مستند بدون عنوان

... الهيدروديناميكا المغناطيسية مجال بحثي واسع جداً.
مخترع المفاهيم الأساسية هو العالم البريطاني الشهير مايكل فاراداي.
وللهيدروديناميكا المغناطيسية جانبان.

• من ناحية، يمكن تسريع الموائع عبر قوة لورنتز J × B، وهو ما يشير إلى مسرّعات الهيدروديناميكا المغناطيسية.

• ومن ناحية أخرى، يمكن تحويل الطاقة الحركية لمائع ما، وإنثالبيّه، إلى طاقة كهربائية. ويشير هذا إلى مولدات الهيدروديناميكا المغناطيسية.
  في مثل هذه المنشآت، عندما يعبر تدفق غازي خطوطَ مجال مغناطيسي عرضي B بسرعة V، يؤثر مجال كهربائي مستحث V × B على الجسيمات المشحونة، الإلكترونات الحرة أو الأيونات.

... يوجد كتاب جيد جداً (الآن، في المكتبات العلمية فقط):

Sutton & Sherman: "Engineering magnetohydrodynamics"،
Mac Graw Hill Books Cie، 1967

للفيزيائيين وطلاب الدراسات العليا.

... لديّ خبرة شخصية في الهيدروديناميكا المغناطيسية منذ عام 1964. بين عامي 1964 و1972 عملت في معهد ميكانيكا الموائع في مرسيليا. وفيما يلي ببليوغرافيا مختصرة (مكرّسة لأعمال أحدث):

(1) J.P.Petit: "Is supersonic flight possible?" المؤتمر الدولي الثامن حول توليد الطاقة الكهربائية بالهيدروديناميكا المغناطيسية. موسكو 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force action". المؤتمر الدولي التاسع حول توليد الطاقة الكهربائية بالهيدروديناميكا المغناطيسية. تسوكوبا، اليابان، 1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8، العدد 2، ص 163-178، 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion, and shock tube simulations for isentropic flows". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8، ص 307-326، 1989
(5) B.Lebrun: "Approche théorique de la suppression des ondes de choc se formant autour d'un obstacle effilé placé dans un écoulement d'argon ionisé". أطروحة في علم الطاقة رقم 233. جامعة بواتييه، فرنسا، 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit: "Theoretical analysis of shock wave anihilation by lorentz force field". الندوة الدولية للهيدروديناميكا المغناطيسية، بكين 1990.

... ثم انتقلت إلى الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات النظري. خلال الستينيات بنينا مولدات هيدروديناميكا مغناطيسية قصيرة المدة، قائمة على أنفاق رياح ساخنة تُدار بأنابيب الصدم. كان هذا الجهاز قادراً على إنتاج تدفقات قصيرة المدة، عالية الحرارة والسرعة، وبضغوط عالية جداً. هذا ليس نفق رياح منخفض الضغط. المعاملات النموذجية هي:

الغاز: الأرجون
السرعة: 2700 م/ث
الحرارة: 10000°ك
الضغط: بار واحد
الموصلية الكهربائية: 4000 ميكرومهو/م

... نحن نبني حالياً مختبراً جديداً بتمويل خاص. أعتقد أنه سيكون جاهزاً للعمل قبل نهاية عام 2001. سيغطي النشاط مجالات مختلفة:

• تجارب الغاز الساخن

• تجارب الغاز البارد (تدفقات هواء فوق صوتية عند الضغط الجوي)

• تجارب الغاز منخفض الضغط (محاكاة).

• التجارب العددية.

• التجارب الهيدروليكية (نماذج غواصات عالية السرعة).

... في البداية، لماذا نستأنف مثل هذا النشاط بعد توقف دام 13 عاماً؟ لأن لدينا أفكاراً جديدة. في عام 1975 تخيلت أن الطيران فوق الصوتي قد يكون ممكناً، في هواء كثيف، دون إحداث دوي صوتي ولا اضطراب. نشرت أوراقاً في مجلات علمية حول ذلك. في ذلك الوقت بدت الفكرة حمقاء. في عام 1975، بنيت مع زميلي موريس فيتون تجربة هيدروليكية بمغناطيس قوته واحد تسلا. كان هذا المجال المغناطيسي ضرورياً لتعديل تدفق ماء حول نموذج صغير، في تدفق بسطح حر (8 سم/ث). كان النموذج أسطوانة (قطرها 7 مم). نجحت التجربة وأُلغي تماماً الموجة الأمامية (يعرف المتخصصون في ميكانيكا الموائع أن الموجة التي تصنعها سفينة شبيهة جداً بموجات الصدم). حينها ظننت أن الفكرة ليست بهذا الغرابة الذي بدت عليه للوهلة الأولى.

