"Lass knallen, Kumpel!"

28.06.2006

Teslaspulen: Blitz und Donner selbst gemacht

Ein Gewitter weckt die Urängste im Menschen – und das keineswegs unberechtigt. Dieser Tage gibt es genug davon und so stand schon einmal der eine oder andere Telepolis-Autor unerwartet mit leeren Händen da, weil ein Blitzschlag den Computer abstürzen ließ oder gar ernsthaft beschädigte. Trotzdem können manche vom Nervenkitzel einer elektrischen Entladung nicht genug bekommen und basteln sich ihre Gewittermaschine selber.

Es ist eine der beeindruckendsten Vorführungen im Deutschen Museum in München, wenn in der Halle, in der die Elektrizität ausgestellt ist, die Beleuchtung verdunkelt wird und die Spannung steigt – wortwörtlich –, bis sich dieselbe in einem gleißend hellen Blitz und lauten Knall (Ohren zuhalten empfohlen!) entlädt und dabei möglicherweise sogar noch ein menschliches Versuchskaninchen in den Faradayschen Käfig gesetzt wird, der mitten im Pfad des Blitzes liegt.

Blitzvorführung im Deutschen Museum (Bild: Deutsches Museum)

Derartige Entladungen durch hohe Spannungen gibt es seit den ersten Tagen der Erforschung der Elektrizität. Es ist auch nicht schwer, derartige Blitze selbst zu erzeugen – allerdings nicht ungefährlich, wenn man über Minimalstromstärken oder Entladungen in verdünnter Luft ("Plasmakugeln") hinausgeht. Schon die Zündanlage eines Autos ist nicht mehr ungefährlich, ebenso wenig die Hochspannung in einem Röhrenmonitor oder -Fernseher. Und dass in München auf der Hackerbrücke, auch Standort der S-Bahnstation, die zum Oktoberfest führt, Plexiglasverkleidungen montiert wurden, damit Betrunkene nicht mehr von der Brücke pinkeln, hatte weniger damit zu tun, dass den Wartenden auf dem Bahnsteig der gelegentliche warme Regen von oben missfiel, sondern eher mit dem finalen Knalleffekt, wenn der Gebrauchtbierstrahl in die Nähe des mit 16.000 Volt beaufschlagten Fahrdrahts der S-Bahn kam….

Mehr als 30.000 Volt finden sich normalerweise nur auf Hochspannungsleitungen – oder in manchen Hobbykellern. Mit sogenannten Tesla-Transformatoren lassen sich nämlich relativ leicht hohe Spannungen erzeugen. Hierbei handelt es sich um ähnlich der Zündspule in einem Auto aufgebaute Transformatoren, die auf der Primärseite (im Auto an die 12 Volt der Batterie angeschlossen) nur wenige Windungen Draht haben, auf der Sekundärseite (im Auto an die Zündkerze angeschlossen) dagegen sehr viele, was die dort entstehende Spannung entsprechend vervielfältigt.

Selbstgebaute Tesla-Anlage (Bild: Wikipedia, Mirici)

Teslatransformatoren unterscheidet sich von einem normalen Transformator jedoch noch dadurch, dass sie keinen Eisenkern enthalten und Primär- und Sekundärspule mit einer zusätzlichen Kapazität in Resonanz gebracht werden, sodass schon auf der Primärseite eine hohe Spannung entsteht und die Spannung auf der Sekundärseite Millionen Volt erreichen kann. Auch die Frequenz der Hochspannung ist zumindest bei kleinen Teslatransformatoren deutlich höher als im normalen Stromnetz, was die Durchschlagskraft der Blitze verändert und auch deren Wirkung, falls man mit ihnen in Berührung kommt. Hochgefährlich ist es trotzdem, doch statt dem Herzkammerflimmern eines normalen Stromunfalls drohen massive Verbrennungen, wenn die Stromstärke hoch genug ist.

Unfälle mit Tesla-Spulen sind jedoch glücklicherweise selten, da ihre Entladungen bewusst und gezielt ausgelöst werden und sich ihre Erbauer üblicherweise ausreichend weit von der Entladung entfernen, bevor sie auf den Knopf drücken. Unfälle entstehen eher, weil bei der Konstruktion und dem Testen der Anlage nicht aufgepasst wird oder aber unerwartet einzelne Komponenten der Belastung nicht standhalten und in Brand geraten oder explodieren.

