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Kabel & Leitungen

Zuverlässige Verbindungstechnik erforscht Blitze

| Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Naturphänomene wie Gewitterblitze sind bisher relativ wenig wissenschaftlich untersucht. Das World ELF Radiolocation Array holt diesen Forschungsbedarf nach – und setzt dabei auf Verbindungslösungen von Lapp.

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Blitze erzeugen elektromagnetische Impulse mit extrem niedrigen Frequenzen unter 30 Hz, die sogenannten ELF-Pulse.
Blitze erzeugen elektromagnetische Impulse mit extrem niedrigen Frequenzen unter 30 Hz, die sogenannten ELF-Pulse.
(Bild: ©JBPHOTOGRAPHY - stock.adobe.com)

Zwischen 87,5 und 108 MHz ist der Frequenzbereich der Ultrakurzwelle (UKW), die man vom analogen Radio kennt. Darin tummeln sich bis heute weltweit unzählige Radiosender. Bis vor wenigen Jahren waren auch Radio-Übertragungsbänder mit noch niedrigeren Frequenzen – Kurzwelle, Mittelwelle und Langwelle mit Frequenzen zwischen 30 und 300 KHz –durchaus üblich.

Darunter befindet das Gebiet der Extremely Low Frequencies (ELF). Sie werden erzeugt von Blitzen, die nicht nur den Nachthimmel mitunter taghell machen, sondern auch Donner produzieren sowie elektromagnetische Impulse mit extrem niedrigen Frequenzen unter 30 Hz, die sogenannten ELF-Pulse.

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Antennen beobachten Blitze weltweit

Diese ELF-Pulse machen sich die Forscher im World ELF Radiolocation Array (WERA), betrieben von zwei Hochschulen im polnischen Krakau, für die Erforschung von Gewitterblitzen zunutze. Mit entsprechenden Antennen empfangen sie die kurzen ELF-Pulse, die von Blitzen ausgehen. Sie können damit weltweit das atmosphärische Geschehen rund um Blitze beobachten, denn durch ihre sehr großen Wellenlängen haben ELF-Wellen eine immense Reichweite. So entspricht die Wellenlänge eines Signals mit 7,8 Hz in etwa dem Erdumfang.

Begünstigt wird die Ausbreitung von ELF-Signalen durch eine Art Tunnel, den die Ionosphäre, eine Schicht der Atmosphäre mit elektrisch geladenen Partikeln, zusammen mit der Oberfläche der Erde bildet. Durch diesen Tunnel bewegen sich die ELF-Signale und sind so in der Lage, die Erde sogar mehrfach zu umrunden.

Anders als „normale“ Radiofrequenzen, die von Wasser blockiert werden, können sich ELF-Signale bis zu 300 m unter Wasser ausbreiten. Länder wie Russland, Indien und China nutzen deshalb ELF-Sender für ihre Kommunikation mit U-Booten. Sie nehmen dabei in Kauf, dass die mit ELF-Sendern übertragbaren Datenraten sehr niedrig sind.

Zivile Forschung an der Atmosphäre

Demgegenüber dient das World ELF Radiolocation Array WERA ausschließlich zivilen Zwecken. Das Forschungsprojekt startete vor rund 15 Jahren. Federführend sind Wissenschaftler am Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und an der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau.

Sie messen die elektrischen Entladungen in der Atmosphäre, analysieren sie und gewinnen daraus Erkenntnisse für ihre Forschung. Unter anderem unterstützen sie damit andere Wissenschaftler, die beispielsweise den Einfluss von Sonneneruptionen und Röntgenstrahlung aus dem All untersuchen. Auch an der Erforschung elektromagnetischer Störungen an den Gravitationswellen-Detektoren LIGO in den USA und VIRO in Italien ist WERA beteiligt. Die Wissenschaftler, die mit LIGO und VIRO arbeiten, konnten unlängst die Existenz von Gravitationswellen nachweisen.

Durch die Reichweite der ELF-Pulse sind die polnischen Forscher nicht nur in der Lage, die Signale von Gewitterblitzen weltweit zu empfangen. Sie können zum Beispiel auch sogenannte Sprites studieren. Sprites sind Blitze, die aus einer Wolke bis zu 100 km nach oben schlagen können.

Entscheidend für die Qualität der gewonnenen Daten ist, dass sich die Signale, die die Wissenschaftler empfangen, möglichst genau lokalisieren lassen. Aus diesem Grund wirken mehrere Messstationen zusammen. WERA arbeitet mit Stationen im argentinischen Rio Gallegos, in den Bieszczady-Bergen in Polen und im US-amerikanischen Bundesstaat Colorado. Die Stationen befinden sich fernab von technischen Einrichtungen in dünn besiedelten Gebieten. So soll verhindert werden, dass Fremdsignale die empfindlichen Antennen stören.

Reibungsloser Betrieb erfordert zuverlässige Verbindungstechnik

Da es aufwändig und teuer wäre, Ausfälle zu beheben, müssen die Messstationen möglichst reibungslos und autonom arbeiten. Deshalb legen die Wissenschaftler in Krakau großen Wert auf höchste Qualität und Zuverlässigkeit ihrer technischen Komponenten. Dazu gehören auch die Leitungen von Lapp.

Das Empfangsmodul der Station in Argentinien ist mit Unitronic Liycy und Unitronic Lifycy (TP) Leitungen verkabelt. Beide Kabellösungen eignen sich besonders für die Niederfrequenz-Datenübertragung in Anlagen, in denen es eng zugeht. Die Kabel sind dank feinstdrähtiger Litzen und Paarverseilung (TP-Variante) sehr dünn und biegsam. Die Unitronic Lifycy (TP) erlaubt bei fester Verlegung einen engen Biegeradius vom lediglich Vierfachen ihres Außendurchmessers. Dennoch hält sie Temperaturen bis zu -40°C aus. Ebenfalls wichtig ist eine ausgezeichnete Abschirmung. Außerdem wirkt die Paarverseilung bei der TP-Variante dem Übersprechen von Signalen zwischen den Stromkreisen entgegen.

Kabel und Kabelverschraubungen müssen robust sein

Perfekt abgeschirmt und, wie der Name schon sagt, extrem robust ist auch die Steuerleitung Ölflex Robust 215C. Sie verbindet die Elektronik und die Antennen in der Station in Argentinien. Dass die Leitung nicht selbst als Antenne wirken und elektromagnetische Signale auffangen oder aussenden darf, versteht sich von selbst. Die Leitung ist darüber hinaus witterungsbeständig, ozon- und UV-beständig und eignet sich bei fester Verlegung für einen großen Temperaturbereich von -50 bis 80°C. Sie ist zudem hoch beständig gegen Öl, Fett, Wachs, Ammoniakverbindungen, Biogas oder Warm- und Kaltwasser und viele andere Stoffe.

Das Verlegen von Leitungen im Freien stellt immer besondere Anforderungen an Gehäuse. Die Stelle, an der das Kabel in ein Gehäuse eingeführt wird, muss absolut dicht sein. Außerdem sollte die Leitung zugentlastet sein. Im WERA nutzen die Betreiber daher die Skintop MS-M Kabelverschraubung von Lapp. Sie widersteht niedrigen Temperaturen bis -40°C, ist zugelassen nach IP69 und bleibt auch unter Hochdruck noch dicht. Der doppelte Lamellenkorb sorgt dafür, dass das Verbindungselement Leitungen bis 98 mm Durchmesser absolut fest und sicher halten kann. Die robusten und ideal abgeschirmten Kabel von Lapp eignen sich damit perfekt für den Einsatz in den Messstationen.

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