Railgun

Eine Railgun gehört auch zu den Massenbeschleunigern. Sie macht sich die sog. Lorentzkraft zunutze. Auf eine bewegte Ladung q mit der Geschwindigkeit v bzw. auf einen Leiter der Länge l durch den die Stromstärke I fließt wirkt in einem Magnetfeld B die Lorentzkraft gemäß den Formeln

Wie man am Kreuzprodukt erkennen kann, steht die Lorentzkraft normal auf v und B bzw. l und B!

Wie ist nun eine Railgun aufgebaut und was hat diese mit der Lorentzkraft zu tun. Nun, eine Railgun besteht aus 2 Metallschienen, zwischen den sich das bewegliche Projektil befindet. Das Projektil muss ebenfalls den Strom gut leiten können. Fließt nun ein hoher Strom I über eine Schiene zu, dann über das Projektil und schließlich über die andere Schiene ab, so entsteht ein Magnetfeld B, welches normal auf den Strom über das Projektil steht. Die daraufhin wirkende Lorentzkraft beschleunigt das Projektil zwischen den beiden Schienen.

Die Beschleunigung ist direkt proportional zur Stromstärke I. Demnach versucht man, hohe Stromstärken zu erzielen. Dies gelingt zum Beispiel mittels einer Kondensatorentladung wie schon bei der coilgun bzw. ETG angewandt.

Jetzt ergibt sich aber ein (großes) Problem bei der Railgun. Der hohe Strom fließt über die Kontaktflächen Projektil-Schienen und dennoch muss das Projektil sehr beweglich sein. Es darf sich zum Beispiel durch den hohen Strom nicht festschweißen.

Ich habe mit einem Projektil aus Plexiglas, durch das 2 Kupferkabel mit vielen Litzen geführt und dann umgebogen werden, gute Erfahrungen gemacht.

Die Kondensatorbank wird wieder mittels Thyristoren über das Projektil entladen. Dabei verwende ich insgesamt 24 parallel verschaltete Thyristoren des Typs 2N6509. Dieser ist mit 800 V/16 A spezifiziert und hält einen Impulsstrom (surge current) von 250 A aus. Zudem ist er günstig zu kaufen.

 

Meine Railgun besitzt 2 Kondensatorbänke mit einer Kapazität von jeweils C = 5600 µF. Da sie mit gleichgerichteter Netzspannung geladen werden, steckt in jeder der beiden Kondensatorbänke eine Energie von E = 1/2 · C · U² = 1/2 · 5.6 · 10^ -3 · 325² ≈ 296 J. Die Einzelkondensatoren besitzen eine Spannungsfestigkeit von 360 V und eine Kapazität von 700 µF.

Warum 2 Kondensatorbänke? Das Projektil ruht ja zu Beginn zwischen den Metallschienen. Die Entladung der ersten Kondensatorbank sorgt nun dafür, dass sich das Projektil in Bewegung setzt. Etwas zeitverzögert entlade ich dann die zweite Kondensatorbank, was das Projektil weiter beschleunigt. Dies soll effektiver sein als eine einmalige Entladung.

Um das Magnetfeld und damit die Beschleunigung zu erhöhen, besitzt der Aufbau insgesamt 4 Schienen. Die beiden inneren schließen das Projektil ein und die beiden äußeren verstärken das Magnetfeld, indem der Strom auch sie fließt. Die Verbindungskabel besitzen einen Querschnitt von 16 mm².

Hier nun die Bilder der fertigen Railgun: