MHD und hypersonischer Flug Faraday-Generator

Vortrag an der Supaéro
am 10. Juni 2003

MHD und hypersonischer Flug

J.P. Petit

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Rückblick auf die Geschichte der MHD in Frankreich.

Erfinder der MHD (Magnetohydrodynamik) ist der Engländer Michael Faraday. Diese Disziplin hat zwei Aspekte:

• MHD-Beschleuniger oder die Kunst, Fluide durch Laplace-Kräfte ("Lorentz-Kräfte" auf Englisch) J x B in Bewegung zu setzen –
• MHD-Generatoren, bei denen die Kunst besteht, die kinetische Energie eines bewegten Fluids in elektrische Energie umzuwandeln.

Faraday experimentierte mit beiden Prinzipien. In beiden Fällen verwendete er einen linearen Umformer, dem er seinen Namen gab. Ein linearer Umformer ist schematisch eine Düse mit Elektroden (segmentiert, um eine bessere Verteilung des elektrischen Stroms in der Strömung zu erreichen), flankiert von Spulen, die ein transversales Magnetfeld erzeugen. Die Achse des Geräts, die Richtung des Magnetfelds und die Richtung des elektrischen Feldes, das durch die Elektroden erzeugt wird, bilden ein dreidimensionales rechtwinkliges Dreieck.

Faraday-Umformer

Anfang der sechziger Jahre waren die Engländer die Ersten, die eine Stromerzeugung mittels MHD ohne bewegliche Teile durch „direkte Umwandlung“ in Betracht zogen. Auf Papier erscheint das sehr einfach: Ein Fluid strömt mit einer Geschwindigkeit V in eine Düse und schneidet die Feldlinien eines Magnetfelds B. Dadurch entsteht ein elektromotorisches Feld V x B, das einen Strom J (Stromdichte, in Ampere pro Quadratmeter) erzeugt, der von den Elektroden gesammelt und über Lastwiderstände geschlossen wird. Diese MHD-Generatoren boten mehrere Vorteile. Sie konnten sehr schnell in Betrieb genommen werden. Außerdem umgingen sie die Grenze des „Carnot-Wirkungsgrades“, der den Wirkungsgrad der damaligen Gasturbinen auf 40 % begrenzte. Theoretische Berechnungen zeigten, dass man „auf Papier“ Wirkungsgrade von bis zu 60 % erreichen konnte. Wenn diese Maschinen funktioniert hätten, hätte man aus der gleichen Menge fossilen Brennstoffs 50 % mehr elektrische Energie gewinnen können.

Doch Gase sind schlechte elektrische Leiter. Betrachten wir ein Gasgemisch aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Seine Bestandteile besitzen ein Ionisationspotential. Doch selbst bei den höchsten Temperaturen, die durch die damalige Technologie erreichbar waren, bleibt die elektrische Leitfähigkeit des Mediums gering. Nur ein kleiner Teil der Enthalpie des Gases wird in elektrische Energie umgewandelt, während der größte Teil durch Joule-Effekte in der Strömung verloren geht.

Man überlegte daher, die Leitfähigkeit des Gases durch Zugabe einer Substanz mit niedrigem Ionisationspotential zu erhöhen, vor allem eines Alkalimetalls. Dieses Problem der Verbesserung der Leitfähigkeit war so entscheidend, dass man von Anfang an die Substanz in Betracht zog, die am leichtesten ionisierbar ist: Cäsium. Die ersten MHD-Umwandlungsversuche wurden daher durchgeführt, indem man nach einer Brennkammer, in der Kohlenwasserstoffe verbrannt wurden, einen linearen Faraday-Generator anschloss. Die Ergebnisse waren enttäuschend. Es wäre eine Temperatur von etwa 3000 °C erforderlich gewesen – also die Temperatur einer Glühbirnenwendel. Die Forschung konzentrierte sich darauf, die thermische Belastbarkeit der Materialien zu verbessern: Wände und Elektroden. Anfang der sechziger Jahre war es nicht ungewöhnlich, dass während der Experimente die Elektroden explodierten oder die Platten, die die Wärmestabilität der Wände sichern sollten, zerbrachen. Diese Forschungen zu sogenannten „offenen Zyklen“ wurden in zahlreichen Labors weltweit während der sechziger Jahre fortgesetzt. In Frankreich beteiligten sich das EDF in seinem Forschungszentrum Les Renardières bei Moret-sur-Loing, das Institut Français du Pétrole und die CGE (Compagnie Générale d’Électricité). Die internationale MHD-Forschung (zivil) mobilisierte bis zu 5000 Forscher, verteilt auf Dutzende von Labors weltweit. Der Misserfolg führte schließlich zum allmählichen Ende der Forschung. Die Russen waren die Letzten, die bis Mitte der siebziger Jahre an den Versuchen festhielten, mit einem experimentellen Generator namens „U-25“, der nahe Moskau installiert war.

