EineRailgun (genauerElectromagnetic Railgun/EMRG, dt.Schienengewehr oderSchienenkanone) ist eineWaffe, die Stahlgeschosse mittels eines stromführenden Schlittens entlang zweier parallel laufender Schienen („Rails“) beschleunigt. Die Beschleunigung der Projektile entsteht durch dasMagnetfeld, das vom Stromfluss erzeugt wird. Abhängig von der Beschleunigungsstrecke (Schienenlänge) und der Stärke des Stromes, aber auch von der Anordnung der Schienen werden Geschwindigkeiten von mehrerenKilometern pro Sekunde erreicht. Bei konventionellen Waffen betragen dieMündungsgeschwindigkeiten etwa 2 km/s (entspricht etwa 6 Mach). Bei Experimenten mit Railguns während derStrategischen Verteidigungsinitiative (SDI) der USA wurden Geschwindigkeiten von über 7,5 Mach erreicht.[1]
Eine Railgun beschleunigt das Projektil durch die magnetische Wechselwirkung eines elektrischen Stromes, der über die Schienen auf das Projektil selbst oder auf einen hinter dem Projektil geladenen Treiber fließt, mit dem Magnetfeld des Schienenstromes selbst. Das Projektil kann dabei auch selbst als Schlitten dienen, dies ist aber wegen der sich widersprechenden Anforderungen (das Projektil muss wegen der Aerodynamik schlank sein, der Schlitten dagegen breit und flach) unüblich in professionellen/militärischen Entwürfen.
Die beschleunigende Kraft ist dieLorentzkraft: Die entgegengesetzten Schienenströme erzeugen zwischen den Schienen ein senkrecht zur Fläche zwischen den Schienen stehendesMagnetfeld. Orthogonal zu diesem B-Feld fließt der Schlittenstrom, was eine senkrecht auf Schlittenstrom und B-Feld stehende, konstante Kraft erzeugt. Aufgrund derRechtshändigkeit der Lorentzkraft wird das Projektil aus der Schiene heraus beschleunigt. Die Kraft auf das Geschoss ist nur von Magnetfeldstärke und Stromfluss abhängig und daher unabhängig von der Geschwindigkeit.
Als Stromquelle bzw. Energiespeicher kommenSuperkondensatoren in Form vonImpulsgeneratoren zum Einsatz. Alternativ werden auchSchwungräder als Energiespeicher verwendet, in diesem speziellen FallUnipolarmaschinen oder deren Weiterentwicklung, dieCompulsatoren.
Der Antrieb ist nicht mit dem einesGaußgewehres (auch Spulenkanone oder Coilgun) zu verwechseln, bei dem ein leitfähiges bzw. ferromagnetisches Projektil durch ein magnetisches Wanderfeld beschleunigt wird, ohne dass es von Strom durchflossen wird.
Am TARDEC, einem inDetroit angesiedelten Forschungsinstitut derUS Army für gepanzerte Fahrzeuge, lief bis 2015 ein Railgun-Forschungsprojekt mit dem Ziel der Entwicklung eines Prototyps einer funktionierenden Panzerkanone mit einemKaliber von 60 Millimetern. Neben der Stromversorgung war vor allem der Verschleiß ein noch ungelöstes Problem. Die Schienen leiden massiv unter der großen Erhitzung durch den Stromfluss. Bis 2006 waren mit allen Versuchsaufbauten nur wenige Schüsse möglich, bevor die Anlagen ausfielen. Über den aktuellen Stand der Technologie diskutierten damals (2006) 200 Fachleute bei einem Symposium in Potsdam.[2] 2016 testeteGeneral Atomics eine erstmals auf einem LKW montierte Railgun mit einer Projektilgeschwindigkeit von 9.600 km/h (= 2667 m/s). Der Prototyp ist vollständig transportabel.[3]
DieUS Navy forscht in Washington an Railgun-Schiffsgeschützen, deren Geschosse auf bis zuMach 7 beschleunigt werden, mit Mach 5 wieder in die Erdatmosphäre eintreten und eine Reichweite von mindestens 200 nautischen Meilen (ca. 370 km) erreichen sollen. Wichtigster Firmenpartner istBAE Systems. BAE setzte als Ziel, bis 2011 einen ersten Prototyp mit einer Energie von 32Megajoule bei einer Reichweite von 100 nautischen Meilen (ca. 185 km) und bis 2016 zur Erreichung der 200 Meilen einen mit 64 Megajoule fertigzustellen, während die Navy davon ausgeht, 2016 bis 2018 einen ersten einsatzfähigen Prototyp mit zugehörigen Unterstützungssystemen testen zu können. 2020 bis 2024 sollte die erste Railgun auf einem Schiff installiert werden. Es soll auch eine Variante zur Abwehr vonInterkontinentalraketen geben. Bis 2009 wurden rund 36 Millionen US-Dollar in das Projekt investiert, bis 2011 waren weitere 240 Millionen eingeplant. Ein Anfang 2009 unterzeichneter 21-Millionen-Dollar-Vertrag von BAE mit demOffice of Naval Research (ONR) begann die Entwicklung eines 2011 einsatzbereiten Prototyps, der endgültig (in der 64-Megajoule-Version) 200 nautische Meilen (370 Kilometer) weit schießen können soll.[4] In Phase II, die 2012 begann, soll die Technologie für den Übergang zu einem Akquisitionsprogramm vorangebracht werden. Ziel der Phase-II-Technologie sei dabei eine Feuerrate von 10 Schuss pro Minute und die Entwicklung vonThermomanagementtechniken, die für anhaltende Feuerraten erforderlich sind, sowohl für das Trägersystem als auch für das gepulste Energiesystem zu erreichen.[5]
Ende Januar 2008 berichtete die Navy von einem Versuchsaufbau, der die bis dahin besten Leistungsergebnisse erbracht haben soll. Im Naval Surface Warfare Center inDahlgren im US-Bundesstaat Virginia soll dabei eine 32-Megajoule-Anlage ein Geschoss auf 2520 Meter pro Sekunde beschleunigt haben. Das Aluminium-Geschoss erreichte dabei eine Energie von 10,68 Megajoule.[6][7] Die Geschossmasse betrug dabei etwas mehr als 3 kg. Vergleichbar ist diese kinetische Energie mit der einesWuchtgeschosses, wie es vom KampfpanzerLeopard 2 verschossen wird (m ≈ 8 kg,v ≈ 1700 m/s). Am 10. Dezember 2010 beschleunigte eine verbesserte Version der Anlage in Virginia ein Geschoss auf 2163 m/s (7786 km/h) bei einer Geschossenergie von 33 Megajoule,[1] womit der erste gesetzte Meilenstein (32-MJ-Geschoss bis 2011) erreicht wurde. Im Sommer 2010 wurde erstmals einSabot-Geschoss im Railgun-Projekt vonGeneral Atomics undBoeing verwendet, um Daten unter einsatzähnlichen Bedingungen zu sammeln. Das Projektil durchschlug nach sieben Kilometern Flug eine 30 Zentimeter dicke Stahlplatte. Anfang der 2010er Jahre plante General Atomics, dass die Waffe bis spätestens 2020 regulär auf Zerstörern derArleigh-Burke-Klasse verwendet werden kann.[8]
Im April 2014 erklärteRear Admiral Matt Klunder, dass eines der vorgesehenen 18-Zoll-Projektile ca. 25.000US-Dollar kosten wird, eine erhebliche Ersparnis im Vergleich zu bisher verwendeten Marschflugkörpern.[9] So kostet bereits eine einzelneTomahawk 650.000 Dollar. Im Juli 2014 sollte ein Prototyp in der Naval Base San Diego öffentlich vorgeführt werden.[9]
Im Februar 2015 wurde auf der „Naval Future Force: Science & Technology Expo“ ein für den Schiffseinsatz bereiter Prototyp präsentiert.[10] Die Waffe beschleunigt ein 5-Zoll-Projektil (12,7 cm) auf Mach 7 (ca. 2382 m/s) und kann Ziele bis auf 110 Meilen (177 km) bekämpfen.[11] 2016 sollte der Prototyp auf einem Schiff derSpearhead-Klasse, derUSNS Millinocket, erprobt werden, der erste serienmäßige Einsatz ist auf Schiffen derZumwalt-Klasse geplant, da diese aktuell mehr Strom als die Arleigh-Burke-Klasse zur Verfügung stellen können.[10]
2024 haben Deutschland, Frankreich und Japan die Entwicklung dieser Waffe beschlossen.[12] Auf europäischer Seite wird dabei auf die multinationalen ForschungsprojektePILUM undTHEMA aufgebaut.
Die erste Patentanmeldung erfolgte 1918 durch den Franzosen Louis Octave Fauchon-Villeplee. ImZweiten Weltkrieg gab es Versuche durch deutsche und japanische Wissenschaftler, diese waren allerdings weitgehend erfolglos und wurden nach Kriegsende von den Alliierten übernommen.[13][14] Obwohl schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts Versuche unternommen worden waren, leistungsfähige Railguns zu entwerfen, befinden sich diese noch immer in einer Entwicklungsphase.
In den USA wurde im Rahmen der seit dem Kalten Krieg (seit 1983 offiziell) bestehendenStrategic Defense Initiative (SDI) an der Entwicklung einerweltraumgestützten elektromagnetischen Kanone, derSpace-Based Hypervelocity Railgun (SBHRG), gearbeitet. Sie sollte derRaketenabwehr und alsAntisatellitenwaffe dienen.[15][16] Als Energiequelle waren damalsKernreaktoren vorgesehen.
