المغناطيسية والهيدروديناميكية والطيران الفائق السرعة من خلال مولد فاراداي

محاضرة أُلقيت في سوبأيرو
في 10 يونيو 2003

المغناطيسية والهيدروديناميكية والطيران الفائق السرعة

ج.ب. بيت

الصفحة 1

مراجعة حول تاريخ المغناطيسية والهيدروديناميكية في فرنسا.

مُخترع مغناطيسية الهيدروديناميكية (MHD) هو الإنجليزي مايكل فاراداي. تتميز هذه التخصصية بوجهين:

• مسرعات MHD أو فن وطريقة تحريك السوائل باستخدام قوى لابلاس ("قوى لورينتز" بالإنجليزية) J × B
• مولدات MHD، أو فن وطريقة تحويل الطاقة الحركية لسائل متحرك إلى كهرباء.

قام فاراداي بتجريب كلا الصيغتين. وفي الحالتين، استخدم محولًا خطيًا، أطلق عليه اسمه. بشكل تخطيطي، يُعد المحول الخطي أنبوبًا يحمل أقطابًا (مجزأة، لتحسين توزيع التيار الكهربائي داخل الشريان)، مزودًا بلفات تُنتج مجالًا مغناطيسيًا عرضيًا. يشكل المحور الخاص بالجهاز، واتجاه المجال المغناطيسي، واتجاه المجال الكهربائي الناتج عن الأقطاب مثلثًا ثلاثي الأبعاد قائم الزوايا.

محول فاراداي

في أوائل الستينيات، كانت إنجلترا أول من تفكّر في إنتاج الكهرباء عبر مغناطيسية الهيدروديناميكية، بدون أجزاء متحركة، عبر "تحويل مباشر". على الورق يبدو هذا بسيطًا جدًا. يتدفق سائل بسرعة V داخل أنبوب ويقطع خطوط المجال المغناطيسي B. ويترتب على ذلك مجال كهرومغناطيسي V × B يُنشئ تيارًا J (كثافة التيار، بوحدة الأمبير لكل متر مربع)، يُجمع بواسطة الأقطاب ويتدفق عبر مقاومات الحمل. كانت مولدات MHD تتمتع بعدة مزايا. يمكن تشغيلها بسرعة كبيرة. كما أنها تتجاوز حواجز "كفاءة كارنو" التي كانت تحدّ من كفاءة التوربينات الغازية آنذاك بـ 40٪. أشارت الحسابات النظرية إلى أنه "على الورق" يمكن التوقع بتحقيق كفاءات إجمالية تصل إلى 60٪. إذا كانت هذه الآلات قادرة على العمل، فهذا يعني أنه من نفس كمية الوقود الأحفوري، يمكن استخلاص 50٪ إضافية من الطاقة الكهربائية.

لكن الغازات هي موصلات سيئة للكهرباء. لنأخذ خليطًا غازيًا ناتجًا عن احتراق الهيدروكربونات. تمتلك مكوناته جهد تأين. ولكن حتى عند أعلى درجات الحرارة الممكنة التي تسمح بها التكنولوجيا، ستبقى موصلية الوسط ضعيفة. ستُحوّل جزء صغير فقط من إنتالبيا الغاز إلى كهرباء، بينما تُهدر الجزء الأكبر من الطاقة في الشريان عبر تأثير جول.

لذلك تم التفكير في زيادة موصلية هذا الغاز بإضافة مادة ذات جهد تأين منخفض، وغالبًا ما تكون قلوية. يُعد هذا التحدي في تعزيز الموصلية بالغ الأهمية لدرجة أن الباحثين فكروا فورًا في استخدام المادة الأكثر سهولة في التأين: السيزيوم. لذلك، أُجريت أولى تجارب التحويل MHD بإضافة مولد فاراداي خطي بعد غرفة الاحتراق التي تحترق فيها الهيدروكربونات. كانت النتائج مخيبة للآمال. كان من الضروري الوصول إلى درجة حرارة تقارب 3000°، أي درجة حرارة شريط المصباح الكهربائي. ركّزت الجهود على تحمل المواد للحرارة: الجدران والأقطاب. في بداية الستينيات، لم يكن من النادر أن تُدمر الأقطاب أثناء التجارب، تمامًا كما تُدمر الصفائح المصممة لضمان تحمل الجدران للحرارة. استمرت هذه البحوث المتعلقة بما يُعرف بـ "الدورة المفتوحة" في مختبرات عديدة حول العالم خلال عقد الستينيات. وشاركت في ذلك فرنسا من خلال مؤسسة EDF في مركز بحوث رينارديير بالقرب من موريه سو لوان، والمعهد الفرنسي للبترول، وشركة CGE (الشركة العامة للكهرباء). بلغت الجهود الدولية (المدنية) المتعلقة بـ MHD 5000 باحث، موزعين على عشرات المختبرات المنتشرة حول العالم. ونتيجة للفشل، توقفت البحوث تدريجيًا. وظلّ الروس أخيرًا يواصلون المحاولة حتى منتصف السبعينيات، باستخدام مولد تجريبي اسمه "U-25"، المُثبت بالقرب من موسكو.

