~2025-35777-9: i.A. ist heutzutage eine andere Abkürzung als noch vor einiges Jahren. Der Satz ist somit falsch gewesen.

2025-08-09T11:36:35Z

i.A. ist heutzutage eine andere Abkürzung als noch vor einiges Jahren. Der Satz ist somit falsch gewesen.

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[[Datei:Shield gun.jpg|mini|300px|Leichtgaskanone der [[Rice University]]. Wurde während der Entwicklung des [[Gamma-ray Large Area Space Telescope]] verwendet und erreichte mit Wasserstoffgas und Schießpulver eine Maximalgeschwindigkeit von 7 km/s.]]
Eine '''Leichtgaskanone''' ({{enS|light gas gun}} oder ''light-gas gun'') ist ein Massebeschleuniger, der u. a. in der [[Experimentelle Physik|experimentellen]] [[Impakt]]physik eingesetzt wird, um [[Projektil]]e auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Es wird zwischen '''einstufigen Leichtgaskanonen''' ({{enS|single-stage light-gas gun}}) und '''zweistufigen Leichtgaskanonen''' ({{enS|two-stage light-gas gun}}) unterschieden. Häufig werden ''Leichtgaskanone'' und ''zweistufige Leichtgaskanone'' synonym benutzt.

== Idee ==
Die Maximalgeschwindigkeit von Objekten (allgemein „[[Projektil]]“, engl. „projectile“ oder auch „model“), die mit [[Treibladung]]en beschleunigt werden, ist u. a. durch die Maximalgeschwindigkeit der Treibladungsgase begrenzt. Die Idee einer Leichtgaskanone besteht daher darin, als Treibgas für die Beschleunigung ein molekular sehr leichtes Gas zu benutzen, im Allgemeinen wird [[Helium]] oder [[Wasserstoff]] verwendet. Bei gleicher [[Kinetische Energie|kinetischer Energie]] lassen sich dessen Teilchen auf eine höhere [[Geschwindigkeit]] als die relativ schweren Verbrennungsgase einer Treibladung beschleunigen. Leichtgasbeschleuniger ermöglichen daher eine vergleichsweise hohe Endgeschwindigkeit des Projektils.

Zum Vergleich: Die [[molare Masse]] von molekularem [[Wasserstoff]] (H<sub>2</sub>) beträgt ca. 2 g/mol, während die Produkte üblicher [[Treibladung]]spulver (eine Mischung aus [[Wasser]], [[Kohlenstoffdioxid|Kohlendioxid]] und [[Stickstoff]]) eine mittlere molare Masse von ca. 30 g/mol besitzen. Moderne [[Glattrohrkanone]]n erreichen [[Geschwindigkeit]]en bis ca. 6,5 km/s, während mit zweistufigen Leichtgaskanonen bis ca. 11,5 km/s erreicht wurden.

== Aufbau ==
[[Datei:Light-gas gun.svg|mini|461px|Diagramm der Funktionsweise einer Leichtgaskanone]]
Die wesentlichen Teile einer '''zweistufigen Leichtgaskanone''' sind das Treibrohr (engl. pump tube) und der [[Lauf (Schusswaffe)|Lauf]] (engl. launch tube). Im Treibrohr befindet sich das Leichtgas, das mittels eines zylindrischen [[Kolben (Technik)|Kolbens]] komprimiert wird. Der Kolben wird in der Regel durch eine [[Treibladung]] oder ein verdichtetes [[Gas]] angetrieben. Zwischen Treibrohr und Lauf befindet sich ein konisches sog. Hochdruckteil (engl. high pressure section), dessen Ende durch ein Ventil vom Lauf getrennt ist. Hat das Leichtgas einen ausreichend hohen Druck erreicht, wird das Ventil geöffnet, und das hoch verdichtete Leichtgas strömt in den Lauf und beschleunigt das Projektil. Als Ventil wird üblicherweise eine zwischen ein und fünf Millimeter dicke Metallscheibe verwendet, die mit schlitz- oder kreuzförmigen Sollbruchstellen versehen ist (engl. petal valve) und die bei einem bestimmten Druck birst. Im Hochdruckteil werden kurzzeitig extrem hohe Drücke in der Größenordnung um 1 GPa bzw. 10.000 bar erreicht. Die Kompression des leichten Gases stellt die erste Stufe dar, die Beschleunigung des Projektils die zweite. Daher kommt die Bezeichnung ''zweistufige'' Leichtgaskanone.

Wenn das Ende des Hochdruckteils wie in der nebenstehenden Abbildung auch noch als [[Düse]] ausgebildet ist, wird die Wirkung noch zusätzlich verstärkt.

