Elektromagnetischer Impuls

Definition und physikalische Grundlagen

Ein elektromagnetischer Impuls (EMP), auch elektromagnetischer Puls genannt, ist eine kurzzeitige, breitbandige elektromagnetische Strahlung. Sie entsteht bei einem einmaligen, hochenergetischen Ausgleichsvorgang: Ein stark angeregtes System kehrt unter Abgabe elektromagnetischer Strahlung in seinen Grundzustand zurück. Ursachen können Gewitter, Kernwaffenexplosionen oder besondere elektrische Schaltungen sein. Im sichtbaren Spektrum kann der Vorgang als Lichtblitz erscheinen.

Die niederfrequenten Anteile der Strahlung wirken auf freie Ladungsträger in Metallen und Halbleitern. Dadurch werden starke, kurzzeitig schwankende elektrische Ströme induziert. In unzureichend abgeschirmten Geräten können diese Ströme Fehlfunktionen, Totalausfälle oder die Zerstörung einzelner elektronischer Bauteile verursachen. Für technische Anwendungen betrachtet man vor allem das Frequenzspektrum mit Wellenlängen zwischen 10 mm und 10 km.

Der Begriff „Impuls“ ist hier nicht mit dem mechanischen Impuls zu verwechseln. Mathematisch ist ein Impuls eine einmalige Zeitfunktion f(t), beispielsweise einer Feldstärke oder Spannung. Wird er regelmäßig mit der Periode T wiederholt, entsteht ein Puls mit der Pulsfrequenz f = 1/T. Ein einzelner Impuls besitzt ein kontinuierliches Spektrum; eine periodisch wiederholte Impulsfolge besitzt dagegen ein diskretes Linienspektrum. In der englischsprachigen Literatur werden Impuls und Puls meist nicht begrifflich getrennt.

Natürliche Quellen

Blitze sind natürliche elektrische Entladungen in der Atmosphäre. Sie verursachen besonders im Bereich des Blitzkanals und am Einschlagpunkt eine starke elektromagnetische Beeinflussung. Metallische Leitungen können die Wirkung weiterleiten, sodass auch in größerer Entfernung Schäden auftreten. Der dabei entstehende Impuls heißt Lightning Electromagnetic Pulse (LEMP).

Eine weitere natürliche Quelle sind Sonneneruptionen. Ihr magnetisiertes Plasma kann über Minuten bis Stunden niederfrequente Ströme in großflächigen Energieversorgungsnetzen induzieren. Dadurch können beispielsweise Leistungstransformatoren in die Sättigung geraten; als mögliche Folge entstehen Stromausfälle. Dieser Vorgang wird als magnetohydrodynamischer EMP bezeichnet.

Technisch erzeugte Impulse

Starke magnetische Impulse lassen sich durch hohe Stromimpulse in Spulen erzeugen. Sie dienen unter anderem zur Untersuchung der Wirkung hoher Magnetfelder auf Materie und zur Magnetumformung. Solche Spulen widerstehen Magnetfeldern bis etwa 100 Tesla; bei höheren Feldstärken werden sie zerstört. Die Kondensatorentladung erzeugt Ströme von einigen 100 Kiloampere bei einer Dauer im Millisekundenbereich. Wegen der mechanischen Kräfte und der starken Felder befinden sich entsprechende Labore zum Schutz und zur Abschirmung in massiven Stahlbetongebäuden. Ähnliche Bedingungen treten in Railguns und Wirbelstrombeschleunigern auf. Impuls-Teslatransformatoren erzeugen außerdem starke elektromagnetische Felder im Mittelwellenbereich.

Auch beim Abschalten einer Induktivität, also etwa einer Spule, entsteht ein elektromagnetischer Impuls. Nach der Lenzschen Regel versucht der Strom weiterzufließen. Bei einem sehr schnellen Abschaltvorgang kann deshalb eine hohe Spannung entstehen. Sie kann Funken hervorrufen und sich als Störimpuls über angeschlossene Leitungen ausbreiten. Solche Impulse treten beispielsweise beim Abschalten von Elektromotoren, Schützen und anderen induktiven Bauteilen auf. Bei den Zündspulen von Otto-Motoren wird der Spannungsanstieg gezielt genutzt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.

Ein Flusskompressionsgenerator kann zusammen mit einem Vircator einen EMP im zweistelligen Gigawattbereich mit einer Dauer von 0,1 bis 1 µs erzeugen. Auch starke Laserpulse lösen bei der Wechselwirkung mit Materie einen EMP aus. Forschungslabore mit Laserleistungen bis in den Petawattbereich benötigen deshalb neben dem Strahlenschutz Maßnahmen zum Schutz ihrer Kommunikationsnetze.

Nuklearer elektromagnetischer Impuls

Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls heißt NEMP oder bei einer Explosion in großer Höhe HEMP (High Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse). Er entsteht indirekt, wenn eine Kernwaffe in einigen 100 km Höhe intensive Gammastrahlung freisetzt. Im Zusammenspiel mit der Atmosphäre und dem Erdmagnetfeld löst diese Strahlung über den Compton-Effekt den EMP aus. Eine dafür ausreichend starke, kurzzeitige Gammastrahlungsquelle kann derzeit nur durch eine Kernwaffenexplosion erzeugt werden.

