Beispielsweise, wenn man ein solches Modell nur mit einer einzigen Elektrodenpaar, nämlich dem zentralen, in eine Flüssigkeit eintauchen und dieses kurzschließen würde, würde ein Stromfluss entstehen, der sich im Gas schließt und dessen Geschwindigkeit stark verlangsamen würde:
Ein solcher Flügelprofil, eingetaucht in ein stark elektrisch leitfähiges Gas (oder elektrisch leitfähig gemachtes Gas), 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 abgegebene Leistung geht mit einem Verlust an kinetischer Energie im Fluid einher, also mit einer natürlichen Verlangsamung.
Im Jahr 1965 realisierten wir elektrische MHD-Generatoren, die eine direkte Umwandlung der kinetischen Energie eines Fluids in eine „MHD-Düse des Faraday-Typs“ ermöglichten. Die Geometrie ist anders, aber das Prinzip bleibt dasselbe. Nachfolgend ein Schema eines Faraday-MHD-Generators mit einem quadratischen Querschnitt.
Im nächsten Bild wurden die Solenoidspulen entfernt, die 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 Fluiddynamik in Marseille durchführten, leiteten wir Argon bei 10.000 K unter einem Bar in die Düse ein, das mit einer Geschwindigkeit von 2500 Metern pro Sekunde eindrang. Bei einem Magnetfeld von 2 Tesla betrug die elektromotorische Kraft:
2500 × 2 = 5000 Volt pro Meter
Da der Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenpaaren 5 cm betrug, ergab sich eine Spannung von 250 Volt. Es mussten 40 Volt abgezogen werden (aufgrund von Wandphänomenen in der Nähe der Elektroden), was 210 Volt ergab.
Die elektrische Leitfähigkeit von Argon bei dieser Temperatur beträgt 3500 Mhos pro Meter, sodass sich eine Stromdichte J = σ E = σ V × B = 735.000 Ampere pro Quadratmeter ergab.
Das entspricht 73,5 Ampere pro Quadratzentimeter. Bei einer Düsenlänge von 10 cm und einer Breite von 5 cm (50 cm²) ergab sich ein maximaler Kurzschlussstrom von 3675 Ampere.
Wenn 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 stehende Stoßwelle entstand, die ohne weitere Hindernisse nur durch diese elektromagnetische Kraft entstand.
Das supersonisch anfliegende Gas auf ein linsenförmiges Profil verfügt also über eigene Energie, die genutzt werden kann. Die Energie, die zur Beseitigung der Stoßwellen benötigt wurde, entspricht der 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 gewonnen wurde.
Dieses Ergebnis war äußerst interessant, da es zeigte, dass die zur Beseitigung der Stoßwellen erforderliche Energie geringer war, als man zunächst vermuten könnte. Der Hauptverlust entstand durch den Jouleschen Effekt. Bei einer fliegenden Maschine, die in kalter Luft fliegt, müsste zusätzlich die Energie hinzugefügt werden, um das Gas mittels Mikrowellen zu ionisieren, was wir ebenfalls quantifiziert hatten.
Wie wirken die Laplace-Kräfte auf die Neigung der Mach-Wellen?
Das ist sehr einfach. Wenn die MHD-Düse beispielsweise als Generator arbeitet und das Fluid verlangsamt, sieht man folgende Entwicklung der Mach-Wellen in der Düse:
Es handelt sich hier um eine moderate Verlangsamung des Fluids. Die Wellen erscheinen, als würden sie wie die Elemente einer Akkordeon zusammengepresst. 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 abnimmt, dass das Gas nahezu unterschallig wird. Die Mach-Wellen konzentrieren sich dann wie ein Akkordeon, wodurch Druckstörungen sich ansammeln. Die Stoßwelle bildet sich und wandert schnell zur Düsenöffnung hin, stabilisiert sich vor dem ersten „Streamer“ (Stromstrahl aus der ersten Elektrodenpaar), als ob dieser eine Art unsichtbares Hindernis darstellte.
Wenn hingegen elektrische Leistung in das System eingespeist wird, verhält sich die Düse wie ein MHD-Beschleuniger nach Faraday. 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 innerhalb einer Strecke von nur zehn Zentimetern entspricht.
Diese Experimente zeigen die äußerst hohe Effizienz der MHD-Wirkung auf ein Gas, sofern es einen ausreichenden Ionisationsgrad besitzt. Für Information: Eine solche elektrische Leitfähigkeit (3500 Mhos/m) entspricht im Argon einem Ionisationsgrad von 10⁻³ (ein Atom von tausend wurde zu einem Ion).
Im kalten Luftstrom müsste die Ionisation „künstlich“ erfolgen, beispielsweise durch Bestrahlung des umgebenden Gases mit Mikrowellen im Frequenzbereich von drei Gigahertz, die dazu führen, dass Elektronen aus dem leichtesten ionisierbaren Bestandteil, dem Stickstoffoxid NO, herausgerissen werden. Alternativ könnte man auch eine Sättigung mit einem Alkali-Metall, wie Cäsium oder Natrium, mit niedrigem Ionisationspotential, in Betracht ziehen.
Wir hatten diese Berechnungen, Lebrun und ich, im Rahmen einer von der CNRS finanzierten Doktorarbeit in den achtziger Jahren durchgeführt. Die Ergebnisse der Computersimulationen zeigten einen vollständig „regulierten“ Strömungsverlauf 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. Die Bug- und Heckwellen konnten beseitigt werden. Da die elektrische Leitfähigkeit des sauren Wassers zu gering war, war es nicht sinnvoll, die Energie des Fluids 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-Band „Die Wand des Schweigens“ (siehe CD-ROM Lanturlu) nachlesen.
Wie kann man diese Forschungsergebnisse umsetzen?
Diese Ideen sind reizvoll. Sie eröffnen eine neue Fluidmechanik für supersonische Strömungen, bei der man die Stoßwellen nicht als unvermeidbare Phänomene hinnehmen muss, sondern sie 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 ...