مولد MHD الروسي U-25. في المقدمة المغناطيس الكهربائي.

الأبعاد الهائلة لشريان مولد U-25. الأقطاب تقع على اليمين واليسار.

تم التفكير فورًا في مسار بديل، باستخدام ما يُعرف بـ "الموصلية الكهربائية خارج التوازن (الحراري الديناميكي)". سنتناول هذا النوع من الظروف لاحقًا، حيث تكون درجة حرارة الإلكترونات Te أعلى من درجة حرارة الغاز Tg. هذه هي الظروف السائدة داخل أنبوب النيون. الفكرة الأساسية هي التالية: داخل أنبوب النيون، يُنشئ مجال كهربائي E بواسطة الأقطاب، ويُسرّع الإلكترونات الحرة على طول مسافتها المتوسطة الحرة (بين تصادمها مع ذرات محايدة أو أيونات). إذا كانت المسافة المتوسطة الحرة طويلة بما يكفي، يمكن أن تصل الطاقة الحركية للإلكترونات إلى طاقة التأين Ei لذرة. عند حدوث تصادم، يحدث "انفجار إلكتروني". وبالتالي، يُنشئ التيار الكهربائي حالة مشحونة داخل الأنبوب. الظاهرة العكسية: تجذب الأيونات الإلكترونات البطيئة نسبيًا وتحاول احتجازها (إعادة التثبيت الإشعاعي).

لقد وضعت بالفعل مذكرةين حول MHD على موقعي، مقدّمتين على مستوى تبسيط. ستحتوي هذه المذكرة على روابط تشير إلى هذه المذكرة.

في منتصف الستينيات (وبشكل دقيق في مؤتمر نيوكاسل عام 1964)، تنبأ الباحث الروسي الشاب فيليخوف بظهور عدم استقرار تأيني شديد البرودة (بمدة تصل إلى جزء من الملي ثانية). لا تبدو النظرية الكامنة وراء هذا الظاهرة بسيطة. آلية هذا الظاهرة تمثل تحديًا للحدس. إليك صورة من ستينيات القرن الماضي تُظهر (كانت المحاكاة العددية آنذاك تتطلب أنظمة قوية جدًا، وهذه الصور أتت من الاتحاد السوفيتي). تُظهر الصورة الطريقة التي تتطور بها هذه الاستقرار، حيث تُضيق في بعض الأماكن خطوط التيار الكهربائي. يؤدي هذا الزيادة المحلية في J إلى استجابة من الغاز على شكل تأين. وبالتالي، يُقسّم الوسط إلى طبقات ذات موصلية كهربائية عالية، تتناوب مع مناطق ذات موصلية منخفضة.

تطور عدم الاستقرار الكهروحراري في محول فاراداي (1968)

كان هذا عدم الاستقرار، الذي لم يُعثر على علاج له، هو السبب في انهيار كل الجهود المبذولة في مجال MHD المدني حول العالم (عشرات المختبرات، 5000 باحث). بحلول نهاية الستينيات، كانت النتيجة محسومة في أوروبا. تم تفكيك جميع الفرق، على الرغم من نجاح وحيد في معهد ميكانيكا السوائل في مارسيليا بين 1966 و1970. كان هناك نتيجتان بارزتان:

• أول تشغيل لمولد خارج التوازن، مستقر بالنسبة لعدم الاستقرار التأيني (ج.ب. بيت، 1967، المؤتمر الدولي السابع في وارسو). درجة حرارة الغاز: 6000°، درجة حرارة الإلكترونات: 10,000°، استخلاص الطاقة: 2 ميغاواط. تدفق تيار ملحوظ حتى 4000°.

• تسريع بلازما الأرجون. معطيات الدخول: ضغط، 1 بار، سرعة: 2700 م/ث، درجة حرارة: 10,000°، الموصلية الكهربائية: ...