Anfang von MHD4
...Zum Beispiel, wenn man ein solches Modell nur mit einer einzigen Elektrodenpaar, nämlich dem zentralen, versieht und dieses kurzschließt, würde ein Stromfluss entstehen, der sich im Gas schließt und dazu führen würde, dass das Gas stark abgebremst wird:
...Ein solcher Flügelprofil, eingetaucht in ein stark elektrisch leitfähiges Gas (oder elektrisch leitfähig gemacht), verhält sich wie ein hochleistungsfähiger "MHD-Generator". Es handelt sich um einen "MHD-Wandler". Woher kommt die Energie? Es ist einfach die kinetische Energie des Fluids, und die entnommene Leistung geht mit einem Verlust an kinetischer Energie im Fluid einher, also mit einer natürlichen Verlangsamung.
...1965 betrieben wir elektrische MHD-Generatoren, die eine direkte Umwandlung der kinetischen Energie eines Fluids in eine "Faraday-MHD-Rohr"-Strömung ermöglichten. Die Geometrie ist anders, aber das Prinzip bleibt dasselbe. Nachfolgend ein Schema eines Faraday-MHD-Generators mit quadratischer Querschnittsfläche.
...Nächste Abbildung: Solenoiden entfernt, Anordnung der "segmentierten" Elektroden (um eine bessere Verteilung des Stromflusses in der Strömung zu erreichen).
...In den Experimenten, die wir in den sechziger Jahren am Institut für Strömungsmechanik in Marseille durchführten, injizierten wir Argon bei 10.000 K unter einem Bar in das Rohr, das mit einer Geschwindigkeit von 2500 Metern pro Sekunde eindrang. Das Magnetfeld erreichte 2 Tesla, sodass die elektromotorische Kraft folgende Höhe hatte:
2500 × 2 = 5000 Volt pro Meter
...Da der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenpaaren 5 cm betrug, ergab sich eine Spannungsdifferenz von 250 Volt. Es waren 40 Volt abzuziehen (aufgrund von Wandphänomenen in der Nähe der Elektroden), also verblieben 210 Volt.
...Die elektrische Leitfähigkeit von Argon bei dieser Temperatur betrug 3500 Mhos pro Meter, sodass sich eine Stromdichte J = σE = σV × B = 735.000 Ampere pro Quadratmeter ergab.
Das entspricht 73,5 Ampere pro Quadratzentimeter. Bei einer Rohrlänge von 10 cm und einer Breite von 5 cm (50 cm²) ergab sich damit ein maximaler Kurzschlussstrom von 3675 Ampere.
...Als die Elektroden kurzgeschlossen waren, war der Strom maximal, und die resultierende Laplace-Kraft war, wie die Experimente zeigten, ausreichend stark, um das Gas so zu verlangsamen, dass eine Stoßwelle entstand – ohne weitere Hindernisse als diese elektromagnetische Kraft.
...Ein Gas, das mit Überschallgeschwindigkeit auf ein linsenförmiges Profil trifft, besitzt also eigene Energie, die genutzt werden kann. Die Energie, die zur Beseitigung der Stoßwellen benötigt wurde, war somit die Energie, die zur Beschleunigung des Gases in der Nähe der Anström- und Austrittskante aufgewendet wurde, abzüglich der Energie, die durch die Verlangsamung des Gases infolge des Betriebs des zentralen Elektrodenpaares erzeugt wurde.
...Dieses Ergebnis war äußerst interessant, da es zeigte, dass die Energie, die zur Beseitigung dieser Stoßwellen benötigt wurde, geringer war, als man anfangs vermutet hätte. Der Hauptverlust entstand durch den Jouleschen Effekt. Bei einer fliegenden Maschine, die in kalter Luft fährt, müsste zusätzlich die Energie für die Ionisation des Gases mittels Mikrowellen hinzugefügt werden; diese Energie hatten wir ebenfalls berechnet.
...Wie wirken die Laplace-Kräfte auf die Neigung der Mach-Wellen?
...Das ist sehr einfach. Wenn das MHD-Rohr beispielsweise als Generator arbeitet und somit das Fluid verlangsamt, sieht man folgende Entwicklung der Mach-Wellen im Rohr:
...Hierbei handelt es sich um eine moderate Verlangsamung des Fluids. Die Wellen erscheinen wie die Elemente einer Akkordeon, die zusammengedrückt werden. Die Elektroden sind "belastet", was die Stromdichte begrenzt. Man versteht nun, wie eine stärkere Verlangsamung zu einer Stoßwelle führen kann: Wenn die Geschwindigkeit so weit sinkt, dass das Gas nahezu unterschallig wird. Die Mach-Wellen konzentrieren sich dann wie ein Akkordeon, wodurch Druckstörungen angesammelt werden. Die Stoßwelle bildet sich daraufhin und wandert schnell zur Rohreingangseite, stabilisiert sich vor dem ersten "Streamer" (Stromstrahl aus der ersten Elektrodenpaar), als ob dieser eine Art unsichtbares Hindernis darstellen würde.