Blitzvorführung im Deutschen Museum (Bild: Deutsches Museum)

Einer derjenigen, die mit künstlichem Blitz und Donner per Teslatransformator experimentieren, ist Greg Leyh, der auch tagsüber mit hohen Energien zu tun hat – als Elektroingenieur für die Stromversorgung an einem der größten Teilchenbeschleuniger, dem drei Kilometer langen Linearbeschleuniger der Stanford-Universität in Kalifornien. Somit steckt er bereits tief in der Materie der Hochspannungserzeugung. Doch wenn er es blitzen und donnern lässt, geht es ihm zunächst einmal weniger um wissenschaftliche Analysen, als um die animalischen Reize, den Tiger zu kitzeln und Angst zu bekommen, eine Angst, die ganz tief in uns drin sitzt aufgrund unserer Entwicklungsgeschichte, denn einem Gewitter ungeschützt im Freien ausgesetzt zu sein, kann tödlich enden und vom Blitz erschlagen zu werden ist auf jeden Fall deutlich wahrscheinlicher, als in der Lotterie zu gewinnen.

Auch wäre sich in Innenräumen aufhält, ist nicht unbedingt sicher, da die elektrischen Entladungen nicht nur ins Hausdach und die Fernsehantenne einschlagen können, wobei heutige Häuser meist keinen Blitzableiter mehr haben, wenn es sich nicht um öffentliche oder vielstöckige Gebäude handelt, sondern auch über Wasser-, Strom- und Telefonleitungen ins Haus gelangen können. Wer dann gerade seine Hände an der Computertastatur hat oder gar in der Badewanne liegt, könnte durchaus eine unangenehme Erfahrung machen und die Angst ist somit nicht unberechtigt, auch wenn sicherlich mehr Leute in sicheren Autos mit Airbag und ABS sterben, als durch Blitzschläge.

Darf angefasst werden: "Plasmakugel", die harmlose Variante mit Entladung in verdünnter Luft (Bild: W.D.Roth)

Doch genau dieses Prickeln genießen Hochspannungsbastler wie Greg Leyh. Wie der New Scientist in seiner aktuellen Ausgabe berichtet, plant er das ultimative Donnerwetter: zwei 37 Meter hohe Metallspulen sollen in der Wüste von Nevada künstliche Blitze über eine Fläche von der Größe eines Fußballstadions jagen. Über acht Millionen Volt will er freisetzen und dabei vielleicht doch noch nebenbei ein paar wissenschaftliche Entdeckungen machen oder zumindest die Blitzfestigkeit von Flugzeugen testen lassen.

Der Erfinder dieser Hochspannung erzeugenden Technik, Nikola Tesla, hatte zu Beginn des 20. Jahrhunderts viele Erfindungen im Bereich der damals jungen Wechselstromtechnik gemacht. Besonders die Resonanzphänomene hatten ihn fasziniert. 1891 hatte er die später nach ihm benannten Spulen entwickelt und 1901 begann er, den Wardenclyffe Tower zu bauen, eine Tesla-Spule an der Küste von Long Island vor New York, die sogar 57 Meter hoch werden sollte. Während er dieses Projekt seinen Geldgebern als Hochleistungs-Rundfunksender verkaufte, glaubte er selber daran, auf diese Weise drahtlos über die Ionosphäre elektrische Energie verteilen zu können. Als der Geldgeber davon erfuhr, stieg er aus und das Projekt blieb unvollendet, bis es im Ersten Weltkrieg zerstört wurde, um deutschen U-Booten nicht etwa als markanter Orientierungspunkt dienen zu können.

Tesla-Entladung mit 750 Watt

Doch die Riesenspule von Tesla hätte vermutlich nicht einmal funktioniert: Während man jahrelang davon ausging, dass auch eine kilometerhohe Spule noch funktionieren würde, so man sie denn mechanisch stabil konstruieren könne, gibt es bei solchen Monstern elektrische Probleme: die durch die Resonanz festgelegte erzeugte Wechselstromfrequenz wird immer niedriger und die ionisierten Kanäle, durch die die einmal eingeleitete Blitzentladung aufrechterhalten würde, bleiben nicht lange genug bestehen. Bei etwa 40 Metern ist der Punkt erreicht, wo die Blitzentladung in den Phasen der Umpolung der Spannung abreißen würde. Leyhs 37 Meter-Spulen sollten also noch funktionieren und mit einer Spannung von 8,7 Millionen Volt 80 bis 90 Meter lange Blitze erzeugen, wofür allerdings vier Stromgeneratoren mit jeweils 2 MW Leistung notwendig sind.

Und weil er grad dabei ist, möchte Leyh auch noch einen kleinen Teilchenbeschleuniger bauen – und zwar, um zu testen, ob hochenergetische Elektronen imstande sind, den Blitzkanal offen zu halten. Das ist nicht nur eine Frage, die die Gewitterforschung beschäftigt – es würde auch die 40 Meter-Grenze hinfällig machen und größere Tesla-Spulen ermöglichen.

Leyh glaubt, die Anlage in zweieinhalb Jahren bauen zu können – sofern er einen Investor findet, der die veranschlagten 8,9 Millionen US-Dollar Baukosten beschaffen kann. Solange experimentiert er mit zwei Modellen im Maßstab 1:12 – immer noch über drei Meter hoch – in seiner Garage….

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