Hier ist ein Katamaran Objekt mit dem GMP-Antrieb ausgestattet worden. In diesem Falle besteht der GMP-Antrieb aus zwei schräg nach vorne zeigenden Luftspulen die schräg gegenüber liegend and dem Objekt angebracht wurden, das damit bewegt werden soll.
Der Bewegungsablauf eines Pinguins mit seinen Fußspuren im Schnee sichtbar gemacht. Die gelben Pfeile stellen die vorwärtstreibenden Kräfte dar die von den zwei Luft-Spulen nacheinander auf das zu bewegende Objekt wirken.
Der Begriff „Penguin-Walk“ ist von TOMO gewählt worden, da er visuelle Ähnlichkeit mit der Fortbewegungs-Art von dem GMP-Antrieb hat. Dieser Begriff bezieht sich auf eine GMP-Antriebs-Einheit, die mit zwei schräg gegenüberliegenden Luftspulen ausgestattet wurde. Der GMP-Antrieb ist von außen an dem Objekt angebracht, das bewegt werden soll, zum Beispiel ein Satellit oder ein kleineres Wasserfahrzeug.
Wenn eine der beiden Luftspule mit elektrischem Strom versorgt wird, entsteht räumlich gesehen ein relatives großes, nahezu Kugelförmiges Magnetfeld (von 2 oder mehr Meter im Durchmesser). Dieses Magnetfeld interagiert mit einem externen homogenen Magnetfeld, was in diesem Fall das Erd-Magnet-Feld ist. Diese Interaktion führt dazu das eine Drehmoment-Kraft erzeugt wird die asymmetrisch auf den mechanischen Ramen des zu bewegenden Objektes wirkt.
Dadurch wird eine kaum merkliche Drehbewegung in dem Objekt erzeugt (weniger als 0.04 grad) und eine kleine vorwärts Bewegung von wenigen Millimetern. Dieser Vorgang wird nun mit der zweiten Luftspule wiederholt, nachdem die Stromzufuhr zur ersten Luftspule unterbrochen wurde. Das von der zweiten Luftspule in Gegenrichtung erzeugte Drehmoment führt nun dazu das eine kaum merkliche Drehbewegung (in der Gegenrichtung als zuvor) in dem Objekt erzeugt wird und wieder eine kleine vorwärtsbewegung von wenigen Millimeter entsteht in der gleichen Bewegungsrichtung wie zuvor.
Dieser Prozess kann mehrere tausendmal pro Sekunde wiederholt werden wodurch eine lineare Fortbewegung entsteht mit steigender Geschwindigkeit.
Mikroskopisch betrachtet macht der GMP-Antrieb schrittartige Vorwärtsbewegungen, so ähnlich wie ein Pinguin, wenn er auf dem Festland geht: Erst der linke Fuß dann der rechte Fuß, und wideer der linker Fuß, und so weiter. Nur mit dem Unterschied, dass der GMP-Antrieb dabei immer schneller wird.
Lutz May bei dem Befüllen des GMP-Antriebs Experiment mit flüssigem Stickstoff.
TOMO ist ein weiterer eklatanter Durchbruch gelungen: Die ersten Versuche mit einer supraleitenden Luftspule erreichte eine Steigerung der Antriebsleistung um den Faktor 30. Dabei konnte das Team gleichzeitig eine Reduzierung der elektrischen Leistung um 50 Prozent bewirken.
Ausgestattet mit Schutzkleidung und dicken Thermo-Handschuhen füllt Lutz May den Versuchsaufbau mit mehreren Kilo flüssigem Stickstoff, bevor der Versuch in Gang gesetzt wird. Der Innenwiderstand der supraleitenden Luftspule ist dann auf Null Ohm gesunken, was zu einer eklatanten Effizienzsteigerung führt. Zum Vergleich: Zuvor betrug der Innenwiederstand einer vergleichbaren Aluminium-Draht Luft-Spule 2 Ohm.