... خلال السنوات العشر التالية كان كل شيء صعباً جداً، ليس من وجهة نظر علمية بل، لنقل، من "وجهة نظر سياسية". من الواضح أن هذا المفهوم الجديد كان مرتبطاً بقضية الأجسام الطائرة المجهولة. في تجارب الغاز، سيكون مثل هذا "الأيرودين المغناطيسي الهيدروديناميكي" محاطاً ببلازما مضيئة، حمراء في النظام المنخفض، وبيضاء تقريباً في الأنظمة الأعلى. الأقطاب الكهربائية، عندما تمتلك الآلات بعضها، ستبدو مثل "نوافذ". إضافة إلى ذلك، كانت الآلة القرصية الشكل (كما سُميت لأول مرة في "تقرير أكاديمية العلوم في باريس"، عام 1975) مثالية، على أسس علمية (وأسس هيدروديناميكية مغناطيسية، قد تختلف بعض الشيء عن أسس ميكانيكا الموائع الكلاسيكية)، بحيث لم يكن المجتمع العلمي متحمساً كثيراً لمثل هذا المشروع، حتى لو كانت الأسس العلمية واضحة ونقية تماماً.

... حاولت تركيب بعض البحث، أولاً في المركز الوطني الفرنسي للدراسات الفضائية (CNES) في 1979-1982، ثم في مختبر تابع للمركز الوطني للبحث العلمي (CNRS) في 1984-1986. كان هذا المختبر الثاني في روان، وكان مديره البروفيسور فالنتان، المتقاعد اليوم. عبر CNES، رُكّبت بعض التجارب في تولوز، في CERT الفرنسي (مركز الدراسة والبحث التقني)، وهو مختبر على صلة وثيقة بالجيش. أُعطي بعض المال لكن الجيش، في هاتين المحاولتين، أجبر المختبرين بغباء على إخراجي من العمل العلمي. للأسف، كانت الخلفية العلمية للأشخاص المعنيين، في الحالتين، غير كافية وفشل البحث في كلتيهما. أُهدر الكثير من المال بغباء. لذلك قررت في عام 1987 التخلي نهائياً. لكن، مؤخراً جداً، حفزتني أفكار جديدة على العودة إلى الميدان. بحكم التجربة، عرفت أن أي تعاون مع مؤسسات فرنسية، إن بدأ، سيعفّن الجيش الوضع فوراً، كما فعل مرات كثيرة سابقاً. لذلك قررنا إعادة البدء بقوانا ومواردنا. قد يبدو هذا حمقاً. لكن بقدر ما أرى، يمكن تشغيل كل هذا البحث بمواد قديمة. إضافة إلى ذلك، انخفض سعر الإلكترونيات والحواسيب انخفاضاً كبيراً منذ 20 عاماً. انضم إلينا كثير من الباحثين الجيدين جداً، المتقاعدين الآن. لذلك قررنا إنشاء مختبر في جنوب فرنسا. حالياً نجمع أنظمة قديمة: بنوك مكثفات، مصادر كهربائية بجهد متنوع، منخفض وعالٍ، إغنترونات، كليسترونات، أجهزة بصرية وهكذا، ونخزنها. عندما يتوفر لدينا كل اللازم، سنبدأ العمل، قريباً، كما نأمل.

... الآن، لنلقِ نظرة على بعض الأفكار الجديدة.

... إذا نقرت هناك، فستقرأ الملاحظة المنشورة في تقارير أكاديمية العلوم، عام 1975. إن لم تقرأ الفرنسية، فإليك بعض التوضيحات الموجزة. فيما يلي الرسوم التوضيحية الثلاثة الأولى. في الشكل 1، آلة قرصية الشكل، مع ملف لولبي استوائي، يخلق تياره الكهربائي المتناوب مجالاً مغناطيسياً متناوباً. هذا الأخير (بفضل السيد ماكسويل) يخلق مجالاً كهربائياً مستحثاً E' يميل إلى خلق تيارات كهربائية مستحثة دائرية. بدمج هذه التيارات J' مع القيمة اللحظية للمجال المغناطيسي نحصل على قوى شعاعية (يُعتبر تأثير هول مهملاً) نحصل على نظام قوى شعاعية متغيرة زمنياً J' × B، موجهة نحو الخارج ونحو المركز بالتناوب. لذلك كانت الفكرة كالتالي: لنفترض أننا نستطيع خلق تأين غير مستقر قرب القرص، مُتحكم فيه زمنياً، فيمكننا التأثير على المائع، باستخدام قوى طرد مركزية شعاعية عند وجودها، في أعلى القرص، وقوى جذب مركزية شعاعية، عند انعكاس هذه القوة، في أسفل الآلة القرصية الشكل.

