Elektromagnetische pulscompressie: energie opslaan om in één klap los te laten
Stel je voor dat je een emmer water heel langzaam vult met een dun straaltje uit de kraan, en die emmer vervolgens in één keer omkiept over een klein gaatje in de grond. De hoeveelheid water die door dat gaatje spuit, is voor een fractie van een seconde veel groter dan wat de kraan ooit rechtstreeks had kunnen leveren. Elektromagnetische pulscompressie werkt volgens hetzelfde principe, maar dan met elektrische energie: je verzamelt die relatief langzaam, en perst haar vervolgens samen tot een piepkleine tijdspanne, waardoor er heel even een enorm vermogen vrijkomt.
Het resultaat is een extreem korte, extreem krachtige elektromagnetische puls: een uitbarsting van energie die soms maar een paar nanoseconden duurt (een nanoseconde is een miljardste seconde), maar in die tijd een piekvermogen bereikt van miljoenen tot zelfs miljarden watt. Dat maakt de techniek interessant voor heel uiteenlopende doeleinden, van deeltjesversnellers in de fundamentele natuurkunde tot systemen die drones en elektronica op afstand kunnen verstoren.
Wat is het precies?
Pulscompressie draait om drie stappen die elkaar snel opvolgen: langzaam opladen, bliksemsnel schakelen, en ten slotte uitzenden of ontladen.
In de eerste fase wordt elektrische energie opgeslagen, meestal in condensatoren die via een relatief bescheiden stroombron worden opgeladen. Dat opladen kan microseconden tot milliseconden duren (een microseconde is een miljoenste seconde) — traag genoeg om met gangbare stroomvoorziening te doen.
De tweede fase is de kern van de techniek: het comprimeren. Dit gebeurt met schakelaars die extreem snel van een isolerende naar een geleidende toestand kunnen omslaan. Twee veelgebruikte typen zijn magnetische pulscompressie en halfgeleiderschakelaars.
Bij magnetische pulscompressie gebruikt men verzadigbare inductoren: spoelen met een magnetische kern die bij een bepaalde stroomsterkte plotseling "verzadigd" raakt, waardoor de weerstand tegen stroomverandering vrijwel wegvalt. Op dat moment gedraagt de spoel zich als een supersnelle schakelaar die de opgeslagen energie in één klap doorlaat naar een volgende, kleinere condensator. Door dit proces in meerdere trappen achter elkaar te herhalen, wordt de puls bij elke stap korter en het piekvermogen hoger — vergelijkbaar met een estafette waarbij elke loper de energie sneller doorgeeft dan hij hem ontving.
Een andere aanpak gebruikt zogeheten SOS-diodes (semiconductor opening switches, letterlijk "halfgeleider-openingsschakelaars"). Dit zijn speciale halfgeleiders die, in tegenstelling tot gewone diodes, een stroom van vele duizenden ampères binnen enkele nanoseconden volledig kunnen onderbreken. Die abrupte onderbreking dwingt de opgeslagen energie in een extreem korte tijdspanne naar buiten.
In de laatste fase wordt de gecomprimeerde elektrische puls omgezet in een daadwerkelijke elektromagnetische puls: straling die door een antenne of speciale buis (zoals een vircator, een soort vacuümbuis die microgolven genereert) de vrije ruimte in wordt gestuurd, of in het geval van deeltjesversnellers wordt gebruikt om deeltjes een extra harde duw te geven.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende probleem dat pulscompressie oplost, is simpel: de meeste stroomvoorzieningen kunnen geen gigantisch piekvermogen leveren, maar wél gedurende langere tijd een bescheiden vermogen afgeven. Pulscompressie overbrugt die kloof door energie te "sparen" en pas op het beslissende moment vrij te geven.
In de wetenschap wil men hiermee bijvoorbeeld deeltjesversnellers krachtiger maken zonder de energierekening te laten exploderen: door het radiogolfvermogen van een klystron (een soort versterkerbuis) tijdelijk te comprimeren, krijgt een versneller een veel hogere piekvermogenstoot dan de klystron zelf ooit continu zou kunnen leveren.
In de defensie- en veiligheidssector richt het onderzoek zich vooral op zogeheten high-power microwave (HPM) systemen: apparaten die met een korte, krachtige elektromagnetische puls elektronica kunnen verstoren of beschadigen, bijvoorbeeld om drones onschadelijk te maken of communicatieapparatuur uit te schakelen, zonder fysieke explosie. Dit wordt ook wel niet-nucleaire EMP-technologie genoemd, als tegenhanger van de veel krachtigere en destructievere elektromagnetische puls die door een kernexplosie ontstaat.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de langst gevestigde toepassingen staat in de deeltjesfysica. Al sinds de jaren zeventig gebruikt het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory een systeem genaamd SLED om het radiogolfvermogen uit klystrons te verdubbelen voor de lineaire versneller aldaar — een van de eerste grootschalige, succesvolle toepassingen van RF-pulscompressie (RF staat voor radiofrequentie).
