Gaußgewehr

Bei einer ferromagnetischen Gaußkanone (englisch Reluctance Coil Gun) handelt es sich um eine Waffe, die ein ferromagnetisches Geschoss mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte beschleunigt. Zum Beschleunigen wird durch eine vor dem Geschoss befindliche Spule elektrischer Strom geleitet. Das dabei erzeugte Magnetfeld zieht das Geschoss an und beschleunigt es so ins Spulenzentrum. Das Magnetfeld muss rechtzeitig abgeschaltet werden, bevor das Geschoss das Zentrum erreicht, andernfalls hat es eine bremsende Wirkung (man stelle sich einen Pfeil vor, der mit der Sehne des Bogens verbunden bleibt). Durch das sequenzielle Aktivieren von mehreren hintereinandergestellten Spulen lassen sich immer höhere Geschwindigkeiten erreichen (sog. Multistage Coilgun).

Der dazu notwendige kurze und sehr kräftige Stromimpuls wird meist mit Hilfe von Kondensatoren erzeugt, die über die Spule kurzgeschlossen und somit schlagartig entladen werden. Problematisch ist dabei das zeitlich exakte Abschalten der Spule und die Sättigungsmagnetisierung des Projektils. Konstruktionen, die den Spulenstrom gesteuert abschalten, wenn das Geschoss einen bestimmten Punkt erreicht hat, verfügen über Sensoren und eine Signalrückführung (closed-loop). Bei Anlagen, bei denen der Strom solange durch die Spulen fließt, bis der Energiespeicher erschöpft ist, wird der Ort des Projektils nicht detektiert, es liegt keine Signalrückführung vor (open-loop). Solche Anlagen funktionieren nur bei genauer Abstimmung der Projektilmasse auf die Stromkreise. Auch das ferromagnetische Material, aus dem das Geschoss besteht, beeinflusst die Magnetfelder der Spulen nichtlinear, was Berechnungen schwierig macht.

Wenn die Elektrische Leitfähigkeit des Materials, aus dem das Projektil besteht, zu hoch ist, werden durch das sich verändernde Magnetfeld Wirbelströme im Projektil erzeugt. Diese haben nicht nur eine bremsende Wirkung auf das Projektil, sondern erhitzen es auch durch Induktive Erwärmung. Sobald die Temperatur des Projektils die Curie-Temperatur seines Materials übersteigt (bei Eisen 768 °C), hört es auf, ferromagnetisch zu sein. Dadurch fällt die Vortriebskraft durch das Magnetfeld weg, während die Bremskraft durch die Wirbelströme weiter wirksam bleibt. Abhilfe besteht in der Verwendung von Ferriten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit oder von lamelliertem oder gewickeltem Dynamoblech. Alternativ dazu kann elektrisch leitfähiges Material nach Erreichen des Curiepunktes nach dem Prinzip der induktiven Gaußkanone weiter beschleunigt werden.

Dieser Typ verwendet nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Projektile (meist aus Kupfer oder Aluminium). Bei diesem Typ wird ein sehr starkes und sich schnell änderndes Magnetfeld in den Spulen erzeugt. Dieses bewirkt durch Wirbelstrom bzw. die durch dessen Magnetfeld hervorgerufene Feldverdrängung eine abstoßende Kraft auf das Projektil und beschleunigt es von der Spule weg (auch als Thomson-Effekt bezeichnet). Auch hier lässt sich das Magnetfeld vorteilhaft mit einem Kondensator erzeugen, der in eine Spule entladen wird – es entsteht eine gedämpfte Schwingung. Die Spannung des Kondensators ist typischerweise mehrere kV, damit die Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Spule hoch ist und starke Wirbelströme entstehen. Der Stromimpuls ist bei dieser Methode meist kürzer als beim ferromagnetischen Modell. Der elektrische Impuls muss nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeschaltet werden, was die Konstruktion vereinfacht. Die Abwesenheit von Eisen lässt auch bei Magnetfeldern über dessen Sättigungsinduktion eine weitere Steigerung der Wirkung zu – die Maximalstärke wird im Wesentlichen nur durch die mechanische Festigkeit der Spule begrenzt. Die Geschosse haben meist Ringform, was sich vorteilhaft auf die induzierten Ströme auswirkt und einen Kompromiss zwischen möglichst geringem Luftwiderstand und großer Querschnittsfläche darstellt.

Das Verfahren wird auch zur Material-Umformung angewendet, siehe Magnetumformung.

Ein Spezialfall der induktiven Gaußkanone ist die von Andrei Dmitrijewitsch Sacharow im Jahre 1953 erfundene Plasma-Kanone. Ein Magnet-kumulativer Generator vom Typ 2 (MK-2), der auch als Flusskompressionsgenerator bezeichnet wird, erzeugt einen Magnetfeld-Puls von 2 Millionen Gauß oder 200 Tesla, der einen Strom von 100 Millionen Ampere induziert. Dadurch wird ein kleiner Aluminiumring durch die induzierten Wirbelströme zu einem auf 100 km/s beschleunigten Plasma-Torus verdampft. Durch das Magnetfeld des im Plasma-Torus fließenden Ringstromes wird das Plasma eingeschlossen und komprimiert (Pinch-Effekt). Im Vakuum behält der Plasma-Torus seine Geschwindigkeit bei.

Als Wirbelstrombeschleuniger wird eine Anordnung bezeichnet, bei der eine flache Spule eine leitfähige Scheibe aus Aluminium (Sabot) beschleunigt[2]. In der Mitte der Scheibe liegt ein Projektil (Stahlkugel), welches aufgrund der Impulsübertragung eine wesentlich größere Geschwindigkeit (nahezu Schallgeschwindigkeit) erhält als die Scheibe.