...Die MHD ist ein sehr weites Forschungsfeld.
Der Erfinder der grundlegenden Konzepte ist der berühmte britische Wissenschaftler Michael Faraday.
Die MHD hat zwei Aspekte.
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Einerseits kann man Fluide durch die Lorentz-Kraft J x
B beschleunigen, was sich auf MHD-Beschleuniger bezieht. -
Andererseits kann man die kinetische Energie eines Fluids, seine Enthalpie,
in elektrische Energie umwandeln. Dies bezieht sich auf MHD-Generatoren.
In solchen Anlagen wirkt, wenn ein Gasstrom die magnetischen Feldlinien eines transversalen Magnetfelds B mit der Geschwindigkeit V kreuzt, ein induziertes elektrisches Feld V x
B auf geladene Teilchen, freie Elektronen oder Ionen.
...Es existiert ein sehr gutes Buch (jetzt nur noch in wissenschaftlichen
Bibliotheken):
Sutton & Sherman: "Engineering magnetohydrodynamics",
Mac Graw Hill Books Cie, 1967
für Physiker und Doktoranden.
...Ich habe persönliche Erfahrung in
der MHD, seit 1964. Zwischen 1964 und 1972 arbeitete ich am Institut de Mécanique
des Fluides de Marseille. Im Folgenden eine verkürzte (neueren Arbeiten gewidmete)
Bibliographie:
(1) J.P.Petit: "Is supersonic flight possible?" Achte Inter.
Conf. on MHD Electr. Power Generation. Moskau 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force
action". Neunte Inter. Conf. On MHD Electr. Power Generation. Tsukuba, Japan,
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, Nr. 2, S. 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, S. 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. Thèse d'Energétique
n° 233. Université de Poitiers, Frankreich, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit: "Theoretical analysis of shock wave anihilation by
lorentz force field". International MHD symposium, Peking 1990.
...Dann wechselte ich zur Astrophysik
und theoretischen Kosmologie. In den Sechzigerjahren bauten wir MHD-Generatoren für kurze Betriebsdauer,
basierend auf stoßwellengetriebenen Heißwindkanälen. Diese Vorrichtung konnte Strömungen kurzer
Dauer, hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit bei recht hohen Drücken erzeugen.
Dies ist kein Niederdruck-Windkanal. Die typischen Parameter sind:
Gas: Argon
Geschwindigkeit: 2.700 m/s
Temperatur: 10.000°K
Druck: ein bar
Elektrische Leitfähigkeit: 4000 mkhos/m
...Wir bauen derzeit ein neues
Labor mit privaten Mitteln. Ich denke, es wird bis Ende
2001 betriebsbereit sein. Die Aktivität wird verschiedene Bereiche abdecken:
-
Heißgasexperimente
-
Kaltgasexperimente (Überschallströmungen von Luft bei Atmosphärendruck)
-
Niederdruck-Gasexperimente (Simulationen).
-
Numerische Experimente.
-
Hydraulische Experimente (Hochgeschwindigkeits-U-Boot-Modelle).
...Zunächst: Warum nehmen wir eine solche
Aktivität nach einem 13-jährigen Stillstand wieder auf? Weil wir neue Ideen haben. 1975 stellte ich mir vor,
dass Überschallflug in dichter Luft möglich sein könnte, ohne Überschallknall
noch Turbulenz zu erzeugen. Ich veröffentlichte Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften darüber.
Damals schien es eine verrückte Idee zu sein. 1975 bauten wir mit meinem Kollegen Maurice
Viton ein hydraulisches Experiment mit einem Ein-Tesla-Magneten. Ein solches B-Feld
war notwendig, um eine Wasserströmung um ein winziges Modell in einer Freispiegelströmung (8 cm/s) zu verändern. Das Modell war ein Zylinder (7 mm Durchmesser). Das Experiment war ein
Erfolg, und die Bugwelle (Fachleute der Strömungsmechanik wissen, dass die von einem Schiff erzeugte Welle Stoßwellen sehr ähnlich ist) wurde vollständig ausgelöscht.
Damals dachte ich, dass die Idee nicht so ausgefallen sein könne, wie sie auf den ersten Blick aussah.
