MHD y vuelo hipersónico generador Faraday

Conferencia impartida en Supaéro
el 10 de junio de 2003

MHD y vuelo hipersónico

J.P. Petit

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Recordatorio sobre la historia de la MHD en Francia.

El inventor de la MHD o magnetohidrodinámica es el inglés Michael Faraday. Esta disciplina presenta dos vertientes:

• Los aceleradores MHD o el arte y la manera de poner en movimiento fluidos mediante fuerzas de Laplace ("fuerzas de Lorentz" en inglés) J x B - Los generadores MHD donde el arte y la manera de convertir la energía cinética de un fluido en movimiento en electricidad.

Faraday experimentó con ambas fórmulas. En ambos casos implementó un convertidor lineal al que dejó su nombre. Esquemáticamente, un convertidor lineal es una tobera con electrodos (segmentados, para obtener una mejor distribución de la corriente eléctrica en el chorro) flanqueada por bobinas que generan un campo magnético transversal. El eje del dispositivo, la dirección del campo magnético y la dirección del campo eléctrico creado por los electrodos forman un triedro trirectángulo.

Convertidor de Faraday

A principios de los años sesenta, los ingleses fueron los primeros en considerar la producción de electricidad mediante MHD, sin piezas móviles, mediante "conversión directa". En teoría, parece muy sencillo. Un fluido entra a una velocidad V en una tobera y corta las líneas de fuerza de un campo magnético B. Como resultado, se genera un campo electromotriz V x B que produce una corriente J (densidad de corriente, en amperios por metro cuadrado), la cual es recogida por los electrodos y se cierra a través de resistencias de carga. Estos generadores MHD presentaban varios beneficios. Podían ponerse en funcionamiento muy rápidamente. Además, se libraban de la barrera del "rendimiento de Carnot", que limitaba el rendimiento de las turbinas de gas de la época al 40 %. Los cálculos teóricos indicaban que, en teoría, se podían alcanzar rendimientos globales cercanos al 60 %. Si estas máquinas hubieran podido funcionar, esto significaría que a partir de la misma cantidad de combustible fósil se podría haber obtenido un 50 % más de energía eléctrica.

Pero los gases son malos conductores de electricidad. Consideremos una mezcla gaseosa procedente de la combustión de hidrocarburos. Sus componentes poseen un potencial de ionización. Pero incluso a las temperaturas más altas posibles permitidas por la tecnología, la conductividad eléctrica del medio seguirá siendo baja. Solo una pequeña parte de la entalpía del gas se convertirá en electricidad, la mayor parte se disipará en el chorro por efecto Joule.

Por ello se consideró aumentar la conductividad de este gas añadiendo una sustancia con bajo potencial de ionización, fundamentalmente un alcalino. Este problema de mejora de la conductividad era tan crítico que se consideró desde el principio recurrir a la sustancia más fácilmente ionizable: el cesio. Por tanto, las primeras experiencias de conversión MHD se realizaron añadiendo, aguas abajo de una cámara de combustión que quemaba hidrocarburos, un generador lineal de Faraday. Los resultados fueron decepcionantes. Habría sido necesario alcanzar una temperatura cercana a los 3000 °C, es decir, la temperatura del filamento de una lámpara incandescente. Los esfuerzos se centraron en la resistencia térmica de los materiales: paredes y electrodos. A principios de los años sesenta no era raro que durante las experimentaciones los electrodos explotaran, al igual que las placas destinadas a garantizar la resistencia térmica de las paredes. Estas investigaciones sobre lo que se denominó "ciclos abiertos" continuaron en numerosos laboratorios del mundo durante los años sesenta. En Francia participaron la EDF en su centro de investigación de las Renardières, cerca de Moret-sur-Loing, el Instituto Francés del Petróleo y la CGE (Compagnie Générale d'Électricité). El esfuerzo MHD internacional (civil) llegó a movilizar hasta 5000 investigadores repartidos en decenas de laboratorios repartidos por todo el mundo. El fracaso llevó al abandono progresivo de las investigaciones. Los rusos fueron los últimos en aferrarse hasta mediados de los años setenta, con un generador experimental llamado "U-25", instalado cerca de Moscú.

Generador MHD ruso U-25. En primer plano el electroimán.

Dimensiones impresionantes del chorro del generador U-25. Los electrodos están a la derecha y a la izquierda.

Se consideró rápidamente otra vía, recurriendo a lo que se denominó una "conductividad eléctrica fuera de equilibrio (termodinámico)". Se detallará más adelante este tipo de situación en la que la temperatura electrónica Te supera la temperatura del gas Tg. Son las condiciones que prevalecen en una lámpara de neón. La idea básica es la siguiente. En la lámpara de neón un campo eléctrico E, creado por electrodos, acelera los electrones libres a lo largo de su recorrido libre medio (entre dos colisiones con átomos neutros o iones). Si este recorrido libre es lo suficientemente largo, la energía cinética adquirida por los electrones puede alcanzar la energía de ionización Ei de un átomo. En una colisión habrá entonces "avalancha electrónica". La circulación de la corriente eléctrica crea, por tanto, en la lámpara un estado ionizado. Fenómeno inverso: los iones atraen los electrones libres relativamente lentos y tienden a capturarlos (desionización radiativa).

Ya he publicado en mi sitio dos documentos sobre la MHD, presentados a un nivel de divulgación. Habrá llamadas mediante enlaces en la continuación de este documento.

A mediados de los años (más precisamente en 1964, en el congreso de Newcastle, en Inglaterra), un joven investigador ruso, Vélikhov, predijo la aparición de una inestabilidad de ionización extremadamente brusca (algunos microsegundos). La teoría de este fenómeno no es nada evidente. Su mecanismo desafía la intuición. Aquí hay una imagen de los años sesenta que muestra (las simulaciones numéricas de la época requerían los sistemas más potentes y estas imágenes provienen de la URSS). Se ve cómo se desarrolla esta inestabilidad, que comprime localmente las líneas de corriente eléctrica. Este aumento local de J provoca una respuesta del gas en forma de ionización. El medio se estratifica así, con aparición de capas de alta conductividad eléctrica alternando con zonas de baja conductividad eléctrica.

Evolution de la inestabilidad electrotermica en un convertidor de Faraday (1968)

Fue esta inestabilidad, a la que nadie pudo encontrar remedio, la que provocó el colapso de todo el esfuerzo MHD civil en el mundo (decenas de laboratorios, 5000 investigadores). A finales de los años sesenta, la partida estaba decidida en Europa. Todas las equipos fueron desmantelados, a pesar de un único éxito en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella, entre 1966 y 1970. Hubo dos resultados destacados.

• Primer funcionamiento de un generador fuera de equilibrio, estable frente a la inestabilidad de ionización (J.P. Petit, 1967, 7º congreso internacional de Varsovia). Temperatura del gas: 6000 °C, temperatura electrónica: 10.000 °C, extracción de potencia: 2 megavatios. Corriente notable hasta 4000 °C.

• Aceleración de un plasma de argón. Parámetros de entrada: presión, un bar, velocidad: 2700 m/s, temperatura: 10.000 °C, conductividad eléctrica:...