Wie die rotierende Detonationsmaschine funktioniert

Sie können sich einen rotierenden Detonationsmotor als eine Art Impulsdetonationsmotor vorstellen - mit einer Wendung. Dies ist eine General Electric Frame 7FA-Gasturbine. Mit freundlicher Genehmigung der General Electric Company

Ein Motor, der für ein Schiff entwickelt wurde, passt nicht in ein Auto… aber Automobiltypen sind in der Regel von der neuesten Technologie für Pony und Booms fasziniert. Schließlich ist ein Motor ein Motor mit immenser Leistung (und wer weiß, wann solche Innovationen auf den zivilen Sektor übergreifen werden).

Schauen wir uns vor diesem Hintergrund den rotierenden Detonationsmotor an - eine Art Gasturbine, die auf Effizienz ausgelegt ist und einen sorgfältig konstruierten, konsistenten Zyklus von Einspritzungen und Explosionen aufweist. Es ist nicht gerade neu - das Patent wurde vor etwa 20 Jahren erteilt -, aber seit Ende 2012 kratzt es gerade an der Oberfläche seines Potenzials, Strom für große Verkehrsträger zu erzeugen.

Forscher sagen, dass der rotierende Detonationsmotor auch angepasst werden könnte, um elektrischen Strom für vollelektrische Schiffe und Flugzeuge zu erzeugen. Sobald wir so weit fortgeschritten sind, dass zuverlässige Boote und Flugzeuge hauptsächlich mit Elektrizität angetrieben werden.

Das US-Militär entschied sich für Investitionen in die Forschung und Entwicklung des rotierenden Detonationsmotors, zum Teil, weil die Technologie leicht skalierbar ist - die Größe des Motors kann erhöht werden, und die Stromerzeugung wird ebenfalls erhöht. (Ob Sie es glauben oder nicht, es funktioniert nicht immer so.) Wir wissen es also nie - vielleicht kann der rotierende Detonationsmotor eines Tages verkleinert werden und seine reibungslose Stromerzeugung kann alle Arten von Fahrzeugen antreiben.

Wir neigen dazu, den in einem Motor erzeugten Druck eher als kontrollierte als als unorganisierte "Detonation" zu betrachten - wir möchten, dass er vorhersehbar und nicht chaotisch ist. Wenn ein Motor jedoch einen typischen Zyklus mit ausreichender Präzision steuern kann, um eine konstante Leistung zu erzielen, kann er auch Detonationen steuern. Und der Druckstoß, den eine Detonation erzeugt, kann zu einem effizienteren Motor führen, wenn er richtig genutzt wird. Typischerweise mischt ein Motor Luft mit Kraftstoff, um ihn für die Detonation vorzubereiten, wenn der Kraftstoff seine Energie freisetzt. Der Wirkungsgrad der Energiefreisetzung des Kraftstoffs hängt jedoch stark vom Motortyp ab.

Hier unterscheidet sich das rotierende Detonationsmotor von gängigeren Arten von Gasturbinentriebwerken. Luft und Kraftstoff werden (wie üblich) gemischt, bevor sie in eine lange, kreisförmige Brennkammer eingespritzt werden, was "Physics Today" als "sequentielle, kreisförmige Weise" beschrieben hat. Die erste Detonation löst einen Zyklus aus, in dem der Zünddruck um die Kammer herum anhält und jede Injektion nacheinander angezündet wird. Der Druck von jeder Zündung hält den Zyklus in Bewegung. Der Druck drückt dann das Abgas aus dem Brennraum durch eine Abgasdüse, die tatsächlich der vom Motor erzeugte Schub ist, und treibt jeden Fahrzeugtyp an, in den der Motor eingebaut ist (in diesem Fall typischerweise ein Schiff) oder ein Flugzeug).

Der rotierende Detonationsmotor ist tatsächlich eine Variation eines anderen Motorkonzepts: des Impulsdetonationswellenmotors. Obwohl Impulsdetonationsmotoren gegenüber vielen anderen Motortypen Energieeinsparungen bieten, weisen sie immer noch ihre eigenen Ineffizienzen auf. Ein Grund ist die Brennkammer, die nach jedem Impuls gespült werden muss. Der rotierende Detonationsmotor ist eine Verbesserung gegenüber dem pulsierenden Design, da die Detonationswelle ständig durch die Kammer läuft und keine Zeit und Energie durch Spülen verschwendet werden muss.

Da Detonationen extreme Drücke erzeugen, kann ein Detonationsmotor ohne den normalerweise erforderlichen zusätzlichen Kompressor konstruiert werden. Kompressoren sind nicht nur typischerweise komplex, sondern ihr Betrieb verbraucht im Allgemeinen auch viel Energie. Das Hinzufügen eines Kompressors zu einem Detonationsmotor macht ihn jedoch noch effizienter. Diese Kompatibilität erleichtert die Nachrüstung von Fahrzeugen mit Gasturbinentriebwerken für die Verwendung mit Detonationsmotortechnologie [Quelle: Green Car Congress].

