Anfang von MHD6
...Mit der Größe eines Kücheneimers besteht es aus einem Gehäuse mit einer Anode und einer Kathode, wobei letztere in Form eines Quecksilberteils vorliegt. Zwischen Anode und Kathode herrscht Vakuum, also ein Raum, der mit gesättigtem Quecksilbardampf bei Umgebungstemperatur gefüllt ist, dessen elektrische Leitfähigkeit zu gering ist, um den Stromfluss zu ermöglichen, während die Elektroden unter Spannung (5 kV) stehen. Ein „Trigger“ ist eine kleine Elektrode, die nahe der Quecksilberoberfläche angeordnet ist. Wenn zwischen dieser Elektrode und der Quecksilberkathode ein Funke entsteht, verdampft das Quecksilber, und dieser Dampf füllt dann den Raum, wodurch ein elektrischer Lichtbogen möglich wird. Sozusagen ein Blitz in einer geschlossenen Kammer. Sobald der Entladungsvorgang eingeleitet ist, hält er sich selbst aufrecht, bis die Energie der Kondensatoren durch Joulesche Wärme in den Kupferleitern abgebaut wurde. Danach kondensiert der Quecksilbardampf wieder, und der Ignitron ist für einen neuen Versuch bereit. Ein zweiter Ignitron von der Größe einer Bierdose genügt, um zum richtigen Zeitpunkt den Stromfluss in die Elektroden zu aktivieren, die die Versuchsmodelle ausgestattet haben.
...Im Folgenden das Schema zur Steuerung der Abläufe:
...1965 betrug der Hauptkostenfaktor für solche Experimente die Elektronik und die Datenaufzeichnung. Natürlich gab es zu dieser Zeit noch keine Mikrocomputer. Die Bandbreite der leistungsfähigsten Oszilloskope jener Zeit (amerikanische Tektronix-Röhrenmodelle) würde heute lächerlich wirken: 1 Megahertz. Doch damals kostete jedes Gerät 40.000 Francs. Heute könnte dieser Preis bei gleicher Leistung um den Faktor zehn gesenkt werden.
Die auf den Oszilloskopbildschirmen sichtbaren Signale wurden auf Polaroïd-Film fotografiert. Heute könnte die gesamte Datenerfassung dieser Experimentparameter mit einem günstigen Mikrocomputer erfolgen, der über eine spezielle Schnittstelle verfügt.
...Die Aufzeichnung der Parameter der Windkanalströmung war äußerst einfach. Es genügte, in der Wand kleine Nadelnpaare unter geringer Spannung anzuordnen. Der Abstand zwischen diesen Nadeln betrug einen Millimeter, und die Spannung war so niedrig, dass kein Strom durch das verdünnte Argongas fließen konnte. Doch sobald die Stoßwelle vorbeizog, reichte bereits die Tatsache, dass diese Elektroden unmittelbar hinter der Welle in Argon bei 10.000 °C eingetaucht waren, um ein Signal zu erzeugen. Indem man mit einem „Doppelspur-Oszilloskop“ die Signale zweier solcher „Ionisationssonden“, die zehn oder zwanzig Zentimeter vor der Düse angeordnet waren, aufzeichnete, konnte man die Geschwindigkeit der Stoßwelle messen und daraus rechnerisch alle gasdynamischen Parameter wie Temperatur, Druck, Ionisationsgrad und elektrische Leitfähigkeit ableiten. Weitere Oszilloskope waren für zusätzliche Messungen erforderlich. Um diese Geräte vor starken Störungen zu schützen, die von den Entladegeräten in der Hochdruckkammer sowie generell von allen Komponenten der Schaltanlage ausgehen, wurden sie über abgeschirmte Koaxialkabel mit den Sensoren verbunden und in einer Faraday-Kabine untergebracht, in der sich auch die Experimentatoren aufhielten.
...Hier folgt die Beschreibung der experimentellen Anlage, die zur Überprüfung der Richtigkeit der Theorie dienen würde, die wir zwischen 1975 und 1980 entwickelt hatten, bezüglich der Machbarkeit der Bewegung eines Objekts mit Überschallgeschwindigkeit in einem Gas ohne Stoßwellenbildung. Es bleibt noch zu erläutern, wie man die Vernichtung dieser Wellen nachweisen kann. Hierfür lässt sich eine klassische und bewährte Methode verwenden: Man erzeugt ein System aus horizontalen Lichtstreifen, indem zwei Lichtstrahlen interferieren, wobei einer durch die Versuchsströmung und der andere außerhalb hindurchgeht. Eine Stoßwelle stellt einen abrupten Sprung in der Dichte des Gases dar, was sich als Änderung des Brechungsindex bemerkbar macht. So werden Stoßwellen klassischerweise mittels dieses Verfahrens sichtbar gemacht. Links unten ist das typische Muster des „Streifenübergangs“ dargestellt, verursacht durch eine schräge Stoßwelle, die sich am Vorderkantenrand eines Flügels anheftet. Rechts die gleiche Abbildung, jedoch ohne Stoßwellen.
