In der hydraulischen Analogie entspricht die Ausbreitung einer senkrechten Stoßwelle der einer „brechenden Welle“. Wie erzeugen wir diese? Es genügt, in Abschnitt B eine geringe Wassersäule und in Abschnitt A eine höhere Wassersäule zu erzeugen. Im Ausdehnungsbecken: nichts, gar kein Wasser. In Querschnitt:
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. Wir erhalten folgendes Bild:
Was beobachten wir? Der 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, jedoch „weicher“. Das ist keine Stoßwelle.
Kurz danach sieht die Situation folgendermaßen aus:
Die Verdünnungswelle erreicht den Boden des „Behälters“. Der Abstand zwischen dem klarer Wasser, das „geschoben“ und in Bewegung gesetzt wurde, und der Grenzfläche ist gewachsen. Wir verfügen somit über eine nutzbare Druckwelle, bei der sauberes Wasser in Bewegung versetzt wurde und daher die Höhe zunahm (hydraulische Analogie des Drucks in einem Gas). Wir können also an dieser Druckwelle „arbeiten“. Später reflektiert sich die Verdünnungswelle am Boden des Behälters und nähert sich rasch der gesamten Grenzfläche-Wellenfront an.
Man sieht, dass man bei einer „Beobachtungsfenster“ in der Wand die klare Wassermasse während des „Druckwellenzeitraums“ hätte beobachten können, die in Bewegung gesetzt wurde. Das Ganze lässt sich auf einem „x,t-Diagramm“ darstellen:
Hier haben wir die analoge Abbildung des Betriebs eines „Stoßrohres“. Es genügt, die Schleuse durch eine „Hochdruckkammer“ zu ersetzen. Die Schleusentrennwand, die man manuell betätigt, wird ein Kupferdiaphragma, das sich öffnet, sobald der erreichte Druck (durch eine Brennkammer erzeugt) ausreichend ist. Der Versuchskanal wird zu einem Versuchsröhrenabschnitt konstanter Querschnittsfläche, der ursprünglich mit Argon bei niedrigem Druck (13 mm Quecksilber) gefüllt ist. Der Ausdehnungsbehälter ist lediglich ein Vakuumbehälter beliebiger Form. Die Papierwand wird durch eine Mylarfolie ersetzt, die zerreißen wird, sobald die Stoßwelle sie erreicht. Nachfolgend die schematische Anordnung der Einrichtung:
Länge der Hochdruckkammer: 1,40 m. Durchmesser (derselbe wie der Versuchskanal): 5,6 cm. Länge des Versuchskanals: 6 m. Unten die rote Kupfermembran, durch Rillen geschwächt, und die Art und Weise, wie sie sich öffnet, indem sie vier Blütenblätter bildet und den freien Durchgang für das heiße Gas ermöglicht. Die Hochdruckkammer ist mit einem Gemisch aus H₂ + ½ O₂ gefüllt, zusätzlich mit Helium als Verdünnungsmittel. Der Ausdehnungsbehälter ist lediglich ein robustes Fass, das ausreichend stabil ist, um Vakuum erzeugen zu können. Die Anlage wird ergänzt durch verschiedene Vakuumpumpen mit Schaufeln, die leicht gebraucht erhältlich sind und Vakuum unter 10⁻² mm Quecksilber (10⁻² Torr) erzeugen, sowie durch luftdichte Vakuumventile. Eine Batterie von Flaschen zur Versorgung mit Wasserstoff, Sauerstoff, Helium und natürlich Argon wird hinzugefügt.
Das brennbare Gasgemisch wird durch ein Zündsystem mit Kerzen gezündet, das an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Da dieses System elektromagnetische Störungen erzeugt, ist die Hochdruckkammer in einer Faradayschen Hülle (Holzrahmen mit Kupfergitter, Maschenweite 1 mm) untergebracht. Primitiv, aber effektiv. Die sechs Meter Argon bei niedrigem Druck verwandeln sich sofort in eine komprimierte, heiße Gasfahne (1 bar, 10.000 K) von etwa 20 cm Länge. Diese wird unmittelbar von den „verbrannten Gasen“ gefolgt, also einem Gemisch aus Wasserdampf und Helium.
Das war die „heiße Druckwellenwindkanal“-Anlage.
In dem Kanal, in dem die Messungen durchgeführt und der eigentliche MHD-Versuch stattfindet (quadratischer Querschnitt: 5 cm × 5 cm), muss eine sorgfältig gefertigte Übergangsteilung zwischen runden und quadratischen Querschnitt eingesetzt werden:
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 Druckwelle sehr kurz ist (80 Millionenstel Sekunde).
Um ein transversales Magnetfeld zu erzeugen, werden zwei Spulen verwendet, wie in der Abbildung dargestellt:
Im folgenden Bild wurde eine der Spulen entfernt, um die Anordnung der Modellprobe (linsenförmiges Profil) besser zu zeigen:
Das Volumen der MHD-Düse, inklusive Einbauten, beträgt etwa ein Liter. Da das Magnetfeld 20.000 Gauss (2 Tesla) erreichen muss, muss durch die Spulenwicklungen ein hoher Strom (50.000 Ampere) fließen. Ein solcher Strom neigt dazu, die Spulen zu zerreißen, nicht aufgrund des Jouleschen Effekts, sondern einfach aufgrund der J × B-Kräfte, die in den Wicklungen selbst wirken. Die Kupferwicklungen müssen daher mit einem Art „Corset“ versehen werden, beispielsweise aus Glasfaser, die in Araldit eingebettet ist.
Da der eigentliche MHD-Versuch sehr kurz ist, bietet sich eine kostengünstige Lösung an, um solche Stromstärken zu erzeugen: eine Batterie von Kondensatoren, die in einer Spule entladen werden (oszillierende Entladung). Es genügt, das System so zu synchronisieren, dass der Versuch (zum Zeitpunkt des Durchgangs der heißen Argon-Welle) genau dann stattfindet, wenn das Magnetfeld nahezu stationär ist (Periodendauer der Entladung: 5 Millisekunden).
Im folgenden Bild: der Stoßwellenwindkanal, ausgerüstet für MHD-Versuche, wie er in meinem Labor in den sechziger Jahren aussah.
Die Kondensatoren wurden auf 5 kV aufgeladen. Eine kleinere Kondensatorbatterie versorgt nun die Elektroden der Versuchsmuster.
Problem: Wie schaltet man 50.000 Ampere um? Antwort: Mit einem alten Lokomotiv-Ignitron (für 2000 Ampere ausgelegt, aber ausreichend robust, um hunderte von Versuchen mit 25-mal höherer Stromstärke zu überstehen). Der Ignitron ist den Spezialisten für Hochleistungs-Elektrik bekannt.