diesem MHz-Trägersignal wird durch Amplitudenmodulation mit einem geeigneten NF-Signal eine stehende Welle erzeugt. Über diese stehende Welle tritt der Spulenresonator in Verbindung (Resonanz) mit elektrischen Schwingungen der Ionosphäre. Der Spulenresonator nimmt auf diese Art kontinuierlich oder in periodi- schen Bursts elektromagnetische Energie aus ionosphärischen Quellen auf, die auf den Radiofrequenz-Speicherkreis 120 übertragen wird.

Zusätzlich wird die von der Antenneneinrichtung 18 ; 111 nach den bekannten Antennengleichungen aufgenommene elektromagnetische Energie der hochfre- quenten Strahlung durch die angeregte Koppelspule 119 auf die Speicherspulenan- ordnung 121 und schließlich an den Entnahmekreis 130 weitergeleitet. Das aktive Element in dem Entnahmeschaltkreis schaltet Verbraucher-und Entnahmespule der- art, daß die für den Energiefluß notwendigen Resonanzen zwischen den Spulen durch den Verbraucher nicht gestört werden.

Die Kopplung zwischen Empfangskreis und Speicherkreis erfolgt vorzugsweise induktiv, zusätzlich kann noch eine kapazitive oder galvanische Kopplung hinzuge- fügt werden. Ebenfalls ist die Kopplung zwischen Speicherkreis und Lastkreis induktiv, wobei auch hier zusätzlich eine kapazitive oder galvanische Kopplung vorgesehen werden kann.

Als wesentliches Element des Empfangskreises besitzt die Koppelspule eine Form eines Kegels, z. B. eines Hyperboloiden. Hierbei handelt es sich um eine rohrför- mige, längliche Spule, deren Längsschnitt die Form einer Kegels, z. B. einer Hyper- bel aufweist. Mit anderen Worten, die geometrische Form einer Koppelspule ergibt sich als Rotationskörper eines Dreieckskegels, einer Hyperbel oder einer Parabel.

Alternativ dazu kann die Koppelspule auch in Form eines Zylinders ausgeführt werden, womit im Allgemeinen ein niedrigerer Wirkungsgrad und eine verringerte Betriebsstabilität verbunden sind.

Eine Erdung der Koppelspule in dem Empfangskreis erfolgt vorzugsweise über einen Masseschlußkondensator, wobei Resonanzabstimmungskriterien zu beachten sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Empfangskreis 10 ; 110 mit Meßein- richtungen 52 ; 151 versehen, die Strom und Spannung zwischen Antenne und Kop- pelspule messen und an das Steuergerät weiterleiten. Zusätzlich kann im Empfangs- schaltkreis noch eine Meßeinrichtung für die magnetischen Felder (Flußdichte) in der Koppelspule vorgesehen sein. Auch diese Meßdaten werden an das Steuergerät 16 ; 150 für die Steuerung des Konverters weitergeleitet.

Der Empfangskreis besitzt zusätzlich mit dem Steuergerät verbundene Meßeinrich- tungen, um Wetterdaten und elektromagnetische Impulse aus der Atmosphäre zu messen. Aufgrund der Schwankungen der elektrischen und der erdmagnetischen Energiedichte in der Atmosphäre sind diese Daten für die Steuerung des Energie- konverters notwendig.

Wie bereits erwähnt, sind Koppelspule, Speicherspulenanordnung und Entnahme- spule derart dimensioniert, daß die Koppelspule durch die Speicherspulenanordnung und die Entnahmespule, vorzugsweise mit ihrer Eigenfrequenz, angeregt wird.

Die Antenneneinrichtung 18 ; 111 besitzt eine schmalbandige Resonanz, die bevor- zugt oberhalb der Kurzwellenbänder liegt. Grundsätzlich ist der atmosphärische Energieumwandlungs-und Resonanzprozeß möglich im Frequenzbereich zwischen 5 MHz und 50 MHz.

