Elektromagnetischer Puls

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Der elektromagnetische Impuls oder auch elektromagnetische Puls (englisch electromagnetic pulse, abgekürzt EMP) bezeichnet eine kurzzeitige breitbandige elektromagnetische Strahlung, die bei einem einmaligen, hochenergetischen Ausgleichsvorgang abgegeben wird.

Ein energetisch hoch angeregtes System klingt unter Aussendung des elektromagnetischen Impulses in den Grundzustand ab. Ursache sind meist elektrostatische Aufladungsprozesse etwa durch Gewitter oder nukleare Explosionen, aber auch in speziellen elektrischen Schaltungen. Im sichtbaren Spektrum kann dieser Prozess als Lichtblitz wahrgenommen werden.

Durch die Wechselwirkung der niederfrequenten elektromagnetischen Strahlungsanteile mit freien Ladungsträgern in Metallen und Halbleitern werden dort starke, kurzzeitig schwankende Ströme induziert. In nicht oder unzureichend abgeschirmten elektrischen Geräten kann dies zu Fehlfunktionen bis hin zum Totalausfall oder sogar zur Zerstörung einzelner elektronischer Bauteile führen. Für technische Anwendungen wird der Begriff meist auf das hier relevante Frequenzspektrum mit Wellenlängen zwischen 10 mm und 10 km beschränkt.

Boeing E-4B in einem NEMP-Simulator

Allgemeines

Der Begriff Impuls in diesem Kontext ist dabei nicht mit dem Begriff des mechanischen Impulses aus dem Bereich der Physik zu verwechseln.

Mathematisch ist ein Impuls als eine einmalige Zeitfunktion f(t) einer physikalischen Größe wie Feldstärke, Spannung oder Druck darstellbar. Wird ein Impuls mit der Periode T laufend wiederholt, spricht man von einem Puls mit der Pulsfrequenz f = 1/T. Diese Begriffsdefinition folgt der deutschsprachigen Fachliteratur, insbesondere sei dazu auf Theoretische Elektrotechnik[1] von Karl Küpfmüller verwiesen.

In der englischsprachigen Literatur wird hingegen meist kein Unterschied zwischen den Begriffen Impuls und Puls gemacht. Die im Deutschen übliche begriffliche Trennung hat jedoch Vorteile für das Verständnis. Insbesondere kann ein Puls durch eine Überlagerung einer diskreten Reihe harmonischer Schwingungen dargestellt werden. Für einen Impuls benötigt man eine kontinuierliche Überlagerung von harmonischen Schwingungen. Ein einzelner Impuls weist somit ein kontinuierliches Spektrum auf, während ein periodisch wiederholter Impuls ein diskretes Linienspektrum aufweist.

Natürliche Quellen und ihre Auswirkungen

Blitz (LEMP)

Hauptartikel: Blitz

Blitze sind natürliche Entladungsvorgänge in der Atmosphäre, welche zu einer massiven elektromagnetischen Beeinflussung vor allem im Bereich des Blitzkanals und des Einschlagpunktes führen. Diese Wirkung kann durch metallische Leitungen weitergeleitet werden und somit weitreichende Schäden bewirken. Dieser elektromagnetische Impuls wird auch LEMP (engl. Lightning Electromagnetic Pulse) genannt.

Magnetohydrodynamischer EMP

Dieser Impuls mit einer vergleichsweise langen Dauer, im Bereich von Sekunden bis zu einigen Minuten, wird durch natürliche thermische Ausgleichsvorgänge in der Erdatmosphäre ausgelöst. Ursache ist eine Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld und ionisierten Gasmassen in der Erdatmosphäre. Bei diesem Impuls kann es zur induktiven Einkopplung niederfrequenter Ströme in räumlich weitflächig ausgedehnten Energieversorgungsnetzen kommen, welche beispielsweise zu Sättigungserscheinungen in Leistungstransformatoren führen kann. Die Folge können Stromausfälle sein.

Elektrostatische Entladungen

Bei der Funkenentladung elektrostatisch geladener Körper entstehen transiente Spannungen und Ströme, verknüpft mit transienten elektrischen und magnetischen Feldern, welche einen elektromagnetischen Impuls erzeugen.

Die Vorgänge und Gegenmaßnahmen werden unter dem Begriff ESD zusammengefasst. Durch derartige Entladungen kann es zur Schädigung oder Zerstörung von elektronischen Bauteilen kommen.

Für Prüfzwecke können solche Entladungsvorgänge auch durch Hochspannungskondensatoren erzeugt werden. Hierzu wird ein Kondensator auf die Testspannung aufgeladen und dann über einen definierten Widerstand in das zu prüfende Bauteil entladen. Man simuliert damit die Handhabung eines Bauteiles durch eine elektrostatisch aufgeladene Person (human body model). Je nach Koppelnetzwerk und Größe des Kondensators können verschieden starke Impulse bzw. Impulsformen für Prüfzwecke erzeugt werden.