...Der Argonplasma bei 10.000 °C ist ziemlich hell, daher sollte die verwendete Lichtquelle ein kleiner Helium-Neon-Laser sein, der ein intensiveres Licht als das des Plasmas liefert.
...Ende der achtziger Jahre berechneten Lebrun und ich alle Parameter eines solchen Experiments im Rahmen seiner Doktorarbeit, die vom CNRS finanziert wurde. Ich bin überzeugt, dass dieses Experiment beim ersten Versuch funktioniert hätte, wie alle MHD-Experimente, die ich zuvor im Labor an Schokoladentuben durchgeführt hatte. Ich erinnere mich besonders an ein Experiment aus dem Jahr 1966 (das ich in einem zukünftigen Dokument erläutern werde), bei dem es darum ging, einen MHD-Generator im „Zweitemperatur-Betrieb“ zu betreiben, also mit einer elektronischen Temperatur (10.000 °C) deutlich höher als der des Prüfgases (6.000 °C). Die Hauptschwierigkeit bestand damals in der „Vélikhov-Unstabilität“ (die alle Bemühungen im Bereich MHD in zahlreichen Ländern zunichtemachte). Eine kleine List ermöglichte es, dieses Hindernis zu umgehen, und das Experiment funktionierte beim ersten Versuch. Ich präsentierte diese Arbeit 1967 auf dem internationalen Kongress in Warschau. Doch die miserable Atmosphäre im damaligen Labor zwang mich, das Team zu verlassen und meine Fachrichtung zu wechseln – ich wurde Astrophysiker. Mein Student Jean-Paul Caressa übernahm das gesamte Forschungsthema, aus dem er seine Doktorarbeit machte (obwohl er anscheinend kein Wort von den Feinheiten der Vélikhov-Unstabilität verstand, deren Unterdrückung die Schlüsselbedingung des Experiments war), was ihm den Worthington-Preis einbrachte und später ermöglichte, Direktor des Laboratoriums für Aerothermodynamik in Meudon und später Regionaldirektor des CNRS für die Region Provence-Alpes-Côte d'Azur zu werden.
Was aus einem solchen Projekt wurde.
...In der Mitte der achtziger Jahre gelang es mir, den Generaldirektor des CNRS, Pierre Papon, für dieses Forschungsthema zu interessieren. Er unterstützte uns, unterstützt durch seinen Stellvertreter Michel Combarnous, Leiter der Abteilung Physikalische Ingenieurwissenschaften. Zu diesem Zeitpunkt war ich bereits am Observatorium von Marseille tätig, einem Ort, der sich kaum für solche Experimente eignete. Combarnous fand uns daher ein Aufnahmelabor, das des Professors Valentin in Rouen war. Der CNRS sollte einen Teil der Finanzierung übernehmen, die Armee sollte einen zusätzlichen Betrag beisteuern. Doch bald verlangten die Militärs, dass ich vollständig von diesen Arbeiten ferngehalten werden müsse, aus Gründen, die mit Wissenschaft nichts zu tun hatten. Nachdem sich die Führung des CNRS gewandelt hatte, verlor ich die Unterstützung von Papon und Combarnous. Da Lebruns Stipendium erschöpft war, wurde nichts unternommen, um ihm die Fortsetzung seiner Arbeiten zu ermöglichen.
...Das Team aus Rouen, völlig unerfahren in MHD (obwohl es einen alten Schockrohr hatte), beging eine Fülle von Fehlern. Das Geld wurde schließlich verprassert, ohne Ergebnis (die MHD-Düsen und die elektrischen Hochleistungsanlagen, die von diesen Laien gebaut wurden, explodierten einer nach dem anderen).
...Das ist sehr schade. In naher Zukunft werde ich alle theoretischen und experimentellen Elemente auf eine CD-ROM legen, die es einem interessierten Labor ermöglichen würden, solche relativ einfachen Experimente erfolgreich durchzuführen. Der vorliegende, wenn auch kurze Beschreibung lässt bereits erkennen, dass bei der starken Senkung der Kosten für elektronische Geräte eine solche Forschung mittlerweile in einer Ingenieurschule oder einem Physikdepartement einer zweitklassigen amerikanischen Universität durchführbar ist. Doch ich bezweifle sehr, dass solche Aktivitäten in Frankreich weiterentwickelt werden können, wo die zivile Forschung oft (insbesondere in diesen Bereichen) in der Hand der Militärs liegt.