Nach mehreren Experimenten hat das TOMO-Team gelernt, an welchen „Stellschrauben“ gedreht werden muss, um weitere Effizienz Steigerung zu ermöglichen. Man plant schon das nächste Design einer neuen supraleitenden Luftspule mit weiteren Optimierungen, etwa durch mehr Windungen für einen effektiveren Strom-Durchfluss. Dasselbe gilt für den elektrischen Leistungs-Treiber, der die Luft-Spule versorgt. Hier steht als Erweiterung an, den Versorgungsstrom zu verdoppeln, was zu einer Steigerung der Antriebsleistung um den Faktor 10 bewirken könnte.
Abb.: Anlieferung von 60 kg flüssigen Stickstoff für die ersten Experimente.
Der GMP-Antrieb erzeugt die benötigten Drehmoment-Pulse unter Verwendung von mit elektrischem Strom betriebenen Luft-Spulen. Bisher verwendeten wir isolierten Kupfer- oder Aluminium-Draht, um die „Standard“ Luft-Spulen zu bauen. Um das erzeugte Drehmoment spürbar zu steigern haben wir mit Hilfe eines Partner-Unternehmens mit flüssigem Stickstoff gekühlte Supraleitende Luft-Spulen in der Erprobung.
Mit diesen Hochleistungsspulen soll die elektrische Verlust-Leistung drastisch gesenkt werden was dazu führt, dass die Antriebskraft wesentlich gesteigert wird. Dazu werden die Spulen mit flüssigem Stickstoff extrem heruntergekühlt. In der Vergangenheit haben die TOMO-Ingenieure noch nicht mit flüssigem Stickstoff gearbeitet. Für die Versuche müssen nun spezielle Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Flüssiger Stickstoff hat eine Temperatur von -196 Gard Celsius und muss in einem speziellen Kühlbehälter gelagert werden.
Durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff erhöht sich das Gewicht des ersten GMP-Test Systems um fast 10 Kilo. Später kann das Team durch Design Optimierungen das Gewicht wieder reduzieren. Um das zu erreichen, muss ein neuer Geräte-Aufbau konstruiert werden, um den Pendelversuch vibrationsfrei tragen zu können.
Abb.: Die für uns (TOMO) gefertigte supraleitende Luftspule und der notwendigen Hoch-Strom Leistungs-Treiber Elektronik.
Interview in „Fine Engineering“ mit TOMORROW’S MOTION Gründer Lutz A. May
Intro: „Als Physikstudent habe ich vor mehr als 40 Jahren einen „Motor“ erfunden, der jetzt seine Zeit und seinen Platz gefunden hat und von dem ich glaube, dass er eine wichtige Rolle in der Zukunft unserer Mobilität spielen wird: eine Magnetic Cloud Acceleration (MCA) Drive Unit. Diese Antriebseinheiten sind einfach zu bauen, verbrauchen weniger Rohstoffe und werden mit erneuerbarer elektrischer Energie angetrieben, um Objekte und Menschen entweder hier auf der Erde oder im Weltraum zu bewegen. Wir alle fragen uns, wie wir Düsentriebwerke, Verbrennungsmotoren in Autos oder Weltraumraketen ersetzen können, ohne unsere Bewegungsfreiheit einzuschränken. Die Erfindung des umweltfreundlichen MCA-Antriebs könnte die Antwort auf so viele große Fragen sein.“
– Dipl.-Ing/Dipl.-Phys. Lutz A. May, CEO at Tomorrow’s Motion.
Fine Engineering:Geben Sie uns doch zum Einstieg eine kurze Beschreibung des Unternehmens und seiner Aktivitäten.