'''Einstufige Leichtgaskanonen''' bestehen aus einem Reservoir mit angeschlossenem Lauf. Reservoir und Lauf sind zunächst durch eine Membran getrennt. Hier werden meist Kunststoff-Membranen verwendet. Nachdem das Projektil in den Lauf eingebracht ist, wird das Reservoir über Pumpen mit molekular leichtem Gas gefüllt. Beim Erreichen des gewünschten Reservoirdrucks wird die Membran z. B. mit einem Dorn zum Platzen gebracht. Das Gas strömt in den Lauf und beschleunigt das Projektil.

; Projektile / Treibspiegel
Die Projektile werden nicht direkt verschossen. Stattdessen werden sie in so genannten [[Treibspiegel]]n eingebettet (wie im Englischen und Französischen auch im Deutschen gelegentlich als „Sabot“ bezeichnet). Der Treibspiegel, zumeist aus Kunststoff, zerfällt beim Austritt aus dem [[Lauf (Schusswaffe)|Lauf]] in mehrere Elemente und wird von einer Blende (engl. sabot catcher) aufgefangen. Die Trennung wird in der Regel aerodynamisch erreicht, entweder durch einen hohen Gasdruck außerhalb des Laufs oder durch den Druck des Treibgases.

Diese Technik hat den Vorteil, dass nahezu beliebig geformte Projektile verschossen werden können, z. B. Modelle für [[Weltraummüll]] oder [[Meteorit]]en, Stabpenetratoren ([[Wuchtgeschoss]]e) mit aerodynamischen Stabilisatoren. Bei Fehlschüssen kann es vorkommen, dass sich der Treibspiegel bereits im Lauf trennt und das Projektil freigibt. Solche Fälle führen zu einer starken Beschädigung, die den Lauf in der Regel unbrauchbar macht.

== Verwendungszweck ==
Leichtgaskanonen werden vorwiegend für Hochgeschwindigkeits-Einschlagtests verwendet. Ziel solcher Versuche ist es, die physikalischen Vorgänge beim Einschlag z. B. von Mini[[meteorit]]en in Weltraumfahrzeugen und [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] oder von [[Projektil]]en in [[Panzerung]]en zu untersuchen. Ebenso dienen solche Experimente als Modellversuche dem Verständnis von [[Impakt|Meteoriteneinschlägen]] auf der Erde. Dabei durchfliegt ein Projektil nach dem Austritt aus dem [[Lauf (Schusswaffe)|Lauf]] den sog. Blasttank, in dem das Treibgas abgefangen wird. Hier befindet sich auch die erwähnte Blende, ebenso wie in der Regel mehrere Laserlichtschranken, die zur [[Geschwindigkeit]]smessung und als [[Trigger (Elektronik)|Triggerquelle]] für die Sensorik verwendet werden. An den Blasttank schließt eine weitere Kammer an, die Impakttank oder Targetkammer genannt wird und in der sich das Target befindet. Beide Tanks bieten durch entsprechende Panzerung den notwendigen Splitterschutz und werden bei Bedarf (hohe Geschwindigkeiten, Wasserstoff als Treibgas) [[Vakuum|evakuiert]]. Impakttank bzw. Targetkammer sind mit Sensorik (wie [[Hochgeschwindigkeitskamera]]s, [[Röntgenstrahlung|Röntgenröhren]] und -filmen etc.) ausgerüstet, um den Einschlag ("[[Impakt]]") auf das [[Target (Physik)|Target]] zu beobachten. Der Impaktvorgang dauert häufig nur wenige zehn bis hundert Mikrosekunden.

Anfang der 1990er-Jahre verwendete das amerikanische [[Lawrence Livermore National Laboratory]] die Leichtgaskanonentechnik im [[High Altitude Research Project#SHARP|Super High Altitude Research Project]] (SHARP).<ref>{{Literatur |Autor=Charlene Crabb |Titel=Shooting at the moon |Sammelwerk=New Scientist |Nummer=1937 |Verlag=newscientist.com |Datum=1994-08-06 |Sprache=en |Online=http://www.newscientist.com/article/mg14319373.900 |Abruf=2011-12-29}}</ref><ref name="astronautix">{{Astronautix|sharp|SHARP|abruf=2011-12-30}}</ref> Dieses Weltraumkanonenprojekt sollte [[Nutzlast]] in den Weltraum zu einem zwanzigstel der bisherigen Kosten mit Raketentechnik transportieren. In den Versuchen wurden Geschwindigkeiten von 3 km/s mit 5-kg-Projektilen erreicht. Die nächste Entwicklungsstufe, die Abschüsse in den Weltraum ermöglicht und 1 Mrd. US-$ gekostet hätte, wurde aber 1995 nicht mehr freigegeben.<ref>{{Internetquelle |autor=David Shiga |url=http://www.newscientist.com/article/dn17931-blasted-into-space-from-a-giant-air-gun.html |titel=Blasted into space from a giant air gun |hrsg=[[New Scientist|newscientist.com]] |datum=2009-10-07 |sprache=en |abruf=2011-12-21}}</ref> Inzwischen versucht die aus dem SHARP-Projekt ausgegründete Firma ''Quicklaunch'' die Leichtgaskanonen-Technik weiterzuentwickeln um sie für den Nutzlasttransport in den Weltraum zu kommerzialisieren. Es ist angestrebt, Nutzlast für 1100 $/kg ins All befördern zu können. Da die [[Fluchtgeschwindigkeit (Raumfahrt)|Fluchtgeschwindigkeit]] von der Erde 11,2 km/s beträgt und für die Quicklaunch-Leichtgaskanone selbst eine [[Mündungsgeschwindigkeit]] von 6 km/s angestrebt wird, beinhaltet das Konzept eine zusätzliche Raketenstufe.