Asteroideneinschlag

Ein Impakt kann ebenfalls einen EMP auslösen, dessen Wirkung einem nuklearen elektromagnetischen Impuls (NEMP) ähnelt.

Künstliche Quellen und ihre Auswirkungen

Geschaltete Induktivitäten

Durch hohe Stromimpulse in Spulen lassen sich starke elektromagnetische Impulse erzeugen. Beispiele sind Magnetspulen zur Untersuchung der Wirkung von hohen Magnetfeldern auf Materie. Diese Spulen können bei Feldern bis etwa 100 Tesla wiederverwendet werden, bei höheren Feldern werden sie jedoch zerstört. Zum mechanischen Schutz und zur magnetischen Abschirmung sind entsprechende Labore in dicken Stahlbetongebäuden untergebracht. Die durch Kondensatorentladung erzeugten Stromimpulse erreichen einige 100 Kiloampere, die Dauer liegt im Bereich von Millisekunden.

In Railguns und Wirbelstrombeschleunigern liegen ähnliche Verhältnisse vor.

Durch Impuls-Teslatransformatoren werden starke elektromagnetische Felder im Mittelwellenbereich erzeugt.

Auch das Abschalten von Induktivitäten führt zu elektromagnetischen Impulsen. Durch das Bestreben des elektrischen Stromes, beim Ausschaltvorgang weiter durch die Induktivität fließen zu wollen, entstehen an der Spule sehr hohe Spannungen, welche zu Funkenbildung führen können. Die Störimpulse breiten sich auf Leitungen aus, verursachen Signalstörungen und haben unter Umständen ähnliche Auswirkungen wie elektrostatische Entladungen. Solche Impulse treten beispielsweise beim Abschalten von Elektromotoren, Schützen und anderen induktiven Bauteilen auf. Eine häufige Störquelle dieser Art ist die Zündanlage von Otto-Motoren, in welcher der Effekt des Spannungsanstieges jedoch wie bei einem Funkeninduktor ausgenutzt wird.

Laserstrahlung

Auch starke Laserpulse lösen bei der Wechselwirkung mit Materie einen EMP aus. Laboratorien zu Forschungszwecken mit Laser-Strahlungsleistungen bis in den Petawattbereich weisen daher einen Strahlenschutz und entsprechende weitere Maßnahmen zum Schutz der Kommunikationsnetze auf.

Waffen und ihre Auswirkungen

Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP)

Militärisches EMP-Testgelände mit einer Boeing B-52 als Testobjekt auf der Kirtland Air Force Base, USA

Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls, abgekürzt NEMP (engl. Nuclear Electromagnetic Pulse) oder auch HEMP (High Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse) wird indirekt als Folge von intensiver Gammastrahlung in einigen 100 km Höhe über der Erdatmosphäre im Zusammenhang mit dem Erdmagnetfeld in der Atmosphäre durch den Compton-Effekt ausgelöst. Eine solch starke transiente Gammastrahlungsquelle ist nur durch eine Atomexplosion zu erzeugen.

Bis zum Verbot oberirdischer Kernwaffentests fanden solche Explosionen tatsächlich statt und beschädigten oder zerstörten in den betroffenen Gebieten Versorgungsnetze und Schiffe, so beim Kernwaffentest Starfish Prime über dem Pazifik am 9. Juli 1962.

Durch hochenergetische Gammaquanten im Energiebereich von einigen MeV aufwärts, die bei einer solchen Nuklearexplosion emittiert werden, kommt es an den Molekülen der obersten Schichten der Erdatmosphäre zu einer als Stoßionisation bezeichneten schlagartigen Ionisierung. Dabei werden aus den Molekülen Elektronen herausgeschlagen, von denen ein großer Anteil die ursprüngliche Bewegungsrichtung des aufgetroffenen Gammaquants erhält und sich somit in Richtung dichterer Atmosphärenschichten bewegt. Ein Teil dieser freien Primärelektronen verursacht wegen ihrer hohen Energie weitere Stoßionisationen und setzt dabei weitere Sekundärelektronen frei. Die auf die Erde zufliegenden negativen Elektronen und die zurückgebliebenen positiven Luftionen bilden einen transienten elektrischen Dipol. Aufgrund der Ablenkung der bewegten Ladungsträger im Erdmagnetfeld als Folge der Lorentzkraft entsteht dabei ein transienter magnetischer Dipol.

Diese zeitlich und räumlich schnell veränderliche Ladungs- und Stromverteilung der Dipole in oberen Atmosphärenschichten erzeugt ein breitbandiges, transientes Wellenfeld, welches erst den eigentlichen elektromagnetischen Impuls ergibt, der für Beeinträchtigungen von elektronischen Geräten und elektrischen Anlagen verantwortlich ist.