In Deutschland wird seit den 1990er Jahren im ErprobungszentrumUnterlüß (EZU) vonRheinmetall an Railguns geforscht. Dort wurde 1994 eine 30-MJ-Anlage installiert.[17]
Railguns waren auch alsAntriebsmethode für die Raumfahrt im Gespräch.[18][19]
Neben den Militärs gibt es private Hobby-Gemeinden, die sich mit der Konstruktion von Railguns befassen. Diese Projekte arbeiten meist mit Graphit-Projektilen, um die Gleiteigenschaften bei den auftretenden hohen Temperaturen an den Berührungspunkten zu den Schienen zu erhalten. Die erreichtenParameter haben jedoch eher den Charakter vonDemonstratoren.
VomOffice of Naval Research wird die Railgun als „Game-Changer“ bezeichnet.[20] Die Motivation für die Entwicklung elektromagnetischer Waffen liegt in den Vorteilen, die prinzipiell gegenüber den konventionellenFeuerwaffen bestehen: die Austrittsgeschwindigkeit unterliegt nur aerodynamischen Grenzen, wohingegen konventionelle Munition nie schneller sein kann als das expandierende Treibladungsgas (im Allgemeinen ist dies die Schallgeschwindigkeit des jeweiligen Gases, am schnellsten beiLeichtgaskanonen). Mit der höheren Geschwindigkeit steigt derImpuls proportional an und erhöht die Zerstörungskraft. Die Geräuschentwicklung beschränkt sich auf denÜberschallknall, was militärisch vorteilhaft ist. Zudem gibt es weniger bewegliche Teile, was den möglichen Verschleiß und Ausfall verringert und die Railgun im Vergleich zu konventionellen Waffen wartungsärmer macht.
Ein Einsatz von Railguns erscheint besonders dort interessant, wo eine hoheFeuerrate und Reichweite erwünscht ist, z. B. bei der Flugabwehr. Denn die Feuerrate wird nicht durch den Ersatz von Treibladungen begrenzt, die Geschossgeschwindigkeit bei entsprechend hohem Strom nur durch die Luftreibung vermindert.
Das größte Problem bei der Konstruktion liegt in dem erforderlichen Energiespeicher, welcher kurzzeitig eine Leistung von mehreren Megawatt bis ca. 1 Gigawatt liefern muss. Verwendet werden hierfür unter anderem starkeKondensatoren. Dies macht die Waffe sehr schwer. Zurzeit sind elektromagnetische Waffen noch mindestens genauso schwer wie konventionelle mit gleicher Feuerkraft.
Ein weiteres Problem ist der Verschleiß der Stromschienen, die den Strom zum Geschoss leiten und dieses kontaktieren müssen. Die Schienen werden mechanisch äußerst stark belastet, zum anderen verursachen die hohen Ströme – diese liegen im Bereich von Megaampere – einen großen Verschleiß, so dass sie nur einmalig verwendet werden können. In den letzten Jahren konnten allerdings einige Fortschritte in diesen Punkten erzielt werden.
Innerhalb der Erdatmosphäre kann das Geschoss aufgrund der Reibungshitze verglühen.
Railguns kommen in der Literatur, in Filmen und in Computerspielen vor. Der SpielfilmEraser mit Arnold Schwarzenegger in der Hauptrolle dreht sich um fiktive Railguns als Infanteriewaffen. ImTabletop-SpielWarhammer 40.000 besitzt das außerirdische Volk derTau solche Geschütze, die in der deutschen ÜbersetzungMassebeschleuniger genannt werden. In vielen Computerspielen kommen Railguns als Waffen vor. So zum Beispiel alsScharfschützengewehr in der SpieleserieQuake, denEgo-Shootern derHalo-Reihe, inRed Faction oderCall of Duty: Advanced Warfare. Im ComputerspielMetal Gear Solid hat die amerikanische Regierung im Geheimen den gewaltigen roboterartigen KampfpanzerMetal Gear REX entwickeln lassen, der unter anderem eine Railgun trägt, die es ermöglicht,Atomsprengköpfe abzufeuern. Dieses Waffensystem soll dabei als atomareErstschlagswaffe dienen, bei der das Abfeuern der Sprengköpfe im Gegensatz zu dem Abgasausstoß beim Start konventioneller Atomraketen nicht durch feindlicheÜberwachungssatelliten registriert werden kann. Railguns kommen ebenfalls in den Science-Fiction-SerienStargate undThe Expanse vor. Außerdem findet im FilmTransformers – Die Rache eine Railgun alsSchiffsgeschütz Verwendung.
