Modellierung der Dämpfungscharakteristik von relativistischen Elektronenstrahlen in der Erdatmosphäre zur elektrischen Energieübertragung

Studienarbeit aus dem Jahr 2021 im Fachbereich Physik - Angewandte Physik, Note: 1, 2, Duale Hochschule Baden-Württemberg Mannheim, früher: Berufsakademie Mannheim (Fakultät Technik - Studiengang Elektrotechnik - Elektrische Energietechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Die drahtlose und effiziente Übertragung von elektrischer Energie über viele tausend Kilometer hinweg wäre ein Meilenstein in der elektrischen Energietechnik und hätte das Potenzial die Energie aus Energiereservoirs in entlegenen Gegenden an den Ort zu bringen, an dem sie in großen Mengen verbraucht wird. Um diesem Meilenstein ein wenig näher zu kommen, evaluiert die Arbeit die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie durch relativistische Elektronenstrahlen in der Erdatmosphäre.

Die Interaktionen von Elektronen mit Gasteilchen bilden die Grundlage zur Beschreibung der atmosphärischen Dämpfung von Elektronenstrahlen. Durch geeignete charakteristische Größen werden die Elektronenstrahlen beschrieben. Die Erdatmosphäre wird auf Basis eines idealen Gases modelliert, um Atmosphärenparameter abhängig von der Höhe über Meeresniveau berechnen zu können. Um die Dämpfung eines Elektronenstrahls in der Erdatmosphäre zu beschreiben, werden zwei Modelle entwickelt und in Matlab implementiert.

Das Worst Case Modell nimmt an, dass ein mit einem Gasteilchen interagierendes Elektron für die Übertragung verloren ist. Das Energieverlustmodell betrachtet den differentiellen Energieverlust der Elektronen je Wegstrecke. Beide Modelle kommen zu dem Ergebnis, dass eine hocheffiziente Übertragung, die mit konventionellen Übertragungsmethoden konkurrieren kann, nur in sehr großen Höhen möglich ist. Jedoch kann in entsprechenden Höhen auch eine Übertragung realisiert werden, die bei vernachlässigbaren Verlusten sehr große Entfernungen von mehreren tausend Kilometern überwindet.

Das ist möglich, da der Wirkungsgrad der Elektronenstrahlübertragung nicht proportional von der Übertragungsdistanz abhängt, wie es bei konventionellen Übertragungsmethoden der Fall ist. Die Übertragung elektrischer Energie durch Elektronenstrahlen eröffnet viele neue Möglichkeiten, birgt jedoch auch große Herausforderungen. Die elektrische Energie für die Übertragung in große Höhen zu bringen und effiziente Sende- und Empfangsanalgen für den Elektronenstrahl zu entwickeln, könnte sich möglicherweise als problematisch erweisen.