Das Speicherspulenelement bzw. die Speicherspulenanordnung, durch welches die elektrische Energie von der Antenne zum Verbraucher fließt, besteht bevorzugt aus zwei gekoppelten Spulen, von denen eine erste zur Kopplung an die Kopplungsspule des Empfangsgeräts angeordnet und eine zweite mit der ersten gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen erster und zweiter Spule der Speicherspuleneinrichtung erfolgt bevorzugt kapazitiv. Die erste Spule ist mit dem Anregungsschaltkreis des Speicher- schaltkreises verbunden. Der Anregungsschaltkreis besitzt bevorzugt einen Spezial- frequenzgenerator, der von dem Steuergerät angesteuert wird.

Der Speicherkreis besitzt mit dem Steuergerät verbundene Meßeinrichtungen für Strom, Spannung und magnetische Flußdichte an der ersten und/oder zweiten Spule.

Auch diese Daten werden an das Steuergerät weitergeleitet.

Das aktive Schaltelement in dem Schaltkreis kann bevorzugt als elektrisch steuer- bare Röhre ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, Halbleiterschaltelemente hier einzusetzen.

Das Steuergerät steuert einen Spezialfrequenzgenerator in dem Speicherkreis derart an, daß dieser die Speicherspulen mit einer Frequenz bzw. einer Mischung (additiver Überlagerung) aus Frequenzen anregt, die den Empfangskreis zu einem Energiefluß von der Antenneneinrichtung 18 ; 111 über die Koppelspule und die Speicherspule in den Lastkreis anregt. Wie bereits eingangs erläutert, empfängt der Empfangskreis mit seiner Antenneneinrichtung elektromagnetische Strahlung überwiegend im Fre- quenzbereich zwischen 50 kHz und 50 MHz.

Das Steuergerät 16 ; 150 ist weiterhin derart ausgelegt, daß das aktive Element 32, 133 geschaltet wird, damit der Verbraucher 34,135 über die Entnahmespule 30,131 nicht den Energiefluß von Koppelspule zur Speicherspule stört. Es wird durch das aktive Element 32,133 also vermieden, daß die für den Energiefluß notwendige Resonanz zwischen Koppelspule (n) und Speicherspulenanordung 22,121 durch den Verbraucher gestört wird.

Beispiele für die vorliegende Erfindung werden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert : Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild mit HF-Empfangskreis, RF- Speicherkreis und NF-Lastkreis, Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild für die Ausführung der Schaltkreise aus Fig. 1, Fig. 3 gibt ein Beispiel für das aktive Schaltelement im Lastkreis von Fig. l, Fig. 4 zeigt ein vollständiges Blockschaltbild mit HF-Empfangskreis, RF- Speicherkreis, NF-Lastkreis, Prozeßsteuergerät und Betriebszustands- steuerung, Fig. 5 zeigt das schematische Schaltbild TSR-1 für die Ausführung der Schalt- kreise aus Fig. 4, Fig. 6 zeigt das schematische Schaltbild TSR-2 für die Ausführung der Schalt- kreise aus Fig. 4, Fig. 7 zeigt das schematische Schaltbild TSR-3 für die Ausführung der Schalt- kreise aus Fig. 4, und Fig. 8 a-c zeigen Formen der Koppelspulen im HF-Empfangskreis bzw. Formen der optionalen Erdschlußkoppelspulen im RF-Speicherkreis.

Fig. 1 zeigt den Strahlungsenergiekonverter mit seinem Hochfrequenzempfangskreis 10, einem Radiofrequenzspeicherkreis 12, einem Niederfrequenz-Lastkreis 14 und einem Steuergerät 16. Der Empfangskreis 10 besitzt eine Antenne 18 sowie eine mit dieser verbundene Koppelspule 20. Bei dem dargestellten Beispiel handelt es sich um eine 1800 mm lange Stabantenne. In dem Steuergerät 16 laufen die Meßsignale der Meßeinrichtungen 52,54 und 56 zusammen.