Ein NEMP ist im Unterschied zum LEMP durch die besonders steile Anstiegsgeschwindigkeit und somit Breitbandigkeit gekennzeichnet. Bereits nach 4 ns werden 90 % des Maximalwerts erreicht.

Der genormte NEMP, wie er in Prüflaboratorien zum Prüfen von Abschirmungen verwendet wird, weist als Maximalwert eine elektrische Feldstärke von 50 kV/m und eine magnetische Feldstärke von 133 A/m auf.

Ähnliche Effekte treten auch bei nuklearen Explosionen in Bodennähe auf. Dort ist die Wirkung des NEMP allerdings auf einen kleineren räumlichen Bereich beschränkt und durch die thermischen und mechanischen Effekte der Nuklearexplosion überlagert.

Weitere EMP-Waffen

Elektromagnetische Impulse können elektrische und vor allem elektronische Bauteile im Wirkungsbereich zerstören und werden daher vom Militär auch in Form bodengebundener EMP-Waffen eingesetzt (siehe auch: elektronische Kampfführung). Als Strahlungsquelle dient hierfür z. B. die gerichtete Mikrowellenstrahlung von relativistischen Magnetrons, die, aus Kondensatoren gespeist, Spitzenleistungen im Terawattbereich liefern.

Gefahrensituation

Die Schutzkommission beim Bundesminister des Innern hat einen eigenen Buchstabencode „E-Gefahren“, unterscheidet dabei aber nicht zwischen dem natürlichen EMP und dem künstlichen. E-Gefahren gehören zu den fünf aktuellen bzw. sechs bis 2016 erwarteten schwersten Gefahren.[2]

Schutz

Ein Schutz vor EMP, auch als EMP-Härtung bezeichnet[3], ist durch die Einkapselung der Geräte in einen Faradayschen Käfig und entsprechende Schutzschaltungen (Galvanische Trennung, Überspannungsableiter) auf allen elektrischen Zuleitungen möglich.

Bei Funkanlagen lässt sich die Abschirmung allerdings nur unvollkommen erreichen, da deren Antennen nicht abgeschirmt werden können und die elektromagnetischen Felder ins Innere leiten.

Räumlich weit ausgedehnte elektrische Leiter, wie Energieversorgungs- und Kupfer-Telekommunikationsnetze, sind vor allem durch LEMP bzw. NEMP gefährdet. Metallene Rohrleitungen sind auch durch NEMP gefährdet. Während Energieversorgungsnetze kaum geschützt werden können, kann man in Kommunikationsleitungen Trennübertrager oder -verstärker einbauen oder sie durch Glasfasernetze ersetzen. Rohrleitungen kann man zum Schutz stellenweise oder ganz aus isolierenden Werkstoffen herstellen.

Hausinstallationen (Energie und Kommunikation) lassen sich mit einigem Aufwand durch geeignete Erdung und Überspannungsableiter schützen.

EMP in Film und Fernsehen

In diversen Film- und Fernsehproduktionen kommen immer wieder EMPs vor. Beispiele dafür sind die Fernsehserien 24, bei denen ein EMP gleich in mehreren Staffeln zum Einsatz kommt und Schäden anrichtet, sowie Dark Angel, wo ein EMP im Pilotfilm dafür sorgt, dass die USA entwicklungstechnisch zurückgeworfen werden. Im Film Flucht aus L.A. wirft eine EMP-Waffe die gesamte Menschheit in ein vortechnologisches Zeitalter zurück, in Ocean's Eleven wird durch einen EMP-Generator die Stromversorgung von Las Vegas unterbrochen.

Einzelnachweise

  1. Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, 14. Auflage 1993, Springer Verlag, ISBN 3-540-56500-0
  2. Dritter Gefahrenbericht der Schutzkommission beim Bundesminister des Innern - Zusammenfassung
  3. Schlafender Drache www.spiegel.de, abgerufen am 8. März 2012

Literatur

  • Reinhard Breuer, Hans Lechleitner: Der lautlose Schlag. München 1982
  • Adolf J. Schwab: Elektromagnetische Verträglichkeit. 6. Auflage, Springer Verlag, 2011
  • Johannes Wilhelm e. a.: Nuklearer-elektro-magnetischer Puls (NEMP): Entstehung, Schutzmaßnahmen, Messtechnik. expert-Verlag, 1985
  • EMP protection for emergency operating centers. US Defense Civil Preparedness Agency, Washington D.C., 1972

Weblinks

  • The EMP threat: fact, fiction, and response part 1, part 2 thespacereview.com, abgerufen am 8. März 2012

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