...Wenn hingegen elektrische Leistung in das System eingespeist wird, verhält sich das Rohr wie ein Faraday-MHD-Beschleuniger. Die Mach-Wellen neigen sich dann:
...Diese MHD-Beschleunigung konnte ebenfalls in den sechziger Jahren im Labor, in dem ich arbeitete, nachgewiesen werden. Sie erwies sich als äußerst effektiv. Bei einer Eintrittsgeschwindigkeit von 2500 m/s erreichten wir Austrittsgeschwindigkeiten von über 8000 Metern pro Sekunde, was einer Geschwindigkeitssteigerung von mehr als fünf Kilometern pro Sekunde auf einer Strecke von nur zehn Zentimetern entspricht.
...Diese Experimente zeigen die außerordentliche Effizienz der MHD-Wirkung auf ein Gas, sofern es eine ausreichende Ionisationsrate besitzt. Für Information: Eine solche elektrische Leitfähigkeit (3500 Mhos/m) entspricht im Argon einer Ionisationsrate von 10⁻³ (ein Atom von tausend wurde in ein Ion umgewandelt).
...Im kalten Luftstrom müsste die Ionisation "künstlich" erfolgen, beispielsweise durch Bestrahlung des umgebenden Gases mit Mikrowellen bei drei Gigahertz, die Elektronen vom leichtesten ionisierbaren Bestandteil, dem Stickstoffoxid NO, abreißen würden. Alternativ könnte man auch eine Aufdampfung eines Alkalimetalls mit niedrigem Ionisationspotential wie Cäsium oder Natrium in Betracht ziehen.
...Wir hatten diese Berechnungen gemeinsam mit Lebrun in den achtziger Jahren im Rahmen einer von der CNRS finanzierten Doktorarbeit durchgeführt. Die Ergebnisse der Computer-Simulationen zeigten einen vollständig "regulierten" Strömungszustand ohne Stoßwellen. In der folgenden Abbildung sind die beiden Familien von Mach-Wellen dargestellt.
...Diese theoretischen Arbeiten wurden durch hydraulische Analogieexperimente ergänzt, ebenfalls mit dem System aus drei Elektrodenpaaren. Wellen am Bug und am Heck konnten beseitigt werden. Da die elektrische Leitfähigkeit des sauren Wassers zu gering war, war es nicht möglich, die Fluidenergie zur Verbesserung des Energiebilanz zu nutzen. Das Ergebnis entspricht dem oben dargestellten. Das Ergebnis ist ein Strömungszustand, bei dem das Fluid "eben" bleibt:
Der interessierte Leser kann einige dieser Elemente in meiner Comic-Geschichte "Die Wand des Schweigens" (siehe CD-ROM Lanturlu) nachlesen.
Wie könnten diese Forschungen umgesetzt werden?
...Diese Ideen sind reizvoll. Sie eröffnen eine neue Mechanik der überschallhaften Strömung, bei der man die Stoßwellen nicht als unvermeidbare Phänomene hinnehmen muss, sondern vielmehr vermeiden kann.
...Das Problem der MHD besteht darin, mit einem Gas arbeiten zu können, das eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzt. In zwanzig Jahren Arbeit haben wir selbstverständlich alle diese Fragen erforscht. 1966 war ich der Erste, der einen stabilen Betrieb eines "zweitemperatur" MHD-Generators erzielte.
...Wir führten außerdem zahlreiche Experimente in verdünntem Medium durch (Luft bei einem Druck von 10⁻¹ mm Quecksilber).
- Parietale Einschluss von Plasma
- Führung von "Streamern" (spiralförmige Ströme)
- Beseitigung der Vélikhov-Unstabilität (Kommunikation auf dem MHD-Kongress in Moskau)
- Untersuchung der Luftionisation durch HF (1 MHz)
...Ein anderes Mal werde ich im Internet diese verschiedenen Experimente und Perspektiven erläutern. Gleichzeitig wollen wir nun sehen, wie die Beseitigung von Stoßwellen um ein linsenförmiges Profil konkret realisiert werden könnte.
...Dazu benötigt man eine Windkanalvorrichtung, die einen hochtemperierten Gasstrom (Argon bei 10.000 K) liefert. Das ist möglich, indem man ein Gerät nutzt, das bereits nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt wurde (aber heute in Vergessenheit geraten ist): den "Stoßwellenrohr".
...Worum geht es dabei?
...Um den Betrieb dieser "Stoßwellenwindkanal" zu erklären, greifen wir erneut auf die hydraulische Analogie zurück. Stellen wir uns beispielsweise vor, wir bauten einen geraden Kanal aus Sperrholz mit konstanter Breite. Breite: 10 cm. Länge: einige Meter. Hier das Schema:
../../../bons_commande/bon_global.htm
