Beginn von MHD7

Die MHD-Antriebstechnik.

Eine frühere Zeichnung, die den durch die Laplace-Kräfte erzeugten Strömungszustand um einen Zylinder zeigt, beweist, dass diese Kräfte zur Antriebskraft von fliegenden oder schwebenden Maschinen genutzt werden können. Allerdings scheint die zylindrische Form nicht die geeignetste zu sein. Es ist dann einfach, zur Kugel überzugehen, indem man ein solches Objekt mit einer Elektrodenkrone ausstattet.

Ein drehbarer Schalter ermöglicht die sequenzielle Versorgung zweier diametral gegenüberliegender Elektroden, wobei eine als Anode und die andere als Kathode fungiert. Das Wesentliche besteht nun darin, dieses Gerät mit einem rotierenden Magnetfeldsystem zu koppeln. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, innerhalb der Modellvorlage einen auf einer Achse befestigten Magneten zu platzieren (obwohl wir dies bei hydraulischen Experimenten im Jahr 1976 taten, indem wir einen rotierenden Magneten in einer Ping-Pong-Ball-Struktur unterbrachten). Alle Physikstudenten wissen, dass man durch Anordnung von drei Solenoiden im Abstand von 120° und durch Versorgung mit entsprechend phasenverschobenen Strömen ein rotierendes magnetisches Dipoläquivalent erzeugt. Das Ergebnis ist:

Wenn das Experiment zur Wellenlöschung von Stoßwellen um einen linsenförmigen Querschnitt erfolgreich gewesen wäre, hatten wir geplant, die Operation mit einer solchen mehrpoligen, rotierenden Feld-Maschine zu wiederholen, die durch gezielt synchronisierte Kondensatorentladungen versorgt wird.

Das Experiment im kalten Gas wäre ebenfalls interessant gewesen. Es hätte ausgereicht, die Modellvorlage als HF-Antenne zu nutzen. Wir hatten bereits 1978 sehr interessante Experimente dazu durchgeführt. Auch hier wäre die Ionisation sorgfältig in der unmittelbaren Nähe des Objekts lokalisiert worden.

Die linsenförmigen Luftfahrzeuge.

Das interessanteste Experiment hätte jedoch das Thema des linsenförmigen MHD-Airships behandelt (Veröffentlichung in den CRAS, 1975, unter dem Titel „Neuartige MHD-Wandler“). Es handelt sich hierbei um eine Maschine ohne Elektroden.

Betrachten wir ein Solenoid, durch das ein Wechselstrom fließt. Es erzeugt in der umgebenden Luft ein induziertes Feld, das mit einer Stromdurchflutung verbunden sein kann, die wiederum ein sekundäres Feld erzeugt, das der Änderung des induzierenden Feldes entgegenwirkt (Lenz’sches Gesetz).

Der induzierte Strom (i), der geschlossene Kurven bildet, reagiert mit dem induzierenden Feld B(t) und erzeugt radiale Laplace-Kräfte, die abwechselnd zentrifugal und zentripetal wirken. Beispielsweise zeigt die obige Abbildung, dass zum Zeitpunkt t₀ die Richtungen des Feldes B (Anregung) und der Stromdichte J (induziertes Feld, das sich in der Gasmasse ausbreitet) eine zentripetale radiale Kraft erzeugen.

Zum Zeitpunkt t₁ wäre diese Kraft zentrifugal.

Wenn das Gas, das den mit einem inneren Solenoid ausgestatteten Scheibenkörper berührt, nicht ionisiert ist, passiert nichts Auffälliges. Wenn man dieses Gas ionisiert, wird es durch ein System von abwechselnd zentrifugalen und zentripetalen Kräften erschüttert, wie in einem Shaker.

Auf dieser Grundlage kann man ein Antriebssystem entwerfen, indem man eine zeitlich modulierte Ionisation auf den oberen und unteren Flächen erzeugt, sodass der Teil des Gases oberhalb des Geräts elektrisch leitend ist, wenn die Kräfte zentrifugal wirken:

und umgekehrt der Teil des Gases unterhalb des Geräts leitend ist, wenn die Kräfte zentripetal wirken:

Auf diese Weise erhält man ein System kombinierter Kräfte, das eine starke Luftzirkulation um das Gerät fördert:

Die Formel (Compte Rendu an der Académie des Sciences Paris, 1975) ist verlockend. Es bleibt jedoch die Herausforderung, einen Weg zu finden, diese gepulste Ionisation nahe der Wand herzustellen. Das Problem ist schwierig, da die Zeit, in der die Luft elektrisch leitend gemacht wird, um eine Größenordnung kleiner sein muss als die Zeit, die die Gasmasse benötigt, um das Objekt herumzufahren. Bei einem Objekt, das mit 3000 Metern pro Sekunde fährt, und einer charakteristischen Länge von zehn Metern (dem Durchmesser des Geräts), ergeben sich Zeiten von etwa einer Millisekunde, was mit gepulsten Mikrowellenemissionen bei 3 Gigahertz durchaus realisierbar ist. Die oberen und unteren Wände der Maschine müssten daher mit Mini-Klystrons ausgekleidet werden, die abwechselnd emittieren und Elektronen aus den Luftmolekülen herausreißen.

Eine andere Lösung erscheint a priori noch interessanter. Es ist bekannt, dass bei der Bestrahlung von Molekülen mit Elektronen mit einer gut abgestimmten Energie Elektronenbindung auftritt. Einige Moleküle gewinnen dann ein zusätzliches Elektron und werden zu negativen Ionen, deren Lebensdauer sehr kurz ist – was im vorliegenden Fall von Interesse ist.