Fig. 4 zeigt den Strahlungsenergiekonverter mit seinem Hochfrequenzempfangskreis 110, einem Radiofrequenzspeicherkreis 120, einem Niederfrequenz-Lastkreis 130, einem Prozeßsteuergerät 150 und einem Betriebszustandssteuergerät 160. Der Empfangskreis 110 besitzt eine Antenne 111 sowie eine mit dieser verbundene Koppelspule 119. In dem Prozeßsteuergerät 150 laufen die Meßsignale der Meßein- richtungen 151,153, und 154 zusammen. Die Bauteile sind wie folgt bezeichnet : Baugruppenbeschreibung zur Figur 4 (vollständiges Blockschaltbild) Hauptschaltkreise 110= Empfangskreis 120 = RF-Energiespeicherkreis (Flachspulenbaugrupen des Spulenresonators) 130 = Lastkreis 150 = Steuergerät mit Leitsystemanbindung 160 = (Kalt-) Startvorrichtung mit Speicherbatterie Einzelbaugruppen im Empfangskreis 110 111 = Antenne 112 = Filterbaugruppe, optional mit Antennenspule 119 = Koppeleinrichtung (z. B. Kegelspule oder Flachspule + Zusatzbau- gruppen) 151 a = Sensoren zur Messung von Spannung und Strom zwischen Antenne und Koppelspule 151b = Sensoren zur Messung von Spannung, Strom und magnetischer Felder an der Filterbaugruppe 151c = Sensoren zur Messung der magnetischen Felder an der Koppelein- richtung 151d = Meßeinrichtungen für Wetterdaten 15 le = Meßeinrichtungen für elektromagnetische Impulse aus der Atmosphäre (Sferics) Einzelbaugruppen im RF-Energiespeicherkreis 120 121 = Speicherspulenanordung des Spulenresonators bestehend aus Flach- spulenbaugruppen und Kegelspulen 122a = obere Flachspulen der Speicherspulenanordung 121 122b = obere Flachspulen der Speicherspulenanordung 121 123 = Röhrenelement z. B. Plasmaröhre 125 = Signalkonditionierungsspulen für Röhrenelement 123 126 = Spezialfrequenzgenerator 127= Mischer 128 = Nadelpulsgenerator 129= Verstärker 152= Sensoren Einzelbaugruppen im Lastkreis 130 131 = Energieentnahmespule 132 = optionale Erdschlussspule (n), i. d. R. ausgeführt als Kegelspule (n) 133a, b = aktive Schaltelemente 135= Verbraucher wie z. B. Lastmotor 136 = Steuergerät für Verbraucher mit Schnittstelle zur Betriebszustands- steuerung 160 138 = Generatonnodul erzeugt Wechselstrom mit drehzahlabhängiger Fre- quenz 153 = Sensoren 154 = Schaltvorrichtungen zur galvanischen Trennung z. B. Relais, Schütz Prozeßsteuergerät mit Leitsystemanbindung 150 155a = Steuerausgänge zum HF-Empfangskreis 110, insbes. Filter 112 155b = Steuerausgänge zum RF-Speicherkreis 120 155c = weitere Steuerausgänge 156 = Messeingänge 157a = Schnittstelle zur Notabschaltung 157b = Schnittstellenmodul zum übergeordneten Leitsystem 170 und zur Betriebszustandssteuerung 160 158 = Prozessor (MCU, DSP) mit RAM 159 = Nichtflüchtiger Programm-und Datenspeicher z. B. HDD, Flashdisk Betriebszustandssteuerung 160 mit Startvorrichtung und Speicherbatterie 161 = Starter mechanisch z. B. pneumatisch oder"Handkurbel" 162 = Starter elektrisch ("Anlasser") 163 = Energiekonditionierungsmodul (erzeugt sinusförmigen Strom mit Netz- frequenz 50 Hz und Netzspannung 230 V) 165 = Netzsynchronisierungsmodul (für Netzparallelbetrieb bzw. Einspeisung, Anpassung der Phasenlage der Ausgangswechselspannung auf die Phase des Versorgungsnetzes) 166 Batteriespeicher (n x 12 V, je ca. 40 Ah) 167= Notabschaltung elektrisch 168 = Notabschaltung mechanisch Übergeordnetes Leitsystem 170 = Schnittstellenmodul des externen Leitsystems 180 = Steuerungsmodul des externen Leitsystems (Sollwertvorgabe, Steuerbe- fehle) 190 = Energiekonditionierungsmodul des externen Leitsystems Für die Antennen kann beispielsweise eine Stabantenne aus Kupfer/Alu- minium/Eisen/V2A eingesetzt werden, die einen Durchmesser von 2 bis 35 mm und eine Länge von 1200 bis 2500 mm besitzt. Eine solche Stabantenne besitzt bei einer Länge von 1800 mm eine Resonanzfrequenz von 41.67 MHz nach dem \/4-Krite- rium (für Antennenlänge L = 1800 mm =,/4-)- = 7.2 m-"f=c/= 41.67 106 Hz = 41. 67 MHz).