Lutz A. May: Mein Unternehmen heißt TOMO, das steht für Tomorrow’s Motion. Und genau das ist es, was wir entwickeln: die Technologie für eine neue, futuristische Art, sich zu bewegen. Objekte, Fahrzeuge und sogar Menschen zu Lande, zu Wasser, in der Luft und im Weltraum zu bewegen, und zwar ohne mechanisch bewegte Teile und auf energieeffiziente Weise. Ich nenne diese Technologie Magnetic Cloud Acceleration (MCA). Wir sind ein neues, selbstfinanziertes Forschungsunternehmen in der Nähe von München, und unsere Technologie basiert auf physikalischen und elektronischen Prinzipien, die den Magnetismus nutzen. Mein Team und ich haben jahrzehntelange Erfahrung in der Nutzung von Magnetismus mit zahlreichen Patenten für berührungslose Drehmomentsensoren – das E-Bike, mit dem Sie fahren, hat wahrscheinlich einen von uns entwickelten Sensor eingebaut!
F.E: Was sind die Haupttätigkeitsbereiche des Unternehmens?
L.A.M: Unser Haupttätigkeitsbereich bei TOMO ist die Entwicklung eines Antriebsmoduls, das einen traditionellen Verbrennungsmotor oder jede andere Art von Rotationsmotor ersetzt. Es gibt keine beweglichen Teile, es wird nur ein Bruchteil des Rohmaterials heutiger Motorenkonstruktionen benötigt und es kann mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Stellen Sie sich Autos, Schiffe, Raumschiffe und Flugzeuge vor, die sich in jede beliebige Richtung bewegen können, zu geringen Kosten und ohne die Erde zu verschmutzen. Am spannendsten ist wahrscheinlich der Einsatz von MCA im Weltraum und in der Raumfahrt. Ein Antriebsmodul treibt die Rakete mit Hilfe der Sonnenenergie nahtlos von der Erdoberfläche in die Umlaufbahn und dann darüber hinaus.
Und wir entwickeln ein weiteres System, einen Ableger des MCA-Antriebsmoduls, das ein Solid State Pump (SSP)-Düsenantrieb ist, um Astronauten in der Raumstation anzutreiben.
Bildunterschrift: Ein kompakter und leistungsfähiger Luftstrahlantrieb, der in Raumstationen unter Druck eingesetzt werden kann, um Güter und Gegenstände zu transportieren und den Astronauten bei der Navigation durch die Labors zu unterstützen. Alles, was benötigt wird, ist elektrische Energie. Es gibt keine rotierenden Teile, was diesen SSP-Gasstrahlantrieb wartungsfrei macht.
F.E.:Was gibt es für 2021 an neuen Produkten?
L.A.M: Wir finden ständig neue Anwendungen für beide Antriebe.
Die MCA-Antriebsmodule können in jedem Medium eingesetzt werden – sogar im Weltraum. Wir entwickeln derzeit die Technologie, um Objekte beliebiger Größe durch das Weltraumvakuum zu befördern, und das nur mit Sonnenenergie. Das Antriebsmodul ist äußerst zuverlässig und macht Weltraummissionen zur Wartung der Ausrüstung überflüssig.
Das SSP-Jet-Antriebsmodul kann in einer intelligenten Boje installiert werden, um sie auf dem Ozean an Ort und Stelle zu halten. Es muss nicht verankert werden und ist wartungsfrei, da es keine beweglichen Teile gibt, die von Algen oder Muscheln überwuchert werden. Das SSP-Düsenantriebsmodul wird im Inneren der Boje angebracht und stabilisiert die Position der Boje auf der Meeresoberfläche an jedem beliebigen Ort rund um den Globus, angetrieben nur durch Sonnen- und Windenergie. Herkömmliche Geräte zur Verankerung wissenschaftlicher Bojen sind auf eine Meerestiefe von etwa 40 Metern beschränkt. Mit unseren Antriebsmodulen können teure wissenschaftliche Bojen weiterhin an Orten eingesetzt werden, die in der Vergangenheit tabu waren, da die herkömmlichen Bojen von ihrer Zielposition abdriften würden.
