Impuls (Elektrotechnik)

Boeing E-4B in einem NEMP-Simulator

Ein elektromagnetischer Impuls, abgekürzt EMP, bezeichnet einen einmaligen kurzzeitigen, hochenergetischen, breitbandigen elektromagnetischen Ausgleichsvorgang. Es handelt sich dabei nicht um ein periodisches (pulsierendes) Ereignis, sondern um einen transienten Vorgang mit der wesentlichen Eigenschaft, in sehr kurzer Zeit auf einen bestimmten Maximalwert anzusteigen und dann vergleichsweise langsam auf den stationären Ruhewert abzufallen.

Meist ist die Bedeutung des Begriffs auf für elektrische Anlagen relevante Impulsspektren reduziert, also auf Wellenlängen zwischen 10 mm und 10 km.

Begriffserklärung

Der Begriff Impuls in diesem Kontext ist dabei nicht mit dem Begriff des physikalischen Impulses aus dem Bereich der Mechanik 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, als zeitlich begrenztes Signal, ein kontinuierliches, unbegrenztes Spektrum auf, während ein periodisch wiederholter Impuls, also eine periodische Rechteckfunktion beliebiger Puls weite, ein diskretes Linienspektrum aufweist (ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung).

Quellen elektromagnetischer Impulse und ihre Auswirkungen

Blitz (LEMP)

Blitze sind natürliche Entladungsvorgänge in der Atmosphäre, welche zu einer massiven elektromagnetischen Beeinflussung nicht nur im Bereich des Blitzkanals und des Einschlagpunktes führen, sondern auch in weit davon entfernten elektrischen Leitungen und Geräten. Der durch Influenz und Magnetfelder ausgelöste elektromagnetische Impuls wird auch LEMP (engl. Lightning Electromagnetic Pulse) genannt. Weitere Informationen finden sich im Artikel Blitz.

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 modell). Je nach Koppelnetzwerk und Größe des Kondensators können verschieden starke Impulse bzw. Impulsformen für Prüfzwecke erzeugt werden.

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 Eisenbetongebäuden 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 hohe 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.

Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP)

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 so genannten 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 schlagartigen Ionisierung: Dabei werden aus den Molekülen Elektronen herausgeschlagen, so genannte Primärelektronen, von denen ein großer Anteil die ursprüngliche Richtung des Gammaquants beibehält und sich Richtung dichterer Atmosphärenschichten bewegt. Ein Teil dieser freien Elektronen verursacht wegen der hohen Energie in Folge weitere Stoßionisationen und setzt dabei weitere so genannte 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 im 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.

Eine Wirkung ähnlich einem NEMP kann auch durch starke Gammastrahlungsblitze natürlichen Ursprungs ausgelöst werden, beispielsweise durch Pulsare oder Gammastrahlenausbrüche, wenn sie der Erde nahe genug sind und ihr Gammastrahlungs-Leuchtkegel zufällig genau die Erde trifft, so dass die Intensität der Gammastrahlung stark genug ist. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist jedoch sehr gering, denn zur Zeit ist kein hinreichend naher Pulsar bekannt, und Gammastrahlenausbrüche werden zwar recht häufig beobachtet, treten jedoch auf das gesamte beobachtete Universum verteilt auf und sind somit innerhalb der Sonnenumgebung außerordentlich selten. Zudem existiert in der näheren Sonnenumgebung kein Objekt, das nach heutigen Vorstellungen als Ursprung eines Gammastrahlenausbruchs in Frage kommt.

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.

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.

Schutz

Ein Schutz vor EMP 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.

Der elektromagnetische Puls kann als Waffe oder für Anschläge benutzt werden und dann auch außergewöhnlich schwere Folgen haben.^[2]

Belege

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, Bonn 2006, S. 30-32, 86, 90 (Zusammenfassung)

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektromagnetische Verträglichkeit. 4. Auflage, Springer Verlag, ISBN 3-540-60787-0
• Johannes Wilhelm e. a.: Nuklearer-elektro-magnetischer Puls (NEMP): Entstehung, Schutzmaßnahmen, Messtechnik. Band 110, expert-Verlag, ISBN 3-88508-929-7