In einem zweiten Beispiel wird eine Stabantenne aus Kupfer/Aluminium/Eisen/V2A mit einem Durchmesser von 2 bis 35 mm und einer Länge von 1800 mm verwendet, die mit zwei parallelen Kupferlackdrähten mit einem Durchmesser von ungefähr 0,8 bis 1,5 mm umwickelt ist. Alle 8 bis 25 cm ist parallel zwischen diesen ein Konden- sator mit einer Kapazität von 10 pF bis 100 nF geschaltet. Auch ist es möglich, statt eines Kupferlackdrahts Kupferlitze mit Isolierung zu verwenden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist die Stabantenne mit zwei Cadeus-förmig zueinander- liegenden Leitungen aus Kupfer-Lackdraht umwickelt, die zusätzlich alle 8 bis 25 cm mit parallel geschalteten Keramik-oder Folienkondensatoren kapazitiv gekop- pelt sind. Auch hier können wieder alternativ zu dem Kupfer-Lackdraht Kupfer- drähte oder-litzen mit Isolierung eingesetzt werden, die einen größeren Durch- messer von ungefähr 1,2 bis 3 mm besitzen..

Ein weiterer Ansatz für die Antenne ist eine sogenannte Djed-Hohlraumantenne aus Kunststoffrohr und Aluminiumrohr mit einem Durchmesser von 10 bis 40 mm und einer Länge von 600 bis 2000 mm, die mit zwei parallelen Leitungen aus Kupfer- lackdraht umwickelt ist. Auch hier ist es wieder möglich, diese in der vorgenannten Art kapazitiv miteinander zu koppeln. Zusätzlich wird bei der Djed-Hohlrauman- tenne der Innenraum des Hohlrohres abwechselnd mit zylinderförmigen Form- stücken oder Mineralien-Kunstharzgußstücken aus einem oder mehreren der folgen- den Mineralien gefüllt : - Siliziumoxid-Kristalle als Quarz oder Quarzite, z. B. Bergkristall, (Rosen-) quarzit, Amethyst - Ferrit, z. B. Zink-Mangan-Ferrit mit Korngrössen (Maximum) zwischen 10 llm bis 500 Am, -Granit-Glimmer, - Alkali-Halogenid-Kristalle. oder Kristallite mit kubischen Kristallgitter wie Cäsiumchlorid (einfach kubisches Kristallgitter), Natriumchlorid (kubisch flächenzentriertes Kristallgitter), Kaliumfluorid, die bevorzugt aus natürlichen Vorkommen stammen.

Diese säulenartig in dem Rohr aufeinandergeschichteten Mineralienstücke dienen bei geeigneter Anregung als elektromagnetische Torsionswellen-bzw. als XHF- Resonator (extrem high frequency).