... في الشكل التالي، تدفق الغاز المستحث المتوقع؛ حول آلتنا القرصية الشكل:

... قالت الحسابات إن تأثير الشفط قد يكون قوياً جداً، قوياً بما يكفي لإلغاء أي تشكل لموجة صدم عند نقطة ركود الآلة (التي تتحرك على محورها). كانت المشكلة التقنية هي تعديل التأين قرب الجدار، زمنياً. تخيلنا أولاً جهازاً يشبه "مصيدة الذئب":

... تخيل ثقباً مخروطياً "صغير الحجم" في الجدار، وعلى محوره "دبوس". عند وصلة المخروط بالمستوى، قطب كهربائي دائري (مصعد). القطب المركزي (الشبيه بالدبوس) مشحون سلباً. عندها يتشكل تفريغ كهربائي في الهواء المحيط، كما هو موضح أعلاه. يميل المجال المغناطيسي اللاحق، المرتبط بهذا التفريغ الكهربائي، إلى دفع الإلكترونات الحرة بعيداً وإعطائها طاقة. ظننا أنه قد ينتج أيونات سالبة قصيرة العمر في الهواء، مما يجعل التفاعل الهيدروديناميكي المغناطيسي ممكناً خلال عمر هذه الأيونات. كان يمكن إجراء مثل هذا البحث في مختبر مجهز جيداً، لكن لم يكن لدينا واحد. منذ 1973 كنت في مرصد فلكي، وهو ليس مكاناً مثالياً لإجراء تجارب فيزياء البلازما.

... على أي حال، في نهاية السبعينيات، اكتُشف جانب مثير للاهتمام في الآلة. يعرف متخصصو البلازما الجيدون أن الضغط المغناطيسي يميل إلى إبعاد التفريغات الكهربائية. اختبرنا ذلك في تجارب هواء منخفض الضغط. وُجد الحل بسرعة. بدلاً من خلق مجال مغناطيسي B قيمته القصوى في مستوى التماثل (يخلقه ملف استوائي واحد)، قررنا استخدام ثلاثة، كبير واثنين أصغر، كما هو موضح في الشكل التالي:

... يساراً: محور الآلة. أعلى ويميناً، الترتيب التخطيطي للملفات الثلاثة، موضحاً طريقة سريان التيارات الكهربائية. في الشكل، الخطوط المغناطيسية. نرى أن سطح B الأقصى قريب من جزء من مخروط (يحتوي دائرتي ملفين). المنطقة الرمادية: حجم الحصر، الذي تميل البلازما إلى الاستقرار فيه. نجاح فوري، تجريبياً. عندها يجب أن يكون جدار الآلة، لتحسين التفاعل الهيدروديناميكي المغناطيسي، متعامداً على الخطوط المغناطيسية. أخيراً، هذا هو المظهر النموذجي لأيروديننا المغناطيسي الهيدروديناميكي بلا أقطاب، باستخدام ظواهر الحث والتأين النبضي، المُحسَّن على أسس هيدروديناميكية مغناطيسية:

... ترى لماذا واجهنا بعض المشاكل مع المجتمع العلمي والجيش والسياسيين وهكذا.

... كان من الصعب إدارة التأين قصير المدة.

تجارب الهيدروديناميكا المغناطيسية بالغاز البارد.

... لكن، مؤخراً، جاءت فكرة جديدة، مُلخصة في الشكل التالي:

... جدران النموذج مصنوعة من التفلون. في القشرتين التفلونيتين، ملفات مدفونة (الملف الاستوائي و"ملفا الحصر"). سيُستخدم كليسترونان، مُصححان إلى دليلين موجيين منفصلين. يظهر هذان في الشكل. هما أسطوانتان نحاسيتان متحدتا المحور. عندما يعمل أحدهما يكون الثاني متوقفاً، وهكذا. تعمل صفائح نحاسية رقيقة متشابكة (حمراء) كموزّع وترشّ الأمواج الدقيقة. الصفيحة النحاسية الواقعة في مستوى التماثل تمنع الأمواج الدقيقة المستخدمة لتأين الهواء على الجانب المقابل من الآلة. في الشكل التالي نعرض النموذج عندما تتدفق الأمواج الدقيقة على طول القناة المركزية، وتُرشّها الصفائح النحاسية الرقيقة المتشابكة، في الجزء العلوي، وتعبر التفلون حينها وتخلق طبقة رقيقة من الهواء المتأين. أمواج 3 غيغاهرتز الدقيقة مثالية لتأين هواء الضغط الجوي، والغاز المتأين يمتص الأمواج الدقيقة. لذلك سيُحصر التأين في طبقة رقيقة.