Die Nachrüstung bestehender Marineschiffe wie des hier gezeigten Lenkwaffen-Zerstörers USS Arleigh Burke (DDG 51) mit rotierender Detonationsmotortechnologie könnte jedes Jahr zu Einsparungen in Millionenhöhe führen. Mit freundlicher Genehmigung der US Navy, Foto des Journalisten 2. Klasse Patrick Reilly

Die United States Navy erhält alle Anerkennung für ihre jüngsten Investitionen in die Technologie (und die Beschleunigung des Nachrichtenzyklus), aber der rotierende Detonationsmotor ist zu diesem Zeitpunkt tatsächlich seit einigen Jahrzehnten in Arbeit. Das Patent für den Motor wurde 1982 angemeldet und 1988 einem in Rockville, MD, ansässigen Erfinder namens Shmuel Eidelman erteilt. (Das Patent wird eigentlich als "Rotationsdetonationsmotor" und nicht als "rotierend" bezeichnet - es ist unklar, wann sich der Spitzname geändert hat.)

Shmuel Eidelman war ein vielbeschäftigter Mann. Seit 1982 hat er 14 Patente erhalten, die sich auf Luftfahrt, Antrieb und Chemikalien konzentrieren, und zwar durch seine Arbeit mit wissenschaftlichen Unternehmen und militärischen Organisationen [Quelle: PatentBuddy]. Als das Patent angemeldet wurde, schien es, als hätte die Marine die Gasturbine so weit wie möglich geschoben, und es war an der Zeit, neu zu denken.

Die US-Marine war ursprünglich an Impulsdetonationsmotoren interessiert (wie bereits beschrieben) und investierte in die Forschung zur Entwicklung dieser kraftstoffsparenden Systeme. Die Forscher der Marine sagen, dass die Maximierung des Potenzials dieses Motortyps vom Verständnis seiner komplexen Physik abhängt [Quelle: US Naval Research Laboratory]. Das rotierende Detonationsmotor ist immer noch ein Gasturbinentriebwerk, wie die Motoren, die derzeit die Flotte von Schiffen und Flugzeugen der Marine antreiben, aber das Optimieren und Verfeinern des Zyklus setzt viel zusätzliche Leistung frei. Forscher der Marine glauben, dass rotierende Detonationsmotoren das Potenzial haben, den Kraftstoffverbrauch neuer Geräte um 25 Prozent zu senken, was einer jährlichen Einsparung von 300 bis 400 Millionen US-Dollar entspricht [Quelle: Quick]. Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass es so konfiguriert werden kann, dass es einen Elektromotor antreibt, wodurch theoretisch Militärflotten auf (potenziell) sauberere, billigere und effizientere elektrische Antriebe umsteigen können.

Rotierende Detonationsmotoren sind noch nicht einsatzbereit, daher sind Simulationen der beste Prädiktor für ihre Effizienz - und dennoch vielversprechend genug, dass die Marine die Entwicklung vorantreibt. Es gibt keine öffentlich bekannte ETA für die Fertigstellung oder Implementierung, aber der rotierende Detonationsmotor wird wahrscheinlich - jedenfalls eines Tages - bei einem Marinestützpunkt in Ihrer Nähe eintreffen.

Anmerkung des Autors: Funktionsweise der rotierenden Detonationsmaschine

Es scheint nicht, dass irgendjemand vorgeschlagen hat (jedenfalls noch nicht), dass der rotierende Detonationsmotor tatsächlich das Potenzial hat, in Autos oder Lastwagen verwendet zu werden. Es wurde von einem Mann erfunden, der sich auf Militärtechnologie spezialisiert hat und von der US-Marine in die Entwicklung getrieben wird. Die tatsächliche Größe des in der Entwicklung befindlichen Motormodells wurde nirgendwo erwähnt, daher handelt es sich nur um Spekulationen. Aber wir wissen das: Es ist offensichtlich groß genug, um Schiffe und Flugzeuge anzutreiben, und das ist viel mehr Leistung, als ein Auto benötigt. Wo wäre die Effizienz dabei??

Aber jahrelanges Schreiben über Autos und Verkehrstechnik hat mir gezeigt, dass viele der Dinge, die wir jeden Tag verwenden, ursprünglich für ganz andere Zwecke entwickelt wurden - und Rennwagen und Militärfahrzeuge sind zwei gemeinsame Quellen. Auch wenn kraftstoffsparende Autos derzeit in eine andere Richtung fahren (Hybride, Elektrik und Biokraftstoffe), ist es nicht unverständlich zu sagen, dass eines Tages jemand einen Weg finden könnte, ein supereffizientes Gasturbinentriebwerk zu verkleinern und unter das zu stopfen Motorhaube eines Autos.

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Quellen

• Google Patente. Patent US4741154 - Rotationsdetonationsmotor. (17. Februar 2013) http://www.google.com/patents/US4741154
• Green Car Kongress. "Forscher der Marine gehen davon aus, dass rotierende Detonationswellenmotoren einen Leistungszuwachs von 10 Prozent und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gegenüber Gasturbinen um 25 Prozent erzielen könnten." 2. November 2012. (13. Februar 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. "Eidelman, Shmuel." 2013. (17. Februar 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Physik heute. "US Navy entwickelt rotierenden Detonationsmotor." 6. November 2012. (13. Februar 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Schnell, Darren. "Die US-Marine untersucht die Verwendung von kraftstoffsparenden rotierenden Detonationsmotoren." Gizmag.com. 4. November 2012. (13. Februar 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• US Naval Research Laboratory. "Navy-Forscher setzen auf rotierende Detonationsmotoren, um die Zukunft anzutreiben." 2. November 2012. (13. Februar 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -die Zukunft