Het Europese onderzoekscentrum CERN heeft voor het ontwerp van een toekomstige Compact Linear Collider (CLIC) onderzoek gedaan naar geavanceerdere pulscompressietechnieken, waaronder een methode met de naam Barrel Open Cavity (BOC), om het vermogen van klystrons verder op te schalen dan met de klassieke SLED-methode mogelijk is.
In 2012 testten Boeing en het Amerikaanse Air Force Research Laboratory (AFRL) het CHAMP-project (Counter-electronics High Power Microwave Advanced Missile Project): een kruisraket met een ingebouwde microgolfbron die tijdens een testvlucht boven Utah computers en elektronica in een gebouw uitschakelde zonder het gebouw zelf te beschadigen. Het is een van de weinige publiek bevestigde demonstraties van een op HPM gebaseerd wapensysteem.
In Rusland heeft het Instituut voor Elektrofysica van de Oeral-tak van de Russische Academie van Wetenschappen, in Jekaterinenburg, onder leiding van onderzoeker Sergei Roekin sinds de jaren negentig baanbrekend werk verricht aan SOS-diodes, met publicaties in internationale vaktijdschriften over natuurkunde en toegepaste elektrotechniek.
Ook wordt in Rusland het systeem Ranets-E genoemd als een op microgolftechniek gebaseerd wapen dat mogelijk bedoeld is om satellietelektronica of luchtdoelen te verstoren. Voor dit specifieke systeem is de openbare, onafhankelijk geverifieerde informatie echter beperkt; veel berichtgeving erover steunt op beperkt aantal bronnen en officiële Russische mededelingen, dus deze claim moet met enige voorzichtigheid worden gelezen.
Hoe ver is de techniek?
Het beeld verschilt sterk per toepassingsgebied. In de deeltjesversnellerfysica is RF-pulscompressie een volwassen, decennialang beproefde techniek die routinematig wordt toegepast en verder verfijnd, zoals bij de plannen voor CLIC bij CERN.
Voor militaire en veiligheidstoepassingen ligt dat anders. Compacte, herhaalbare (dat wil zeggen: pulsen die snel achter elkaar herhaald kunnen worden) hoogvermogen-EMP-bronnen bevinden zich grotendeels nog in de onderzoeks- en testfase. Belangrijke technische obstakels zijn de slijtage van schakelcomponenten bij herhaald gebruik met extreme stroom- en spanningspieken, de omvang en het gewicht van de benodigde apparatuur voor gebruik op voertuigen of vliegtuigen, en de beperkte reikwijdte van het effect door de manier waarop elektromagnetische straling met afstand verzwakt.
Daarnaast is veel van dit onderzoek gerubriceerd of anderszins niet openbaar, wat het voor buitenstaanders moeilijk maakt om de werkelijke stand van zaken te beoordelen. Wat wel duidelijk is: de opkomst van nieuwe halfgeleidermaterialen zoals galliumnitride (GaN) heeft de afgelopen jaren een alternatieve route geopend, waarbij vermogen niet in de tijd wordt gecomprimeerd maar wordt gecombineerd uit vele kleinere, solid-state versterkers. Dat is technisch een andere aanpak dan klassieke pulscompressie met Marx-generatoren of SOS-diodes, maar wordt vaak in dezelfde adem genoemd omdat het uiteindelijke doel — een krachtige microgolfpuls — hetzelfde is.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten doen het Air Force Research Laboratory, het Naval Research Laboratory en defensiebedrijven zoals Boeing onderzoek naar high-power microwave-systemen. Ook jongere bedrijven zoals Epirus, dat het solid-state systeem Leonidas ontwikkelt voor verdediging tegen drones, zijn actief in dit bredere veld, al gebruiken zij dus niet per se klassieke pulscompressietechniek.
Universiteiten spelen eveneens een rol: Texas Tech University heeft met zijn Center for Pulsed Power and Power Electronics een van de bekendere Amerikaanse onderzoeksgroepen op het gebied van pulsed-power-technologie in bredere zin.
Rusland heeft met het Instituut voor Elektrofysica in Jekaterinenburg een van de meest aangehaalde onderzoeksinstellingen op het gebied van SOS-diodetechnologie, met decennialange publicatiegeschiedenis in internationale tijdschriften.
In Europa doen defensiebedrijven zoals het Duitse Diehl Defence en het Franse Thales onderzoek naar zogeheten HPEM-effectoren (high-power electromagnetics) voor onder meer drone-verdediging, vaak met steun van nationale defensieministeries of het Europees Defensieagentschap. Op wetenschappelijk gebied is CERN, met bijdragen van instituten uit tientallen lidstaten, de belangrijkste Europese speler op het gebied van RF-pulscompressie voor deeltjesversnellers.
Over onderzoek in landen als China is aanmerkelijk minder in open bronnen bekend; verschillende analisten wijzen op vermoedelijke activiteiten bij aan het leger gelieerde instituten, maar onafhankelijk geverifieerde details ontbreken doorgaans.