Eine weitere Möglichkeit für die Ausgestaltung der Antenneneinrichtung 18 ; 111 besteht darin, eine Stickfire-Antenne zu verwenden, wie sie beispielsweise über die Firma Stickfire erworben werden kann. Bevorzugt sind NI innere Spulensegmente aus Kupfer-Lackdraht (Durchmessercu ungefähr 0, 8 bis 2 mm, N gleich 10 bis 50, Spulenbreite L1 gleich 10 mm bis 100 mm, Spule optional mehrlagig) mit seriell geschalteten, wechselstromtauglichen Kondensatoren (Kapazität C ungefähr 10 pF- 100 nF). Die Kondensatoren können unterschiedliche Kapazitäten Ci haben.

Auch ist es möglich, eine sogenannte Stickfire-Djed-Antenne vorzusehen, bei der zusätzlich ein Kristallresonator in dem inneren Hohlraum vorgesehen ist. Die Länge der als Kristallresonatoren eingesetzten Mineralienstücke beträgt hierbei ungefähr bevorzugt 10 bis 50 mm.

In einer weiteren Ausführung ist es auch möglich, polierte, isolierte, ebene Metall- platten aus Kupfer/Aluminium/Eisen/V2A mit einer Dicke von 0,5 bis 2 mm einzu- setzen, die bevorzugt Abmessungen von 20 x 20 bis 100 x 100 cm besitzen. Die Metalloberfläche kann mit einem geeigneten Flächenfraktal strukturiert werden, um die Antennenwirkung zu verbessern.

Eine solche Antenneneinrichtung 18 ist mit der Koppelspule 20 verbunden. Die Koppelspule 20 besitzt eine Kegelform. Im Falle eines hyperbolischen Kegels ist die Außenlinie durch eine gleichseitige Hyperbel gegeben. Die gleichseitige Hyperbel (YZ = X2-AZ) besitzt einen Hyperbelparameter von A = 1 bis 5 cm. Alternativ kann auch die gleichseitige Hyperbel der Form Y = A'/X mit dem Hyperbelparameter A' = 1 bis 5 cm2 verwendet werden (in der Literatur auch als sog."verkürzte Hyperbel" bezeichnet). Die Höhe der hyperbolischen Koppelspule beträgt bevorzugt 5 bis 25 cm, wobei der Durchmesser der Koppelspule 5 bis 60 cm beträgt. Die Spulen- wicklung besteht aus Kupferdraht oder Litze mit einem Durchmesser von 0,5 bis 5 mm und einer Windungszahl von 10 bis 350. Hergestellt wird eine solche hyperbo- lische Koppelspule auf einem hyperbolischen Kegel-Formkörper.

Der Radiofrequenzspeicherkreis 12 ; 120 besitzt eine Speicherspulenanordung 22 ; 121, die in dem Beispiel in Fig. 2 aus ein oder zwei Flach-oder Zylinderspulen besteht, deren Basisfrequenz (Eigenresonanz) im Bereich zwischen 100 kHz bis 2 MHz liegt. Die Feinabstimmung der Eigenresonanz erfolgt durch seriell gegen Masse geschaltete Kondensatoren.

Eine Pulsanregung der Speicherspulenanordung 22 ; 121 erfolgt durch einen Spezial- Frequenzgenerator 24 ; 126, bei einer Basisfrequenz und mehreren daraus abgeleite- ten Frequenzen. Die Mehrfachfrequenzen werden in einem Signalmischer 26 ; 127 additiv gemischt und über einen Verstärker 28 ; 128 verstärkt und an die Speicher- spulenanordung 22 ; 121 weitergeleitet.

In einer Ausgestaltung sind die Flachspulen in der Speicherspulenanordung 22 ; 121 als archimedische Spirale ausgelegt, deren Kurvenlinie durch die folgende Gleichung in Polarkoordinaten gegeben ist F (r, A x r x 0, wobei 0 < 2 7r.