...In den nächsten zehn Jahren war alles
sehr schwierig, nicht aus wissenschaftlicher Sicht, sondern, sagen wir, aus
"politischer Sicht". Offensichtlich war dieses neue Konzept mit
dem UFO-Fall verbunden. In Gasexperimenten wäre ein solches "MHD-Aerodyn"
von einem leuchtenden Plasma umgeben, rötlich bei niedrigem Regime, fast weiß bei größeren.
Elektroden, wenn die Maschinen welche besitzen würden, sähen wie "Fenster" aus.
Außerdem war eine scheibenförmige Maschine (so erstmals in einem "Compte rendu
de l'Adadémie des Sciences de Paris" 1975 benannt) aus wissenschaftlichen Gründen optimal (und aus MHD-Gründen, die sich von klassischen strömungsmechanischen Gründen etwas unterscheiden können), sodass die wissenschaftliche Gemeinschaft von einem solchen Projekt nicht so begeistert war, selbst wenn die wissenschaftlichen Grundlagen vollkommen klar und sauber waren.
...Ich versuchte, etwas Forschung zu installieren,
zuerst beim französischen CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) 1979-1982,
dann in einem Labor des CNRS (Centre Narional de la Recherche Scientifique)
1984-1986. Dieses zweite Labor befand sich in Rouen, und sein Direktor
war Professor Valentin, heute im Ruhestand. Über das CNES wurden einige Experimente
in Toulouse im französischen CERT (Centre d'Etude et de Recherche
Technique) installiert, einem Labor in enger Verbindung mit der Armee. Es wurde etwas Geld gegeben, aber
in diesen beiden Versuchen zwang die Armee die Labore dummerweise, mich aus der
wissenschaftlichen Arbeit zu drängen. Leider war der wissenschaftliche Hintergrund der beteiligten Personen
in beiden Fällen nicht angemessen, und die Forschung scheiterte in beiden. Eine Menge
Geld wurde dummerweise verschwendet. Sodass ich 1987 beschloss, endgültig aufzugeben.
Sehr kürzlich haben mich neue Ideen zu einem Comeback auf dem Gebiet bewogen.
Aus Erfahrung wusste ich, dass, wenn irgendeine Zusammenarbeit mit französischen Institutionen
begonnen würde, das Militär die Situation sofort verrotten lassen würde, wie es schon viele Male zuvor tat. So beschlossen wir, mit unseren eigenen Kräften und Ressourcen neu zu starten.
Das kann töricht erscheinen. Aber soweit ich sehe, kann all diese Forschung
mit veraltetem Material betrieben werden. Außerdem ist der Preis für Elektronik und Computer
seit 20 Jahren erheblich gesunken. Viele sehr gute Forscher, jetzt
im Ruhestand, schlossen sich uns an. So haben wir beschlossen, ein Labor im Süden
Frankreichs einzurichten. Derzeit sammeln wir veraltete Systeme: Kondensatorbänke, Stromversorgungen mit verschiedenen Spannungen, niedrigen und hohen, Ignitrons, Klystrons, optische Geräte
und so weiter, und wir lagern sie ein. Wenn wir alles Notwendige haben, werden wir
in Aktion treten, bald, hoffen wir.
...Nun, werfen wir einen Blick auf einige
der neuen Ideen.
...Wenn Sie dort klicken,
lesen Sie die Note aux Comptes rendus de l'Académie des science,
veröffentlicht 1975. Wenn Sie kein Französisch lesen, einige kurze Erklärungen. Im Folgenden
die drei ersten Abbildungen. Auf Abbildung 1 eine scheibenförmige Maschine mit einem äquatorialen
Solenoid, dessen Wechselstrom ein alternierendes Magnetfeld erzeugt. Dieses (dank Herrn Maxwell) erzeugt ein induziertes elektrisches Feld E',
das dazu neigt, kreisförmige induzierte elektrische Ströme zu erzeugen. Kombiniert man diese Ströme
J' mit dem Momentanwert des Magnetfelds, erhält man Radialkräfte (der Hall-
Effekt wird als vernachlässigbar betrachtet), wir erhalten ein System zeitabhängiger Radialkräfte J ' x
B, die abwechselnd nach außen und zum Zentrum gerichtet sind.
Die Idee war also folgende: Angenommen, wir können eine instationäre Ionisation
in der Nähe der Scheibe erzeugen, zeitlich gesteuert, könnten wir auf das Fluid einwirken,
indem wir radiale Zentrifugalkräfte nutzen, wenn sie vorhanden sind, an der Oberseite der Scheibe,
und radiale Zentripetalkräfte, wenn diese Kraft umgekehrt ist, an der Unterseite
der scheibenförmigen Maschine.
