Anfang von MHD5
...Im hydraulischen Analogon entspricht die Ausbreitung einer senkrechten Stoßwelle einer "brechenden Welle". Wie erzeugen wir diese? Es genügt, in Bereich B eine geringe Wasserspiegelhöhe und in Bereich A eine höhere Wasserspiegelhöhe einzustellen. Im Expansionstank: nichts, gar kein Wasser. In Querschnittsansicht:
...Alles ist für den Versuch bereit. Die Trennwand der Schleuse wird sehr schnell entfernt. Die farbige Wassermasse (z. B. mit Fluorescein gefärbt) stürzt in den Kanal abwärts ein. Wir erhalten folgendes Bild:
...Was beobachten wir? Den Start einer brechenden Welle, eines flüssigen Wellenfronts, der das farblose Wasser in Bewegung setzt. Doch die Wellenfront bewegt sich schneller als das Wasser selbst.
...Abwärts entsteht eine Entspannungswelle, aber „weicher“. Es handelt sich nicht um eine Stoßwelle.
...Kurz danach sieht die Situation folgendermaßen aus:
...Die Verdünnungswelle erreicht den Boden der „Trog“. Der Abstand zwischen dem „geschobenen“, beschleunigten klaren Wasser und der Grenzfläche ist gewachsen. Wir verfügen somit über eine nutzbare Druckwelle, bei der sauberes Wasser beschleunigt wurde und daher die Höhe zunahm (hydraulisches Analogon des Drucks in einem Gas). Wir können also an dieser Druckwelle „arbeiten“. Später reflektiert sich die Verdünnungswelle am Trogboden und nähert sich rasch der gesamten Grenzfläche-Wellenfront an.
...Man sieht, dass man bei einer „Beobachtungsfenster“ in der Wand genau während des „Druckwellenzeitraums“ die bewegte Masse sauberen Wassers hätte beobachten können. Das Ganze lässt sich auf einem „x,t-Diagramm“ darstellen:
...Hier haben wir die analoge Abbildung des Betriebs eines „Stoßrohrs“. Es genügt, die Schleuse durch eine „Hochdruckkammer“ zu ersetzen. Die Schleusentrennwand, manuell bedient, wird ein Kupferdiaphragma, das sich öffnet, sobald der erreichte Druck (durch eine Brennkammer erzeugt) ausreichend ist. Der Versuchskanal wird zu einem Versuchsröhrchen mit konstantem Querschnitt, das ursprünglich mit Argon bei niedrigem Druck (13 mm Quecksilber) gefüllt ist. Der Expansionstank ist lediglich ein Vakuumbehälter beliebiger Form. Die Papierwand wird durch eine Mylarmembran ersetzt, die bricht, sobald die Stoßwelle sie erreicht. Nachfolgend die schematische Darstellung der Anlage:
...Länge der Hochdruckkammer: 1,40 m. Durchmesser (gleich dem des Versuchskanals): 5,6 cm. Länge des Versuchskanals: 6 m. Unten die rote Kupfermembran, durch Rillen geschwächt, und die Art und Weise, wie sie sich bei der Öffnung in vier Blütenblätter aufspaltet, wodurch der freie Durchgang für das heiße Gas ermöglicht wird. Die Hochdruckkammer ist mit einem Gemisch aus H2 + 1/2 O2 sowie Helium als Verdünnungsmittel gefüllt. Der Expansionstank ist lediglich ein widerstandsfähiger Eimer, in dem ein Vakuum erzeugt werden kann. Die Anlage wird ergänzt durch verschiedene Vakuumpumpen mit Schaufeln, die leicht zu beschaffen sind und Vakuumwerte unter 10-2 mm Quecksilber (10-2 Torr) erreichen, sowie durch luftdichte Ventile. Eine Batterie von Flaschen liefert Wasserstoff, Sauerstoff, Helium und natürlich Argon.
...Das brennbare Gasgemisch wird durch eine Zündanlage mit Hochspannungskerzen gezündet. Da dieses System elektromagnetische Störungen erzeugt, ist die gesamte Hochdruckanlage in einer Faraday-Gehäuse (Holzrahmen und Kupfergitter, Maschenweite 1 mm) untergebracht. Primitiv, aber effektiv. Die sechs Meter Argon bei niedrigem Druck verwandeln sich sofort in eine komprimierte, heiße Gaszylinder (1 bar, 10.000 K) von etwa 20 cm Länge. Diese wird unmittelbar von den „verbrannten Gasen“ – also einem Gemisch aus Wasserdampf und Helium – gefolgt.
...Das war die „Heißwindkanal“-Anlage.
...Im Versuchskanal, in dem die Messungen durchgeführt und die eigentliche MHD-Experimente stattfinden (MHD = Magnetohydrodynamik), beträgt der Querschnitt quadratisch (5 cm × 5 cm). Daher muss eine sorgfältig zu fertigende Vorrichtung eingebaut werden, die den Übergang von einem runden auf einen quadratischen Querschnitt ermöglicht:
...Die „MHD-Düsen“ können aus Plexiglas (mit geklebten Teilen) oder aus laminiertem Kunststoff (höhere Festigkeit) hergestellt werden und verfügen über eine optisch hochwertige Fensteröffnung. Obwohl die Temperatur des Argons hoch ist, schädigt sie die Düsenbauteile nicht, da die Dauer der Druckwelle sehr kurz ist (80 Millionenstel Sekunde).
...Zur Erzeugung eines quer zur Strömung verlaufenden Magnetfeldes werden zwei Spulen verwendet, wie in der Abbildung dargestellt:
...In der folgenden Zeichnung wurde eine der Spulen entfernt, um die Anordnung der Modellprobe (linsenförmiges Profil) zu zeigen:
...Das Volumen der MHD-Düse inklusive Einbauten beträgt etwa ein Liter, und das zu erzeugende Magnetfeld muss 20.000 Gauss (2 Tesla) erreichen. Dazu muss durch die Spulenwicklungen ein sehr hoher Strom (50.000 Ampere) fließen. Ein solcher Strom neigt dazu, die Spulen zu zerreißen, nicht aufgrund des Jouleschen Effekts, sondern einfach aufgrund der Kräfte J × B, die in den Wicklungen selbst wirken. Die Kupferwicklungen müssen daher mit einem Art „Corset“ ausgestattet werden, beispielsweise aus Glasfaser, die in Araldit eingebettet ist.
...Da das eigentliche MHD-Experiment sehr kurz ist, bietet sich eine kostengünstige Lösung an, um solche Ströme zu erzeugen: die Verwendung einer Kondensatorbatterie, die in die Spule entladen wird (oszillierende Entladung). Es genügt, das gesamte System so zu synchronisieren, dass das Experiment (zum Zeitpunkt des Durchgangs der heißen Argonwelle) genau dann stattfindet, wenn das Magnetfeld B nahezu stationär ist (Periode der Entladung: 5 Millisekunden).
...Nächste Zeichnung: Der Stoßwellenwindkanal, ausgerüstet für MHD-Experimente, wie er in meinem Labor in den sechziger Jahren aussah.
...Die Kondensatoren wurden auf 5 kV aufgeladen. Eine kleinere Kondensatorbatterie versorgt die Elektroden der Versuchsmuster.
...Problem: Wie schaltet man 50.000 Ampere um? Antwort: Durch Verwendung eines alten Lokomotiv-Ignitrons (für 2000 Ampere ausgelegt, aber ausreichend robust, um hunderte von Versuchen bei 25-mal höherer Stromstärke zu überstehen). Der Ignitron ist den Fachleuten der Hochspannungstechnik bekannt.
../../../bons_commande/bon_global.htm