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1.0 Elektromagnetische Wellen
1.1 Schwingkreis
1.2 Das Hertz’sche Dipol
1.3 Elektromagnetische Wellen
2.0 Nuklearer Elektromagnetischer Impuls
2.1 Gamma Strahlung
2.2 Der Compton Effekt
2.3 NEMP in höheren Schichten der Atomsphäre
2.4 NEMP an der Erdoberfläche
3.0 Technische erzeugter EMP
3.1 „ Flux Compression Generator “
3.2 „Explosiv oder Treibstoffgetriebenen hydrodynamischen Generatoren“
4.0 Anfälligkeit elektronischer Bauteile für (N) EMP
5.0 Schutz von elektronischen Bauteilen vor (N) EMP
6.0 Bildernachweis
Michael Weber – Atomar und technisch verursachter elektromagnetischer Impuls
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1.0 Einleitung
2.0 Elektromagnetische Wellen
Um das Phänomen des ( nuklearen ) Elektromagnetischen Impulses zu veranschauliche n
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) .
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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 umge wandelt 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“1 .
1
Metzler Physik ; 1998 Schrödel Verlag Hannover ; S. 287 ;
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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 .
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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.
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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 .
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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.
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3.4 Nuklearwaffenexplosion am Boden :
Da in der unteren Schicht der Atomsphäre die Luftdichte natürlich höher ist als in den oberen
Schichten der Atomsphä re 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 .
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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 ” 2
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 ze hntel
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 .
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http://lansce.lanl.gov/research/accelerators/fortgang.htm
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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
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Spitzenströme von einem zehntel
Mega
Ampere
Spitzenenergien
und
von
einem
zehntel Mega Joule hin.
Die
heißt
Strommultiplikation
das
Anfangsstrom
Verhältnis
und
(das
von
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.
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4.2 „Explosiv oder Treibstoffgetriebenen hydrodynamischen Generatoren“
Die
Konstruktion
Generatoren“
3
von
Explosiv
oder
„Treibstoffgetriebenen
hydrodynamischen
( 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 is t 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 .
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http://www.airpower.maxwell.af.mil/airchronicles/kopp/apjemp.html
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5.0 Anfälligkeit elektronischer Bauteile für (N) EMP
Computerausstattung 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 EMPEffekt 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.
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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 unvermeid lich , 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 .
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7.0 Schlusswort
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8.0 Bildernachweis :
Bilder Seite 4 ; 5 :
Metzler Physik 1998 Schrödel Verlag Hannover
Bilder Seite 12 ; 15
http://www.airpower.maxwell.af.mil/airchronicles/kopp/apjemp.html
Bilder Seite 7 ; 8 ; 9 :
http://www.usace.army.mil/inet/usace-docs/eng-pamphlets/ep1110-3-2/c-2fig.pdf
Bild Seite 11 :
http://lansce.lanl.go v/research/accelerators/images/fortfig1.gif
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