وثيقة بدون عنوان

محاضرة أُلقيت
في سوباأيرو

في 10 يونيو 2003

الديناميكا المغناطيسية للسوائل والطيران فوق الصوتي

ج.ب. بيتي

الصفحة 1

مراجعة حول تاريخ الديناميكا المغناطيسية للسوائل في فرنسا.

يُعد البريطاني مايكل فاراداي هو مُخترع الديناميكا المغناطيسية للسوائل (MHD). تُقدّم هذه التخصصية جوانبَ مزدوجة:

مُسرّعات MHD أو فن وطريقة تحريك السوائل باستخدام قوى لابلاس ("قوى لورنتز" بالإنجليزية) J × B
مولدات MHD أو فن وطريقة تحويل الطاقة الحركية للسائل المتحرك إلى كهرباء.

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

محول فاراداي

في بداية الستينيات، كان البريطانيون أول من تفكّر في إنتاج الكهرباء عبر MHD، دون قطع متحركة، عبر "تحويل مباشر". على الورق يبدو الأمر بسيطًا جدًا. يتدفق سائل بسرعة

في أنبوب ويقطع خطوط قوة مجال مغناطيسي

B. ويترتب على ذلك مجال كهرومغناطيسي V × B

يُولّد تيارًا

J(كثافة التيار، بوحدة الأمبير لكل متر مربع)، يُجمعه الأقطاب ويتدفق عبر مقاومات الحمل. كانت لهذه المولدات MHD العديد من المزايا. يمكن تشغيلها بسرعة كبيرة. كما أنها تُجنب القيود المفروضة على كفاءة ماكينة كارنو التي كانت تحدّ من كفاءة التوربينات الغازية آنذاك بنسبة 40٪. وحسب الحسابات النظرية، كان من الممكن، على الورق، التوقع بتحقيق كفاءات إجمالية تقارب 60٪. إذا ما نجحت هذه الآلات في العمل، فهذا يعني أنه من نفس كمية الوقود الأحفوري، يمكن استخلاص 50٪ إضافية من الطاقة الكهربائية.

لكن الغازات تُعدّ موصلات سيئة للكهرباء. لنأخذ مزيجًا غازيًا ناتجًا عن احتراق الهيدروكربونات. تمتلك مكوناته جهد تأين. ولكن حتى عند أعلى درجات الحرارة الممكنة التي تسمح بها التكنولوجيا، ستبقى موصلية الوسط الكهربائية ضعيفة. وسوف يتحول جزء ضئيل فقط من إنتالبيا الغاز إلى كهرباء، بينما يُفقد الجزء الأكبر من الطاقة في العمود 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 رفع الموصلية بالغ الأهمية، لدرجة أن التفكير جرى فورًا في استخدام المادة التي يمكن تأينها بسهولة قصوى: السيسيوم. لذلك، أُجريت أولى تجارب التحويل MHD بإضافة السيسيوم خلف غرفة احتراق تحترق فيها هيدروكربونات، ضمن محول خطي لفاراداي. كانت النتائج مخيبة للآمال. كان ينبغي أن تصل درجة الحرارة إلى نحو 3000 درجة، أي ما يعادل درجة حرارة خيط المصباح المتوهج. وتركزت الجهود على تحمل المواد للحرارة: الجدران والأقطاب. في بداية الستينيات، لم يكن من النادر أن تُدمر الأقطاب أثناء التجارب، تمامًا كما يُدمر الألواح المصممة لضمان التحمل الحراري للجدران. واستمرت هذه الأبحاث المتعلقة بما عُرف بـ"الدورة المفتوحة" في مختبرات متعددة حول العالم خلال عقد الستينيات. وشارك في ذلك في فرنسا مؤسسة EDF في مركز بحثها في رينارديير، بالقرب من موريه سو لوان، والمعهد الفرنسي للبترول، وشركة CGE (الشركة العامة للكهرباء). بلغت الجهود الدولية (المدنية) في مجال MHD ما يقارب 5000 باحث، موزعين في عشرات المختبرات المنتشرة حول العالم. ونتيجة للفشل، توقفت الأبحاث تدريجيًا. وظل الروس هم послед المتمسّكين بها حتى منتصف السبعينيات، باستخدام مولد تجريبي أُطلق عليه اسم "U-25"، مُنصب بالقرب من موسكو.