== Leistung ==
{{Belege fehlen}}
Die höchste bisher mit einer zweistufigen Leichtgaskanone erreichte [[Geschwindigkeit]] liegt bei ca. 11,5 km/s. Zum Vergleich: Die Geschwindigkeit, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen, beträgt v= 11,19 km/s. Allerdings ist hierbei die noch zu überwindende Luftreibung nicht berücksichtigt.

Bei Schüssen über ca. 8 bis 9 km/s nimmt der Verschleiß an der Anlage stark zu, so dass ab ca. 10 km/s in der Regel Lauf und Hochdruckteil nach jedem Schuss ausgewechselt werden müssen. Aufgrund der damit verbundenen Kosten werden solche Schüsse nur selten durchgeführt. Dazu kommt, dass bisher nur kurze Kunststoffzylinder auf Maximalgeschwindigkeit beschleunigt wurden.

Die routinemäßig mit zweistufigen Leichtgaskanonen erreichten [[Geschwindigkeit]]en hängen von der Geschossmasse ab. Im Milligrammbereich werden ca. 10 km/s (36.000 km/h) erreicht, im Grammbereich ca. 7 km/s (25.000 km/h), im Kilogrammbereich ca. 5 km/s (18.000 km/h). Zur Orientierung: Bei der Simulation von [[Weltraummüll]]-Einschlägen werden [[Kugel]]n aus [[Aluminium]] mit einem [[Durchmesser]] zwischen ca. 1 mm (Masse ca. 0,0014 g) und 10 mm (ca. 1,4 g) verschossen.

Die Geschwindigkeit lässt sich über die Menge der [[Treibladung]] und den Leichtgasdruck im Pumprohr für die jeweilige Geschossmasse einstellen.

Einstufige Leichtgaskanonen erreichen erheblich geringere Geschwindigkeiten.

Es existieren Verbesserungskonzepte aus dem Jahr 2000, die eine Steigerung bis 15 km/s versprechen, die aber bis heute noch nicht realisiert wurden.<ref>{{Internetquelle |autor=T. W. Alger et al. |url=https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/240322.pdf |titel=Direct Energy Exchange Enhancement in Distributed Injection Light Gas Launchers |hrsg=[[Lawrence Livermore National Laboratory]] |datum=2000-04-06 |format=PDF; 500 kB |sprache=en |abruf=2012-01-09}}</ref>

== Ähnliche Technologien ==
Voitenko-Kompressoren, eine auf [[Hohlladung]]stechnik basierende Konstruktion, beschleunigen dünne Scheiben (ähnlich [[Treibspiegel|Sabot-Geschossen]]) mit Wasserstoffgas auf bis zu 40 km/s.<ref>{{Internetquelle |url=https://space.nss.org/settlement/nasa/Nowicki/SPBI134.HTM |titel=Explosives Accelerators |hrsg=National Space Society |abruf=2022-12-25}}</ref> Beispielsweise wurde Wasserstoffgas mit einer 66-Pfund-Hohlladung in einem Voitenko-Kompressor, bestehend aus einer 3-cm Glas-verkleideten Röhre von 2 Meter Länge, auf 67 km/s beschleunigt. Die Apparatur wird bei der [[Detonation]] zerstört, jedoch können vorher relevante Daten extrahiert werden.<ref>NASA: [http://history.nasa.gov/SP-440/ch6-15.htm ''The Suicidal Wind Tunnel'']</ref><ref>GlobalSecurity: [http://www.globalsecurity.org/military/systems/munitions/bullets2-shaped-charge.htm ''Shaped Charge History'']</ref>

== Siehe auch ==
* [[kinetische Gastheorie]]

== Weblinks ==
* [https://hvit.jsc.nasa.gov/hypervelocity-testing/light-gas-guns.html Hypervelocity Impact Technology] (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Werkstoffprüfung]]
[[Kategorie:Gerät]]

Leichtgaskanone - Versionsgeschichte

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