...Auf der nächsten Abbildung die erwartete
induzierte Gasströmung um unsere scheibenförmige Maschine:
...Die Berechnungen sagten, dass der
Sogeffekt sehr stark sein könnte, stark genug, um jede Stoßwellenbildung am Staupunkt der Maschine (sie bewegt sich entlang ihrer Achse) auszulöschen.
Das technische Problem bestand darin, die Ionisation in der Nähe der
Wand zeitlich zu modulieren. Wir stellten uns zuerst eine Vorrichtung vor, die wie eine "Wolfsfalle" aussah:
...Stellen Sie sich ein "kleines"
konisches Loch in der Wand und entlang seiner Achse einen "Stift" vor. An der Verbindung
Kegel-Ebene eine kreisförmige Elektrode (Anode). Die zentrale Elektrode (stiftartig) ist
negativ geladen. Dann bildet sich in der umgebenden Luft eine elektrische Entladung,
wie oben gezeigt. Das nachfolgende Magnetfeld, das mit dieser elektrischen Entladung verbunden ist,
neigt dazu, die freien Elektronen wegzudrücken und ihnen Energie zu geben. Wir dachten, dass es
kurzlebige negative Ionen in Luft erzeugen könnte, was eine MHD-Wechselwirkung
während der Lebensdauer solcher Ionen ermöglichen würde. In einem gut ausgestatteten Labor hätte solche Forschung
durchgeführt werden können, aber wir hatten keines. Seit 1973 war ich an einem astronomischen Observatorium,
das kein optimaler Ort für plasmapysikalische Experimente ist.
...Wie auch immer, Ende der Siebzigerjahre
wurde ein interessanter Aspekt der Maschine entdeckt. Gute Plasmaspezialisten
wissen, dass magnetischer Druck dazu neigt, elektrische Entladungen wegzublasen. Wir erfuhren
das in Niederdruck-Luft-Experimenten. Die Lösung wurde schnell gefunden. Statt
ein B-Feld zu erzeugen, dessen Maximalwert in der Symmetrieebene lag (erzeugt durch
eine einzelne äquatoriale Spule), beschlossen wir, drei zu verwenden, eine große und zwei kleinere,
wie auf der nächsten Abbildung gezeigt:
...Links: die Achse der Maschine.
Oben und rechts die schematische Anordnung der drei Spulen, die zeigt, wie
die elektrischen Ströme hineinfließen. Auf der Abbildung die magnetischen Feldlinien. Wir sehen, dass
die maximale B-Fläche nahe an einem Teil eines Kegels liegt (der die Kreise zweier Spulen enthält). Grauer Bereich: das Einschlussvolumen, in dem das Plasma
zu liegen neigt. Sofortiger Erfolg, experimentell. Dann muss die Wand der Maschine, um
die MHD-Wechselwirkung zu optimieren, orthogonal zu den magnetischen Feldlinien sein. Schließlich ist dies der typische Aspekt unseres elektrodenlosen MHD-Aerodyns, das Induktions-
phänomene und gepulste Ionisation nutzt, optimiert auf MHD-Grundlagen:
...Sie sehen, warum wir einige Probleme
mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dem Militär, Politikern und so weiter bekamen.
...Kurzzeitige Ionisation war
schwierig zu handhaben.
Kaltgas-MHD-Experimente.
...Aber kürzlich kam eine neue Idee,
die auf der folgenden Abbildung zusammengefasst ist:
...Die Wände des Modells sind aus Teflon
gefertigt. In den beiden Teflonschalen sind Spulen eingebettet (die äquatoriale und die
beiden "Einschlussspulen"). Zwei Klystrons werden verwendet, angepasst an
zwei separate Wellenleiter. Diese beiden sind auf der Abbildung gezeigt. Sie sind koaxiale
Messingzylinder. Wenn einer in Betrieb ist, ist der zweite außer Betrieb, und so weiter.