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

الأبعاد الهائلة للعمود في مولد U-25. الأقطاب في اليمين واليسار.

تم التفكير فورًا في مسار آخر، باستخدام ما عُرف بـ"التوصيل الكهربائي خارج التوازن (الحراري الديناميكي)". سنتناول لاحقًا تفاصيل هذا النوع من الظروف التي تُصبح فيها درجة حرارة الإلكترونات Te أعلى من درجة حرارة الغاز Tg. هذه هي الظروف السائدة داخل أنبوب النيون. الفكرة الأساسية هي التالية: داخل أنبوب النيون، يُولّد مجال كهربائي E بواسطة أقطاب، ويُسرّع الإلكترونات الحرة على طول مسافتها المتوسطة الحرة (بين تصادمها مع ذرات محايدة أو أيونات). إذا كانت المسافة المتوسطة الحرة كافية، يمكن للطاقة الحركية التي يكتسبها الإلكترون أن تصل إلى طاقة التأين Ei لذرة. عند حدوث تصادم، يحدث "انفجار إلكتروني". وبالتالي، يُولّد التيار الكهربائي حالة مُIonية داخل الأنبوب. الظاهرة العكسية: تجذب الأيونات الإلكترونات الحرة البطيئة وتحاول احتجازها (إعادة تحييد كهربائيًا).

لقد نشرت سابقًا على موقعي ملفين عن MHD، عرضت بهما المعلومات على مستوى تبسيط مبسط. وسيكون هناك إشارات عبر روابط في باقي هذا الملف.

في منتصف السبعينيات (بشكل دقيق في مؤتمر نيوكاسل في إنجلترا عام 1964)، تنبأ باحث روسي شاب، فيليخوف، بظهور عدم استقرار في التأين، شديد البرودة جدًا (بمدة تُقاس بالمايكروثانية). لا تبدو النظرية المتعلقة بهذا الظاهرة واضحة. وآلية حدوثها تمثل تحديًا للحدس. إليك صورة من عقد الستينيات تُظهر (كانت المحاكاة العددية آنذاك تتطلب أنظمة عالية الأداء، وهذه الصور أُخذت من الاتحاد السوفيتي). تُظهر الصورة طريقة تطور هذا عدم الاستقرار، حيث تُضيّق في بعض الأماكن خطوط التيار الكهربائي. هذا الزيادة المحلية في J تُحفّز رد فعل من الغاز على شكل تأين. وبالتالي، يُصبح الوسط مُتَقَشّرًا، مع ظهور طبقات موصلة كهربائيًا بدرجة عالية، متتالية مع مناطق ذات موصلية كهربائية منخفضة.

تطور عدم الاستقرار الكهروحراري في محول فاراداي (1968)

هذا عدم الاستقرار، الذي لم يُعثر على حل له من قبل أحد، هو ما أدى إلى انهيار كامل الجهود المبذولة في مجال MHD المدني حول العالم (مئات المختبرات، 5000 باحث). بحلول نهاية عقد الستينيات، كانت النتيجة محسومة في أوروبا. تم تفكيك جميع الفرق، رغم نجاح واحد فقط في معهد ميكانيكا السوائل في مارسيلي، بين 1966 و1970. وحققت هاتان النتيجتان ملحوظتين.

أول تشغيل لمولد خارج التوازن، مستقر أمام عدم الاستقرار في التأين (ج.ب. بيتي، 1967، المؤتمر الدولي السابع في وارسو). درجة حرارة الغاز: 6000°، درجة حرارة الإلكترونات: 10000°، استخلاص القدرة: 2 ميغاواط. تدفق تيار ملحوظ حتى 4000°.
تسريع بلازما الأرجون. المعايير الدخولية: ضغط 1 بار، سرعة 2700 م/ث، درجة حرارة 10000°، موصلية كهربائية 3000 مهو/م، مجال مغناطيسي 2 تسلا. طول الأنبوب (مُسرّع من نوع فاراداي): 10 سم. سرعة الخروج: 8000 م/ث. مختبر MHD في المعهد...