Der russische MHD-Generator U-25. Vordergrund: Elektromagnet.

Imposante Abmessungen der Strömungsschicht des U-25-Generators. Die Elektroden befinden sich rechts und links.

Schnell wurde eine andere Richtung erforscht, bei der man von einer „nichtgleichgewichtigen elektrischen Leitfähigkeit“ (thermodynamisch) sprach. Dieser Zustand, bei dem die Elektronentemperatur Te die Gas-Temperatur Tg übersteigt, wird später genauer erläutert. Dies sind die Bedingungen, die in einem Neonröhrenlicht herrschen. Die Grundidee ist folgende: In einer Neonröhre beschleunigt ein elektrisches Feld E, erzeugt durch Elektroden, freie Elektronen entlang ihres mittleren freien Weges (zwischen zwei Kollisionen mit neutralen Atomen oder Ionen). Wenn dieser freie Weg lang genug ist, kann die kinetische Energie der Elektronen die Ionisationsenergie Ei eines Atoms erreichen. Bei einer Kollision tritt daher eine „elektronische Lawine“ auf. Der Stromfluss erzeugt somit in der Röhre einen ionisierten Zustand. Umgekehrter Effekt: Ionen ziehen die relativ langsamen freien Elektronen an und versuchen, sie zu fangen (radiative Desionisation).

Ich habe bereits zwei Dokumente zur MHD auf meiner Website veröffentlicht, die in populärwissenschaftlicher Form präsentiert sind. In diesem Dokument werden später Verweise über Links erfolgen.

In der Mitte der sechziger Jahre (genauer 1964 auf dem Kongress in Newcastle, England) prognostizierte ein junger russischer Forscher, Welikhow, das Auftreten einer extrem abrupten Ionisationsinstabilität (etwa einige Mikrosekunden). Die Theorie dieses Phänomens ist keineswegs offensichtlich. Ihr Mechanismus stellt eine Herausforderung für die Intuition dar. Hier eine Abbildung aus den sechziger Jahren, die (die numerischen Simulationen jener Zeit erforderten die leistungsstärksten Systeme, und diese Bilder stammen aus der Sowjetunion) zeigt, wie sich diese Instabilität entwickelt, wobei die Stromlinien an einigen Stellen zusammengedrückt werden. Diese lokale Erhöhung von J führt zu einer Reaktion des Gases in Form von Ionisation. Das Medium stratifiziert sich damit, wobei Schichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit abwechseln mit Bereichen niedriger Leitfähigkeit.

Entwicklung der elektrothermischen Instabilität in einem Faraday-Umformer (1968)

Genau diese Instabilität, der niemand eine Lösung finden konnte, führte zum Zusammenbruch der gesamten zivilen MHD-Forschung weltweit (Dutzende von Labors, 5000 Forscher). Ende der sechziger Jahre war die Sache in Europa entschieden. Alle Teams wurden aufgelöst, trotz eines einzigen Erfolgs am Institut für Fluiddynamik in Marseille zwischen 1966 und 1970. Es gab zwei bemerkenswerte Ergebnisse:

• Erster Betrieb eines nichtgleichgewichtigen Generators, stabil gegenüber der Ionisationsinstabilität (J.P. Petit, 1967, 7. internationaler Kongress in Warschau). Gas-Temperatur: 6000 °C, Elektronentemperatur: 10.000 °C, Leistungsabgabe: 2 Megawatt. Beachtliche Stromstärke bis zu 4000 °C.

• Beschleunigung eines Argonplasmas. Eingangsparameter: Druck: 1 bar, Geschwindigkeit: 2700 m/s, Temperatur: 10.000 °C, elektrische Leitfähigkeit: ...