Spulenkanone

Eine Spulenkanone bewegt ein Geschoss allein durch Magnetismus, ohne Pulver. Eine Reihe von Drahtspulen um ihren Lauf zieht ein eisernes Geschoss hindurch, eine Spule nach der anderen. Charles Grafton Page beschrieb 1845 ein „magnetisches Gewehr“, und 1903 endete Kristian Birkelands Versuch, eine elektromagnetische Kanone zu verkaufen, mit einem Kurzschluss.

Was es ist

Eine Spulenkanone schleudert ein Geschoss allein mit Magnetismus. Ihr Lauf ist ein gerades Rohr, um das hintereinander Spulen aus isoliertem Draht liegen. Fließt Strom durch eine Spule, zieht sie ein Stück Eisen in ihre Mitte. Spulen, die nacheinander eingeschaltet werden, ziehen das Geschoss immer schneller durch das Rohr, und es verlässt die Mündung mit der gewonnenen Geschwindigkeit. Nichts verbrennt, und kein Gas treibt es an. Man nennt das Gerät auch Gaußgewehr. Es unterscheidet sich von der Schienenkanone, einem anderen elektromagnetischen Werfer, die zwei Schienen statt Spulen verwendet.

Die erste Spulenkanone war eine wissenschaftliche Kuriosität. Kristian Birkeland wollte später eine als Geschütz verkaufen, ohne Erfolg, und in den 1970er-Jahren bauten Ingenieure nach diesem Prinzip Modelle von Startanlagen, die auf dem Mond abgebautes Gestein ins All schleudern sollten.

Wie es funktioniert

Eine stromdurchflossene Spule zieht einen Eisenstab in sich hinein und hält ihn fest.

Strom in einer Drahtspule erzeugt ein Magnetfeld, das im Inneren der Spule und entlang ihrer Achse am stärksten ist. Ein Stück Eisen in diesem Feld wird selbst zum Magneten, und seine Pole richten sich so aus, dass es zur Stelle des stärksten Feldes gezogen wird, der Mitte der Spule. 1845 beschrieb Charles Grafton Page, wie eine Spule einen Eisenstab bis in ihre Mitte hinaufziehen und dort halten konnte, frei schwebend und ohne sichtbare Stütze.

Dieselbe Anziehung macht das Gerät schwer zu bauen. Die Spulen beschleunigen das Geschoss nur, wenn sie nacheinander wirken, in der richtigen Reihenfolge und im richtigen Augenblick, und sowohl Page als auch Birkeland mussten einen Weg finden, das zu erreichen.

Das Geschoss muss nicht aus Eisen sein. Es kann eine eigene Spule tragen, und die Kräfte zwischen dem Strom in dieser bewegten Spule und den Strömen in den Spulen des Laufs treiben es dann vorwärts. Birkeland erprobte diese Anordnung in einer späteren Fassung seiner Kanone, und die Modelle von Massenbeschleunigern der 1970er-Jahre trugen ihre Last in einem Behälter, dem „bucket“, den eine Reihe von Antriebsspulen vorwärtsschob.

Die Spulen brauchen sehr starke Ströme für sehr kurze Augenblicke, und diese Versorgung ist das eigentliche Problem. Ein Fehler kann die gespeicherte Energie auf einmal als Lichtbogen oder Kurzschluss freisetzen, wie bei Birkelands Vorführung von 1903.

Geschichte und Entwicklung

Page stellte sein magnetisches Gewehr von 1845 als Vorführgerät vor.

Charles Grafton Page, Professor für Chemie und Pharmazie und Prüfer am Patentamt der Vereinigten Staaten, untersuchte die Zugkraft einer Spule auf einen Eisenstab. In einem Aufsatz über einen neuen elektromagnetischen Motor, der 1845 im American Journal of Science erschien, beschrieb er ein „galvanic or magnetic gun“. Hintereinander angeordnete Drahtspulen bildeten den Lauf, der mit Schaft und Verschluss versehen war, und trieben einen Eisenstab hindurch. Page stellte es unter Instrumente für Forschung und Unterhaltung. Als Beamter des Patentamts durfte er keine Patente anmelden und veröffentlichte seine Erfindungen deshalb. Dieselbe Zugkraft einer Spule auf einen Stab trieb die Motoren an, die er baute, Verwandte des Elektromotors.

Kristian Birkeland, seit 1898 Professor für Physik an der Universität in Kristiania, dem heutigen Oslo, erforschte das Polarlicht und brauchte Geld für seine Arbeit. Bei Versuchen mit starken Magneten kam er auf eine militärische Anwendung und gründete 1901 eine Firma, die eine Kanone entwickeln sollte, deren magnetisches Geschoss vom Feld einer Reihe von Spulen entlang des Laufs angetrieben würde. Er ließ die Konstruktion patentieren. Am 6. März 1903 führte er sie im alten Festsaal der Universität vor, vor Publikum, darunter Vertreter der Rüstungsfirmen Armstrong und Krupp; Eydes Erinnerungen und mehrere darauf gestützte Darstellungen nennen den 6. Februar. Ein Kurzschluss im Inneren der Kanone erzeugte einen riesigen Blitz und einen ohrenbetäubenden Lärm. Das Geschoss traf trotzdem seine Zielscheibe aus dicken Planken, doch Birkeland verkaufte weder sein Patent noch eine einzige Kanone.

Die Versuche mit der Kanone hatten noch eine andere Folge. Birkeland hatte gesehen, dass sich ein elektrischer Lichtbogen in einem Magnetfeld zu einer Scheibe ausbreitet. Anfang 1903 lernte er den Ingenieur Sam Eyde kennen, der einen sehr großen Lichtbogen suchte, um aus Luft Stickstoffverbindungen herzustellen, und am 20. Februar 1903 meldete Birkeland aufgrund einer Vereinbarung mit Eyde ein Patent auf ein Verfahren mit einem solchen Lichtbogen an. Das Birkeland-Eyde-Verfahren gewann Dünger aus der Luft und führte zur Gründung von Norsk Hydro.

Mass Driver One, 1977 am MIT gebaut, schob einen kleinen Behälter durch eine Reihe von Antriebsspulen.

In den 1970er-Jahren kehrte das Prinzip für einen friedlichen Zweck zurück. Der Physiker Gerard O’Neill schlug vor, auf dem Mond abgebautes Material mit einem Massenbeschleuniger ins All zu bringen, einer langen Reihe von Spulen, die Behälter mit Mondgestein beschleunigen. Baumaterial von der Erdoberfläche aus zu starten schien viel zu teuer, und die geringe Schwerkraft des Mondes machte ihn zur besseren Quelle. 1977 bauten Studierende des Massachusetts Institute of Technology mit Henry Kolm und O’Neill ein funktionierendes Modell, Mass Driver One, und führten es auf einer Tagung über Fertigung im Weltraum in Princeton vor. Größere Versionen folgten in Princeton und am MIT.