...Man könnte meinen, sie wollten die Exklusivität bewahren. Doch weit gefehlt. Nach einer Untersuchung scheint es, dass vierzehn Jahre später (nach meinem Rückzug 1986) die „militärische MHD“ völlig unentwickelt blieb.
...Hätte dieses Experiment funktioniert, hätten wir anschließend Versuche mit kaltem Gas (atmosphärischer Luft) durchgeführt. Ein interessantes Experiment (das 1979 von einer Gruppe aus Toulouse, dem „GEPAN“, unter menschlich unangenehmen Bedingungen völlig fehlgeschlagen war) befasst sich mit der Unterdrückung der Wirbelbildung hinter einem Zylinder, die wir 1975 in der Hydraulik erfolgreich bewältigt hatten.
...Kehren wir nun zum Schema der zylindrischen MHD-Maschine zurück, die oben erwähnt wurde.
...Wir haben bereits oben beschrieben, wie wir eine solche Anordnung nutzten, um die Wellenfront vor einem Objekt zu unterdrücken. Doch wenn man sich auf schwächere Wechselwirkungsparameter beschränkt, kann man in einem ruhenden Fluid einen interessanten induzierten Strömungszustand erzeugen.
...Die Strömung konnte damals mittels farbiger Fäden nachgewiesen werden (zur kleinen Geschichte: in der Küche meines Kollegen und Freundes Maurice Viton, Astronom am Laboratorium für Weltraumastronomie, der zu diesem Anlass einen hervorragenden 16-mm-Film drehte).
...Plaziert in einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht dieses Modell die vollständige Unterdrückung des stark turbulenten Nachlaufs, der klassischerweise hinter einem Zylinder entsteht, dessen Erzeugende senkrecht zur Strömung stehen. Meine Idee war daher bereits 1979, mit einem einfachen Mikrofon an der Wand nachzuweisen, dass die Turbulenz (die laut ist) verschwindet, bei Versuchen im Unterschallbereich in Luft bei atmosphärischem Druck. Grundsätzlich war die Durchführung einfach. Zwei seitliche Solenoidspulen konnten kontinuierlich einige Tausend Gauss liefern – mehr als ausreichend. Der einzige zu lösende Punkt war das Problem der Ionisation in der Nähe des Modells.
...In einem Bericht, den ich 1979 dem GEPAN übergab, mit dem Titel „Ausblick auf die Magneto-Hydrodynamik“, wurden die Prinzipien dieses Experiments beschrieben. Ich hatte vorgeschlagen, Mikrowellen bei 3 Gigahertz einzusetzen, um die gewünschte Ionisation zu erzeugen. Diese Leute baute daher, ohne mein Wissen, das folgende Experiment mit einer HF-Quelle hoher Leistung (pulsierend bei 500 Hertz, Spitzenleistung: 1 MW) auf.
...Die Mikrowellen wurden mittels eines großen Wellenleiters von 10 cm × 10 cm seitlich in die Düse geleitet, der an einer Teflon-Fensteröffnung endete.
...Der für das Projekt zuständige Ingenieur, Bernard Zappoli, direkt unterstellt dem damaligen Leiter des GEPAN, Alain Esterle, glaubte, durch diese seitliche Mikrowelleninjektion eine Ionisation über die gesamte Strömung in der Nähe des Modells erzeugen zu können. Da er jedoch nichts vom Phänomen der HF-Ionisation wusste, erhielt er ein Ergebnis, das ihn stark verwirrte. Die Ionisation fand tatsächlich statt, beschränkte sich aber auf einige Millimeter Gas direkt an der Teflon-Fensterfläche.
...Ionisation bedeutet Plasma. Es ist bekannt, dass Plasmen hervorragende Abschirmungen für elektromagnetische Wellen darstellen – sonst könnte man ja frei mit Astronauten kommunizieren, wenn sie während des Wiedereintritts in die Atmosphäre sind.
...Es ist schade, dass dieser gute Mann damals nicht auf meine Hilfe zurückgegriffen hat. Ich hätte ihn in einem Augenblick gerettet. Denn wo musste man ionisieren? Um das Modell herum. Seine Lösung wäre gewesen, die HF von innen durch ein hohles Modell (einen einfachen PVC-Rohr wie von Installateuren verwendet) einzuleiten. Zwei Eisenstäbe, die man bei der örtlichen Drogerie kaufen konnte, hätten dann eine ausgezeichnete Verteilung der Mikrowellen gewährleistet, die auf die Luft direkt an der Oberfläche des Modells einwirkten und eine gut homogene Hülle aus ionisiertem Gas um das Modell erzeugt hätten.
...Die Durchführung hätte sehr wahrscheinlich beim ersten Versuch funktioniert, wie alle Experimente, die ich in meiner Forschungszeit durchgeführt habe.