Eingemischte dünne Messinglamellen (rot) wirken als Diffusor und versprühen Mikrowellen. Die
Messingplatte in der Symmetrieebene verhindert, dass die zur Ionisation der Luft verwendeten Mikrowellen auf die gegenüberliegende Seite der Maschine gelangen. Auf der nächsten Abbildung zeigen wir das
Modell, wenn die Mikrowellen entlang des zentralen Kanals strömen, von den
dünnen eingemischten Messinglamellen im oberen Teil diffusiert werden, dann das Teflon durchqueren und
eine dünne Schicht ionisierter Luft erzeugen. 3-GHz-Mikrowellen sind optimal zur Ionisation von Luft bei Atmosphärendruck, und ionisiertes Gas absorbiert Mikrowellen. Das bewirkt, dass die Ionisation in einer dünnen Schicht eingeschlossen wird.
..Es scheint
relativ einfach zu sein, mit einer solchen Vorrichtung einen zeitabhängigen Ionisationszustand
in der Nähe eines scheibenförmigen Modells zu erzeugen. Es ist auch einfach, die
Wechselströme in den drei Spulen zu synchronisieren. So könnte ein solches Modell die Luft direkt davor sehr stark ansaugen. Hängt natürlich von der Intensität des Magnetfelds ab (der MHD-Wechselwirkungsparameter muss stark genug sein). Es ist
nicht notwendig, die Stoßwellen während langer Zeit auszulöschen. Es können nur Kurzzeittests in einem Kurzzeit-Windkanal durchgeführt werden. Wir werden ihn bauen müssen. Schematisch basiert dieser Windkanal auf einem großen Vakuumtank, dessen Inhalt bei jedem Test durch eine leistungsstarke Vakuumpumpe entfernt wird (wir haben sie bereits). Links: der Überschallkanal. Zwischen Kanal und Tank: eine Mylar-Membran.
Wenn die Pumpen den Druck im Tank niedrig genug machen, bricht die Membran. Typische Dauer der Strömung: mehrere Zehntelsekunden.
...Diese einfache Idee war aufregend
genug, um die Wiederaufnahme der MHD-Forschung zu beschließen. Nächstes Bild: eine andere Ansicht des scheibenförmigen
Modells:
...Als Nächstes: erwartete Gasströmung um
ein "passives" Modell. Stoßwellensystem.
Als Nächstes: die Strömung nach Auslöschung der Stoßwelle durch Lorentz-Kraft-
Wirkung:
...Wir haben geplant, Experimente
an "MHD-Hydrodynen" durchzuführen, d. h. U-Booten mit großer Geschwindigkeit.
Heißgas-MHD-Experimente.
...Im Labor wird ein stoßgetriebener Windkanal
gebaut (sogenanntes Stoßrohr). Auf der nächsten Abbildung eine schematische
Ansicht der MHD-Anlage.
..Nächste Abbildung: der MHD-Teil der
Anlage.
...Das nächste Bild zeigt die beiden Spulen
und den MHD-Kanal:
...In solchen Anlagen waren 1967 am Institut de Mécanique
des Fluides de Marseille Plasmbeschleunigungen erfolgreich betrieben worden, was die Wirksamkeit der Lorentz-Kräfte zur
Steuerung einer Überschallströmung belegte. Eintrittsgeschwindigkeit (reines Argon, ein bar, 10.000°K)
: 2750 m/s. Austrittsgeschwindigkeit: 8000 m/s !!
Als Nächstes die Position des flachen Flügelmodells im Überschall-Windkanal im für 1987 geplanten Experiment:
...Die Doktorarbeit von Bertrand Lebrun
(1987), Veröffentlichungen im European Jr of Mechanics, plus zwei Präsentationen
auf internationalen MHD-Tagungen (Tsukuba, 1987, Peking, 1990) konzentrierten sich auf die Auslöschung der Frontstoßwelle in Heißargonströmung (10.000°K), die von einem stoßgetriebenen Windkanal geliefert wird. Heute beabsichtigen wir, dieses Schlüsselexperiment aufzubauen. Schematisch
kann die Existenz eines anliegenden Stoßes am Vorderteil einer Art "Flügel"
(2d-Strömung) durch Laserinterferometrie (entwickelt am Institut
für Strömungsmechanik in Marseille 1965) nachgewiesen werden. Rechts das Bild, das wir zu erhalten erwarten, wenn der Frontstoß in dieser Heißargonströmung ausgelöscht ist.
...Da wir nun die (theoretische)
Möglichkeit haben, in Kaltgas zu arbeiten, kann dieses Experiment in Heißargon überflüssig erscheinen.
Aber wir ziehen es vor, diese beiden Ziele als "Parallelforschungen" zu behandeln.