على سبيل المثال، إذا غُمرت نموذج مصغّر من هذا النوع دون تزويده سوى بزوج واحد من الأقطاب، أي الزوج المركزي، وتم وضعه في دائرة قصيرة، فإن ذلك سيؤدي إلى مرور تيار كهربائي يُغلق نفسه داخل الغاز، مما يؤدي إلى تباطؤ هذا الغاز بشدة:
هذا الشكل الجناحي، المغمور في غاز موصل جيد للكهرباء (أو جعله موصلًا للكهرباء)، يُعامل كمولد مغناطيسي-هيدרודيناميكي (MHD) عالي القوة. إنه "محول MHD". من أين تأتي الطاقة؟ إنها ببساطة الطاقة الحركية للسائل، وعند استخلاص الطاقة، يحدث فقدان في الطاقة الحركية للسائل، ما يؤدي إلى تباطؤه الطبيعي.
في عام 1965، بدأنا تطبيق مولدات كهربائية MHD، تعمل على تحويل الطاقة الحركية للسائل مباشرة إلى "أنبوب MHD من نوع فاراداي". التصميم مختلف، لكن المبدأ نفسه. فيما يلي مخطط لمولد فاراداي MHD، مع وادٍ مقطع مربع.
في الصورة التالية، بعد إزالة الملفات المغناطيسية، تُظهر الترتيب المُقسَّم للأقطاب (لتحقيق توزيع أفضل لمرور التيار داخل الوادِ).
في التجارب التي أجريناها في ستينيات القرن الماضي في معهد ميكانيكا السوائل بمarseille، أدخلنا غاز أرجون عند درجة حرارة 10,000 كلفن، تحت ضغط واحد بار، يدخل بسرعة 2500 متر في الثانية. مع تحقق مجال مغناطيسي قدره 2 تسلا، فإن المجال الكهرومغناطيسي كان يساوي:
2500 × 2 = 5000 فولت في المتر
بما أن المسافة بين الأقطاب المقابلة هي 5 سم، فإن الفرق الجهد الكهربائي كان 250 فولت. كان يجب طرح 40 فولت (الجهد المرتبط بظواهر الجدار بالقرب من الأقطاب)، ما يعطي 210 فولت.
بما أن موصلية الأرجون عند هذه الحرارة تبلغ 3500 مهو بالمتر، فإن كثافة التيار كانت J = σE = σV×B = 735,000 أمبير في المتر المربع.
أي 73.5 أمبير في السنتيمتر المربع. وبطول أنبوب 10 سم وعرض 5 سم (50 سم²)، فإن التيار الأقصى في حالة الدائرة القصيرة كان 3675 أمبير.
عندما كانت الأقطاب في دائرة قصيرة، كان التيار في أقصى حد، وكانت القوة الناتجة من لابلاس كافية، كما أظهرت التجربة، لتبطئ الغاز إلى درجة تُولِّد فيها موجة صدمة مستقيمة، دون الحاجة إلى أي عائق آخر سوى القوة الكهرومغناطيسية.
إذًا، الغاز الذي يصل بسرعة فائقة على شكل جناح لenticulaire يمتلك طاقته الخاصة التي يمكن استغلالها. الطاقة المطلوبة لإزالة موجات الصدمة كانت بالتالي الطاقة المستهلكة لتسريع الغاز بالقرب من الحافة الأمامية والخلفية، ناقص الطاقة الناتجة عن تباطؤه المرتبط بعملية الزوج المركزي للأقطاب.
كان هذا الناتج مثيرًا جدًا، لأنه أظهر أن الطاقة المطلوبة لإزالة هذه الموجات كانت أقل من التوقع الأولي. كانت الخسارة الرئيسية ناتجة عن التأثير جول. في حالة آلة طائرة تتحرك في هواء بارد، كان يجب إضافة الطاقة المستهلكة لتنشيط الغاز باستخدام الميكروويف، والتي قُدّرت أيضًا.