.. يبدو الأمر بسيطاً نسبياً، بمثل هذا الجهاز، خلق حالة تأين متغيرة زمنياً قرب نموذج قرصي الشكل. ومن البسيط أيضاً مزامنة التيارات الكهربائية المتناوبة في الملفات الثلاثة. لذلك يمكن لمثل هذا النموذج أن يشفط الهواء الذي أمامه بقوة شديدة. يتوقف ذلك على شدة المجال المغناطيسي، بالطبع (يجب أن تكون معلمة التفاعل الهيدروديناميكي المغناطيسي قوية بما يكفي). ليس من الضروري إلغاء موجات الصدم لمدة طويلة. يمكن إجراء اختبارات قصيرة المدة فقط، في نفق رياح قصير المدة. سيتعين علينا بناءه. بشكل تخطيطي، يقوم نفق الرياح هذا على خزان تفريغ كبير، يُفرَّغ محتواه، عند كل اختبار، بمضخة تفريغ قوية (لدينا واحدة بالفعل). يساراً: القناة فوق الصوتية. بين القناة والخزان: غشاء مايلار. عندما تجعل المضخات الضغط منخفضاً بما يكفي في الخزان، يتمزق الغشاء. المدة النموذجية للتدفق: عدة أعشار من الثانية.

... كانت هذه الفكرة البسيطة مثيرة بما يكفي لاتخاذ قرار استئناف بحث الهيدروديناميكا المغناطيسية. الصورة التالية: منظر آخر للنموذج القرصي الشكل:

... التالي: تدفق الغاز المتوقع، حول نموذج "سلبي". نظام موجات الصدم.

التالي: التدفق، بعد إلغاء موجة الصدم بفعل قوى لورنتز:

... خططنا لإجراء تجارب على "الهيدرودينات المغناطيسية الهيدروديناميكية"، أي الغواصات عالية السرعة.

تجارب الهيدروديناميكا المغناطيسية بالغاز الساخن.

... سيُبنى في المختبر نفق رياح مدفوع بالصدم (يُسمى أنبوب الصدم). في الشكل التالي، منظر تخطيطي لمنشأة الهيدروديناميكا المغناطيسية.

.. الشكل التالي: الجزء الخاص بالهيدروديناميكا المغناطيسية من المنشأة.

... تعرض الصورة التالية الملفين وقناة الهيدروديناميكا المغناطيسية:

... في مثل هذه المنشآت، في عام 1967، شُغّلت تسريعات بلازما بنجاح في معهد ميكانيكا الموائع في مرسيليا، مما أثبت فعالية قوى لورنتز في التحكم بتدفق فوق صوتي. سرعة الدخول (أرجون نقي، بار واحد، 10000°ك): 2750 م/ث. سرعة الخروج: 8000 م/ث !!

التالي، موضع نموذج الجناح المسطح في نفق الرياح فوق الصوتي، في التجربة المخطط لها عام 1987:

... ركزت أطروحة الدكتوراه لبرتران لوبغون (1987)، والمنشورات في المجلة الأوروبية للميكانيكا، بالإضافة إلى عرضين في اجتماعات دولية للهيدروديناميكا المغناطيسية (تسوكوبا، 1987، بكين، 1990)، على إلغاء موجة الصدم الأمامية في تدفق أرجون ساخن (10000°ك) يوفره نفق رياح مدفوع بالصدم. نعتزم اليوم إقامة هذه التجربة المفتاحية. بشكل تخطيطي، يمكن إثبات وجود موجة صدم ملتصقة، في الجزء الأمامي من نوع ما من "الجناح" (تدفق ثنائي الأبعاد) بالتداخل الضوئي بالليزر (طُوّر في معهد ميكانيكا الموائع في مرسيليا عام 1965). على اليمين، الصورة التي نتوقع الحصول عليها، هي إلغاء موجة الصدم الأمامية في تدفق الأرجون الساخن هذا.

... بما أن لدينا الآن الإمكانية (النظرية) للعمل بالغاز البارد، فقد تبدو هذه التجربة في الأرجون الساخن زائدة. لكننا نفضل التعامل مع هذين الهدفين كـ"أبحاث متوازية".

العودة إلى الملخص العلمي