Die SSP-Jet-Antriebstechnologie kann auch zur Herstellung ultraflacher und effizienter Lüftungs- oder Klimaanlagen für Industrie, Haushalte und Passagierkabinen verwendet werden. Auch hier gibt es keine beweglichen Teile im Inneren, und die Geräte lassen sich leicht in Bereichen mit begrenztem Platzangebot nachrüsten.
Bildunterschrift: SSP Drive arbeitet als Gasstrahlantrieb und bläst Rauch (zur Veranschaulichung seiner Wirkung).
F.E:Was können Sie uns über die Markttrends sagen?
L.A.M.: Für Unternehmen ist es wichtig, von fossilen Brennstoffen wegzukommen und alternative Technologien zur Energieerzeugung und -umwandlung zu finden. Der Transport von Gütern und Personen ist eine der größten Quellen für Umweltverschmutzung. Jahrzehntelang hat man sich gegen den Übergang von fossilen Brennstoffen gesträubt und ist zu langsam gewesen, um den Anstieg der Treibhausgasemissionen zu bekämpfen. Um das künftige Wachstum und die Nachhaltigkeit aufrechtzuerhalten, besteht ein unbestreitbarer Bedarf an umweltfreundlichen Energielösungen, die den Bedarf an endlichen Ressourcen verringern und dem wachsenden Trend der Verbraucher zu einem „grünen“ Leben entsprechen.
F.E.:Welche sind die innovativsten Produkte, die vermarktet werden?
L.A.M: Ich glaube, der MCA-Antrieb ist eine technologische Revolution und übertrifft jedes andere Produkt, das derzeit auf dem Markt ist. Produkte, die auf unserer Technologie basieren, konnte man sich früher nur in Science-Fiction-Filmen vorstellen, und jetzt lässt TOMO diesen Zukunftstraum Wirklichkeit werden.
F.E:Wie skizzieren Sie die Entwicklung für das Jahr 2021?
L.A.M.: Derzeit sorgt unsere Technologie für unvorhergesehene Fortschritte in der Art und Weise, wie wir leben. In diesem Jahr konzentriert sich TOMO darauf, die Fähigkeiten des MCA-Antriebs und des SSP-Gasstrahlantriebs weiter zu verbessern, um mehr Leistung und Geschwindigkeit zu erreichen.
Unser Forschungs- und Entwicklungsteam führt ein umfangreiches Testprogramm durch, um die Robustheit und Empfindlichkeit des Systems unter verschiedenen Umweltbedingungen zu untersuchen.
Bildunterschrift: Bei niederfrequenten Impulsen werden Luftspulen aus Kupfer oder in Leiterplatten eingebettete Luftspulen verwendet, um die neuartige magnetische Wolkenstruktur zu erzeugen.
BITTE IM KASTEN Die Technologie im Detail
Unsere MCA-Technologie basiert auf der Magnetphysik. Wir nutzen einige der erst kürzlich verstandenen Eigenschaften von Magnetfeldern, um Antriebskräfte zu erzeugen. Wir haben Wege gefunden und erfunden, die es uns ermöglichen, größere Magnetfeldstrukturen in die gewünschte Richtung zu treiben und damit eine kontrollierbare Kraft zu erzeugen, um ein Objekt zu bewegen.
Die von uns hergestellten Technologie-Demonstrationsgeräte funktionieren auf dem Wasser (in einem Schwimmer installiert), in der Luft, auf dem Land und im Weltraum. Das MCA-Antriebsmodul kann im Inneren des Objekts installiert werden, das vorwärts geschoben (bewegt) werden soll, oder es kann von außen an das Objekt angebracht werden.
Die erzeugte Antriebskraft ist abhängig von der physikalischen Größe der erzeugten Magnetfeldstruktur (Magnetwolke) und der Betriebsfrequenz (wie oft pro Sekunde ein antriebskrafterzeugender Impuls erzeugt wird).