Für den Spiralparameter (Ganghöhe) wird als Parameter bevorzugt A = 0,5 bis 3 eingesetzt. Der Innendurchmesser der archimedischen Spiralspule beträgt 0,2 bis 10 cm, der Außendurchmesser 5 bis 80 cm. Die Spulenwicklungen werden aus Kupfer- draht oder Litze hergestellt mit einem Durchmesser von 0,6 bis 5 mm, die Win- dungszahl beträgt 10 bis 300, wobei die Spule auf eine Grundplatte mit geeigneter Dielektrizitätskonstante montiert ist. In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Entnahmespule einen RF-Kern (amorphes Metall, beispielsweise Metglas @ der Fa.

Höneywell) und eine spezielle geometrische Resonanzabstimmung. Weiter alterna- tiv kann die Speicherspule einen stromdurchflossenen Kern besitzen.

Der Spezialfrequenzgenerator 24 ; 126 dient zur Pulsanregung des Spulenresonators bzw. der Speicherspulenanordnung 22 ; 121 und besitzt in dem dargestellten Beispiel fünf Kanäle mit separaten Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 250 kHz. Die Spannungsamplituden liegen im Bereich von 1 mV bis 1000 mV und auf TTL-Pegel (OV/5V). Die Ausgangsimpedanz beträgt z. B. 50 Ohm und ist angepaßt auf die Ein- gangsimpedanz des nachgeschalteten Verstärkers 128. Die Signalform kann beliebig eingestellt werden, insbesondere auf Sinus-, Rechteck-, Dreieck-und TTL-Recht- eck-Form.

Der mit 26 ; 127 bezeichnete Mischer kann zusätzlich auch einen Nadelpulsgenerator 129 enthalten, der für die Erzeugung kurzer DC-Pulse im Bereich von 10 ns bis 100 ns Dauer vorgesehen ist. Optional kann der Nadelpulsgenerator auch als separates Gerät ausgeführt sein.

Wenn kein Nadelpulsgenerator verwendet wird, dann besitzt der Verstärker 28 bevorzugt ungefähr die folgenden Kenndaten : Frequenzgang : 10 Hz bis 400 kHz Eingangsimpedanz : 50 Ohm (ggf. 10 kOhm umschaltbar) Eingangssignalpegel : 1 mV bis 1000 mV Ausgangsleistung : 200 W bis 600 W/2 Ohm (bei 200 kHz) Ausgangsspannung (Spitze-Spitze) : 20 V-300 V/0,5 Ohm (bei 200 kHz) Ausgangsstrom : bis 10 A Anschlußspannung : 230 V AC (50 Hz Netzstrom) Ausgangsspannung einstellbar : 12 V bis 75 V (Vspitze-Spitze) Leistungsaufnahme ca. 1000 W bei 600-800 W Ausgangsleistung Der Niederfrequenzlastkreis (14 ; 130) besitzt eine Entnahmespule 30 ; 131. Hierbei handelt es sich um eine oder mehrere Flach-, Ring-oder Zylinderspulen mit wenigen Windungen (in Summe 2 bis 20 Windungen), deren Basisfrequenz (Eigenresonanz) auf einer Subharmonischen der RF-Speicherspulenanordung 22,121 liegt, im Bereich zwischen 500 Hz bis 25 kHz. Die Feinabstimmung erfolgt durch einen parallel zur induktiven Last geschalteten Kondensator. Für diesen ist eine Spannungsfestigkeit bis ca. 400 V erforderlich.

Aufgebaut ist die Energieentnahmespule aus einem Kupferdraht mit einem Durch- messer von 1 bis 10 mm oder einem Kupferweichrohr mit einem Außendurchmesser von 8 mm bis 16 mm. Der Spulendurchmesser der Niederfrequenzenergie- entnahmespule ist größer als der Spulendurchmesser der Radiofrequenzspeicher- spule. Als Montageträger ist hier eine Platte aus Plexiglas (Polyacryl), Hartpapier, anderen Kunststoffen oder schwer entflammbarem Kompositwerkstoff vorgesehen.