Gammaquanten mit Energien von einigen MeV aufwärts ionisieren Moleküle in den oberen Atmosphärenschichten schlagartig. Diese Stoßionisation schlägt Elektronen aus den Molekülen. Viele der Elektronen bewegen sich zunächst in der Richtung des auftreffenden Gammaquants zu dichteren Atmosphärenschichten. Die energiereichen Primärelektronen können weitere Moleküle ionisieren und zusätzliche Sekundärelektronen freisetzen. Die zur Erde fliegenden negativen Elektronen und die zurückbleibenden positiven Luftionen bilden einen kurzzeitigen elektrischen Dipol. Das Erdmagnetfeld lenkt die bewegten Ladungsträger durch die Lorentzkraft ab, wodurch zusätzlich ein kurzzeitiger magnetischer Dipol entsteht. Die schnell veränderliche Ladungs- und Stromverteilung erzeugt schließlich ein breitbandiges Wellenfeld: den eigentlichen NEMP.

Im Vergleich zum Blitzimpuls LEMP besitzt der NEMP einen besonders steilen Anstieg und eine entsprechend große Bandbreite. Bereits nach 4 ns erreicht er 90 % seines Maximalwerts. Der für Prüfungen von Abschirmungen genormte NEMP hat maximal eine elektrische Feldstärke von 50 kV/m und eine magnetische Feldstärke von 133 A/m.

Vor dem Verbot oberirdischer Kernwaffentests beschädigten oder zerstörten solche Impulse tatsächlich Versorgungsnetze. Ein Beispiel ist der Kernwaffentest Starfish Prime am 9. Juli 1962 über dem Pazifik. Auch bei bodennahen Nuklearexplosionen treten ähnliche Wirkungen auf. Dort ist der betroffene Bereich kleiner, und der NEMP wird von den thermischen und mechanischen Wirkungen der Explosion überlagert.

EMP-Waffen und Gefahren

Nicht-nukleare Waffen, die bei möglichst geringen anderen Schadwirkungen vor allem einen elektromagnetischen Impuls erzeugen sollen, heißen E-Bomben oder EMP-Bomben. Sie können elektrische und besonders elektronische Bauteile im Wirkungsbereich zerstören. Solche Systeme können bodengebunden oder als von Flugzeugen abgeworfene Waffen eingesetzt werden. Als Strahlungsquelle kann gerichtete Mikrowellenstrahlung aus Magnetrons dienen. Diese werden aus Kondensatoren gespeist und können Spitzenleistungen im Terawattbereich erreichen. Es wird angenommen, dass die US-Luftwaffe EMP-Bomben erstmals 2003 im Irakkrieg einsetzte.

Die mögliche gesellschaftliche Wirkung reicht weit über einzelne Geräte hinaus. Nach einer Einschätzung der Schutzkommission beim Bundesminister des Innern von 2011 kann ein EMP elektronisch gestützte Maschinen vom Flugzeug bis zum Herzschrittmacher stören oder zerstören. Gefährdet sind unter anderem Rundfunk, Rettungswesen, Krankenhäuser, Energieversorgung und Bahntransport. Daraus können Probleme beim Warnwesen, bei der Patientenversorgung und bei Evakuierungen entstehen. Eine amerikanische Kommission kam 2008 zu einem vergleichbaren Ergebnis.

Schutz vor EMP

Schutzmaßnahmen gegen elektromagnetische Impulse werden als EMP-Härtung bezeichnet. Besonders gefährdet sind räumlich weit ausgedehnte elektrische Leiter, beispielsweise Energieversorgungsnetze und Telekommunikationsnetze aus Kupfer, weil in ihnen durch LEMP oder NEMP hohe Spannungen und Ströme entstehen können. NEMP können außerdem metallene Rohrleitungen beeinflussen.

Energieversorgungsnetze lassen sich kaum vollständig schützen. In Kommunikationsleitungen können jedoch Trennübertrager oder Trennverstärker eingebaut werden; alternativ kann man Kupferleitungen durch Glasfasernetze ersetzen. Rohrleitungen können teilweise oder vollständig aus elektrisch isolierenden Werkstoffen hergestellt werden.

Einzelne Anlagen lassen sich durch einen Faradayschen Käfig abschirmen. Ein solcher geschlossener leitfähiger Bereich hält äußere elektrische Felder weitgehend vom Inneren fern. Zusätzlich benötigen alle elektrischen Zuleitungen Schutzschaltungen, etwa galvanische Trennungen und Überspannungsableiter. Funkanlagen können nur teilweise abgeschirmt werden, weil ihre Antennen elektromagnetische Felder aufnehmen und zum Detektor weiterleiten müssen.

Flugzeuge können aufgrund ihrer exponierten Lage auch im regulären zivilen Betrieb starken elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sein, beispielsweise in der Nähe leistungsfähiger Radaranlagen. Die dafür geltenden Schutzmaßnahmen und Grenzwerte werden unter der Bezeichnung HIRF zusammengefasst, kurz für High Intensity Radiated Fields.