Die Elektronkanonen an den Wänden werden die Form kleiner Fallen annehmen. Das Prinzip ist einfach. Ein Solenoid erzeugt ein Magnetfeld mit der folgenden Konfiguration:

Dieses Feld, senkrecht zur Wand, nimmt mit zunehmendem Abstand von der Wand ab. Es wird mit einem magnetischen Druck verbunden:

Auf der rechten Abbildung wird eine elektrische Entladung zwischen einer zentralen Elektrode und einer ringförmigen Elektrode so aussehen, dass ihre Elektronen in Bereiche mit geringerem magnetischem Druck, also weit weg von der Wand, ausgestoßen werden, wobei ihre Energie von der Stärke von B abhängt. Wenn B entsprechend eingestellt wird, werden diese Elektronenstrahlen die Bildung von negativen Ionen im Luftstrom hervorrufen, die effizienten Träger des induzierten Stroms sind, der mit der Änderung des von dem ringförmigen Solenoid erzeugten induzierenden Feldes B verbunden ist (siehe oben). Die maximale aerodynamische Effizienz besteht darin, in der unmittelbar an der Wand anliegenden Gas-Schicht (der sogenannten „Grenzschicht“) zu wirken. Es stellt sich jedoch ein Problem der Plasmakonfinierung, das bei Experimenten bei niedrigem Druck experimentell untersucht wurde und schnell gelöst wurde.

Das von einem äquatorialen Solenoid erzeugte Magnetfeld B ist ebenfalls mit einem magnetischen Druck verbunden. Dieser nimmt ab, je weiter man sich vom Symmetriepunkt entfernt. Jede elektrische Entladung neigte daher dazu, sich deutlich von der Wand zu entfernen und unkontrollierbar zu werden.

Die Lösung bestand darin, nicht nur ein, sondern drei Solenoiden zu verwenden, zwei kleinere sekundäre Solenoiden, die als Konfinierungssolenoiden fungierten.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt fließen die Ströme

• Im äquatorialen Solenoid

• In den beiden Konfinierungssolenoiden

in entgegengesetzter Richtung. Die Geometrie ermöglicht es, in der Nähe einer konkaven Wand ein Druckgradientenfeld zu erzeugen, das die elektrische Entladung an die Wand presst und in der Grenzschicht hält (praktisch bei einer Maschine mit einem Durchmesser von einigen zehn Metern in einer Schicht von wenigen Zentimetern Dicke).

Diese Experimente zur Wandkonfinierung waren unter den spektakulärsten, die wir in den späten 1970er Jahren mit bescheidenen Mitteln durchführten.

Insgesamt hatte das Gerät dann die Form zweier aneinandergereihter Teller, was wahrscheinlich den Militärs besonders missfiel.

Man kann sich fragen, wie eine Maschine, die äußerlich so wenig aerodynamisch erscheint, mit Mach-Zahlen bis zehn vorwärtsbewegt werden kann, wobei der Geschwindigkeitsvektor entlang ihrer Achse gerichtet ist, was einen extrem abrupten Umweg des Gases an der äquatorialen Peripherie des Geräts impliziert. Dazu müsste das Gas den Befehlen elektromagnetischer Kräfte absolut gehorchen, was die Vorstellungskraft etwas überfordert.

Denn man kann sich kaum vorstellen, wie stark diese Kräfte sind. Berechnen wir mit

m₀ = 4π × 10⁻⁷

den Wert des magnetischen Drucks (gemäß der oben genannten Formel) für ein Magnetfeld von 10 Tesla. Das Ergebnis dieser Berechnung lautet:

Vierhundertmal der atmosphärische Druck

Die MHD führt zu einer völlig anderen Fluidmechanik als die herkömmliche Disziplin, sowohl in der Unterschall-, Überschall- als auch in der Hyperschallströmung, bei der das Gas keine andere Möglichkeit hat, als den starken Kräften zu folgen, die in seinem Inneren wirken.

Literaturverzeichnis

(1) J.P. Petit: „Ist Überschallflug möglich?“ Achte Internationale Konferenz über MHD-Elektrische Energieerzeugung. Moskau 1983.

(2) J.P. Petit & B. Lebrun: „Löschung von Stoßwellen in einem Gas durch die Wirkung der Lorentz-Kraft“. Neunte Internationale Konferenz über MHD-Elektrische Energieerzeugung. Tsukuba, Japan, 1986.

(3) B. Lebrun & J.P. Petit: „Löschung von Stoßwellen durch MHD-Wirkung in Überschallströmungen. Quasi-eindimensionale stationäre Analyse und thermische Blockierung“. European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8, Nr. 2, S. 163–178, 1989.

(4) B. Lebrun & J.P. Petit: „Löschung von Stoßwellen durch MHD-Wirkung in Überschallströmungen. Zweidimensionale stationäre nicht-isentrope Analyse. Anti-Stoß-Kriterium und Stoßwellenrohr-Simulationen für isentrope Strömungen“. European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, S. 307–326, 1989.

(5) B. Lebrun: „Theoretische Untersuchung zur Unterdrückung von Stoßwellen, die sich um einen spitzen Hindernis in einer ionisierten Argonströmung bilden. Dissertation in Energietechnik Nr. 233. Universität Poitiers, Frankreich, 1990.

(6) B. Lebrun & J.P. Petit: „Theoretische Analyse der Stoßwellenlöschung durch ein Lorentz-Kraftfeld“. Internationales MHD-Symposium, Peking 1990.

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