Die Entnahmespule 30,131 ist mit einem aktiven Element 32,133a gekoppelt, mit dem ein Verbraucher 34,135 verbunden ist. Obwohl das aktive Element verschieden ausgelegt werden kann, beispielsweise auch durch Halbleiterelemente, wird nachfolgend der Aufbau mit Hilfe der Röhrentechnik beschrieben. Die Verbindung zwischen Entnahmespule 30,131 und dem aktiven Element 32,133a ist vor- zugsweise galvanisch, kann optional auch als induktive Kopplung aufgebaut sein.

Ein solcher Aufbau ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf die hohen Energie- dichten : P/A < 5 kW/cm2, I/A < 500 Ampere/cm2, wobei A die Querschnittsfläche für die Plasmaentladung ist.

Ein Beispiel für das aktive Schaltelement wird näher mit Bezug auf Fig. 3 erläutert.

Fig. 3 zeigt ein Glasrohr 34, das einen Durchmesser von ungefähr 25 bis 100 mm, bei einer Länge von 100 bis 500 mm, besitzt. Die Dicke der Glaswand beträgt hier- bei bevorzugt ungefähr 5 mm. Gehalten wird das Glasrohr 34 zwischen zwei Gummiauflagen 36 jeweils am Rohrende. Die Gummiauflagen 36 sind wiederum auf Plexiglasplatten 38 der Abmessung von ungefähr 200 x 200 mm mit einer Dicke von 10 mm angeordnet oder auf Aluminiumabschlußkappen (Vakuumtechnik) mit eingeschliffener Kontaktfläche. Die Platte 38 ist mit Bohrungen für die entsprechen- den Anschlüsse versehen. Der Innenraum des Glasrohrs 34 wird über eine Pumpe 40 mit einem Gasgemisch, beispielsweise aus Helium und Argon, gefüllt.

Angeordnet in dem Glasrohr ist eine Trägerplatte 44, die die Elektroden 46 trägt.

Zwischen den Elektroden 46 ist ein Steuergitter 48 angeordnet. Die Anschlüsse für das Steuergitter 48 sind nicht dargestellt. Zur besseren Abstimmung des aktiven Elements 32 ist eine Elektrode in ihrer Position über einen ansteuerbaren Schritt- motor 50 verstellbar. Hierdurch können neben der Gitteransteuerung die Schalt- eigenschaften des aktiven Elements an die Erfordernisse angepaßt werden. Die Ansteuerung des aktiven Schaltelements 32 erfolgt über das Steuergerät 16. Nicht dargestellt in Fig. 3 ist eine Notabschaltung, beispielsweise durch eine Zwangsbe- lüftung oder eine schnelle, mechanische Elektrodentrennung.

Fig. 2 faßt den elektrischen Aufbau des Strahlungsenergiekonverters und des Steuergeräts noch einmal. zusammen : Zwischen Antenne 18 und Koppelspule 20 werden Strom und Spannung und die magnetische Flußdichte mit den Meßsensoren 58, 60 und 62 abgegriffen. Ferner werden elektromagnetische Effekte in der Atmo- sphäre (z. B. Sferics) über Meßeinrichtungen 64 gemessen oder von externen Meßeinrichtungen (nicht dargestellt) empfangen. Ebenso werden Wetterdaten 66 gemessen oder weitergeleitet. Die Koppelspule 20 ist mit einer Speicherspulen- anordnung 22 verbunden, die aus einer ersten Spule 68 und einer zweiten Spule 70 besteht, die über einen Kondensator 72 miteinander gekoppelt sind. Die erste Spule 68 wird durch den Verstärker 28 und den Mehrfrequenzgenerator sowie den Mischer 26 angeregt.

Die Entnahmespule 30 ist mit dem aktiven Element 32 verbunden, das in Fig. 2 als Röhrenelement dargestellt ist. In der Röhre sind die Löschspuleneinrichtungen 74 schematisch dargestellt. Das aktive Schaltelement 32 und die Spule 30 sind mit einem Verbraucher 76 verbunden. Zur Steuerung des Energiekonverters wird die über den Verbraucher 76 abfallende Spannung 78 und der Stromfluß 80 gemessen.