Wenn die gewählte Betriebsfrequenz im oberen GHz-Bereich liegt, dann sind die Magnetfeldemitter nicht mehr kreisförmige Luftspulen. Bei dieser Frequenz beginnt eine größere Anordnung von Magnetfeldstrahlern wie die Stacheln eines Igels oder wie ein kleinerer Ausschnitt eines Stoppelfeldes auszusehen.
In einem Gemeinschaftsprojekt von Tomorrow’s Motion (TOMO) und der Technischen Universität München (TUM) wird an der grundsätzlichen Funktionsweise einer neuartigen elektromagnetischen Antriebstechnologie, dem Magnetic Cloud Accelerator (MCA), geforscht. Gefördert wird es von der Abteilung für Landesentwicklung und Energie des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft.
Hauptziel des Gemeinschaftsprojekts ist die Entwicklung eines umfassenden Verständnisses und einer mathematischen Beschreibung des MCA. Der Forschungsschwerpunkt von TOMO liegt im Bereich der Konstruktion, des Designs und der Herstellung von Testsystemen sowie der Bereitstellung der Messumgebung. Durch die Zusammenarbeit mit unseren Partnern EWT und TUM wird es möglich sein, in kürzester Zeit konstruktive Verbesserungen zu optimieren.
Der Lehrstuhl für Energiewandlungstechnik (EWT, https://www.ei.tum.de/ewt/; Leitung: Prof. Herzog) ist eine Lehr- und Forschungseinheit der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Konstruktion (bis 30.09.2021: Fakultät für Elektrotechnik und Technische Informatik) der Technischen Universität München (TUM).
Die EWT forscht seit Jahren an Lösungen zur methodischen Unterstützung des Entwurfs- und Optimierungsprozesses von elektromagnetischen Komponenten in mechatronischen Systemen. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die numerische Berechnung von zwei- oder dreidimensionalen Feldproblemen (Randwertproblemen), insbesondere über die Finite-Elemente-Analyse, und deren Verbindung mit dynamischen Systemsimulationen (Anfangswertproblemen). Die so in einem sehr frühen Projektstadium gewonnenen Erkenntnisse über das Verhalten einzelner Komponenten in Wechselwirkung mit dem Gesamtsystem ermöglichen gezielte Erweiterungen des Lösungsraums. Die mit Hilfe der Simulation gewonnenen Erkenntnisse werden in einem eigenen Antriebslabor getestet.
Weitere Forschungsfelder sind die Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz elektrischer Antriebsstränge, die stationäre induktive Leistungsübertragung sowie das Energie- und Leistungsmanagement in mobilen und stationären Anwendungen.
TechHUB SVI, Sicherheit bei Bayern Innovativ – Informativer Besuch bei der Tomorrow’s Motion
Die in Starnberg ansässige Tomorrow’s Motion entwickelt und produziert fortschrittliche elektromagnetische Antriebslösungen für Anwendungen im Weltraum (Manövrieren und Bergen von Satelliten), auf dem Wasser (selbst fahrende Objekte, intelligente Bojen) und anderen Bereichen.
Lutz May, Geschäftsführer der Tomorrows´s Motion GmbH, gab uns unter anderem einen Einblick in die Möglichkeiten der Einsetzbarkeit der eigenen wartungsfreien Antriebstechnologie und deren Einsatz in den Dimensionen Space und Maritim.
Sehr spannend war die Demonstration autonomer Bojen, welche in der Lage sind, die angegebene Position unter Zuhilfenahme der eigenen Antriebstechnologie zu halten.
Wir freuen uns darauf, die spannenden elektromagnetischen Antriebstechnologien weiter zu begleiten und die Tomorrow´s Motion GmbH mit den Möglichkeiten des TechHUB SVI zu unterstützen.
Durch den TechHUB SVI wird somit ein effektiver Austausch von Know-how und Ressourcen zwischen den beteiligten Akteuren ermöglicht, was die Innovationskraft der gesamten Branche stärkt.
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