كيف تؤثر قوى لابلاس على ميل موجات ماخ؟
هذا بسيط جدًا. عندما يعمل الأنبوب MHD، على سبيل المثال، كمولد، أي يبطئ السائل، فإليك تطور موجات ماخ داخل الأنبوب:
هذا تباطؤ معتدل للسائل. تبدو الموجات كأنها تتراكم مثل عناصر آلة عود. الأقطاب "محمّلة"، مما يحد من كثافة التيار. ويُفهم من خلال ذلك كيف يمكن أن يؤدي التباطؤ الشديد إلى تكوّن موجة صدمة: عندما تنخفض السرعة إلى الحد الذي يصبح فيه الغاز فائق الصوت. في تلك الحالة، تتكثف موجات ماخ، كأنها آلة عود، مما يُجمّع الاضطرابات الضغطية. ثم تتكوّن موجة الصدمة، التي تنتقل بسرعة نحو مدخل الأنبوب، وتمكث أمام أول "ستريمير" (نافذة تيار كهربائي من الزوج الأول من الأقطاب)، وكأنه يشكل عائقًا غير مادي.
أما إذا أدخلنا طاقة كهربائية في النظام، فإن الأنبوب يصبح مسرّع MHD من نوع فاراداي. تميل موجات ماخ إلى التسطح:
تم التحقق من هذا التسارع MHD أيضًا في ستينيات القرن الماضي في المختبر الذي كنت أعمل فيه. وقد أظهر فعالية كبيرة. بسرعة دخول الأنبوب 2500 م/ث، تم تحقيق سرعات خروج تزيد عن 8000 متر في الثانية، ما يمثل زيادة في السرعة بأكثر من خمسة كيلومترات في الثانية على مسافة لا تتجاوز عشرة سنتيمترات.
تُظهر هذه التجارب الفعالية العالية جدًا للعملية MHD على الغاز، شريطة أن يكون معدل التأين كافيًا. للإيضاح، هذه الموصلية الكهربائية (3500 مهو/م) في الأرجون تقابل معدل تأين قدره 10⁻³ (أحد الذرات من كل ألف يتحول إلى أيون).
في الهواء البارد، يجب تأين الغاز "اصطناعيًا"، على سبيل المثال من خلال عرض الغاز المحيط بتيار من الميكروويف بتردد 3 جيجاهرتز، والذي يُسبب فصل الإلكترونات عن المكون الأسهل تأينًا: أكسيد النيتروجين (NO). يمكن أيضًا التفكير في إدخال معدن قلوي، مثل السيزيوم أو الصوديوم، ذو جهد تأين منخفض.
لقد قمنا نحن، لبرون وانا، بإجراء جميع هذه الحسابات في إطار رسالة دكتوراه ممولة من CNRS في ثمانينيات القرن الماضي. وقد أظهرت نتائج المحاكاة الحاسوبية تدفقًا كاملًا "منتظمًا" خالٍ من موجات الصدمة. في الشكل التالي، تم تمثيل عائلتين من موجات ماخ.
تم إكمال هذا العمل النظري بتجارب محاكاة هيدروليكية، باستخدام دائمًا نفس النظام المكوّن من ثلاث أزواج من الأقطاب. تم إلغاء الموجات الأمامية والخلفية. وبما أن موصلية الماء الحمضي كانت ضعيفة جدًا، لم يكن من الممكن حينها استخدام طاقة السائل لتحسين التوازن الطاقي. وكانت النتيجة مطابقة لما عرض سابقًا. النتيجة هي تدفق يبقى فيه السائل "مسطحًا":
القارئ المهتم يمكنه استرجاع بعض هذه العناصر في كتبي المصور "جدار الصمت" (انظر CD-ROM Lanturlu).
كيف يمكن تنفيذ هذه الأبحاث؟
هذه الأفكار جذابة. إنها تفتح الباب أمام ميكانيكا سوائل فائقة الصوت جديدة، حيث بدلًا من تحمّل موجات الصدمة كظواهر لا مفر منها، يمكن تجنبها.
المشكلة المتعلقة بـ MHD هي القدرة على العمل مع غاز يمتلك موصلية كهربائية كافية. خلال عشرين عامًا من العمل...