...La MHD es un campo de investigación muy amplio.
El inventor de los conceptos básicos es el famoso científico británico Michael Faraday.
La MHD posee dos aspectos.
-
Por un lado, se pueden acelerar fluidos mediante la fuerza de Lorentz J x
B, lo que se refiere a los aceleradores MHD. -
Por otro, se puede convertir la energía cinética de un fluido, su entalpía,
en energía eléctrica. Esto se refiere a los generadores MHD.
En tales plantas, cuando un flujo de gas cruza las líneas magnéticas de un campo
magnético transversal B a velocidad V, un campo eléctrico inducido V x
B actúa sobre las partículas cargadas, electrones libres o iones.
...Existe un muy buen libro (ahora, solo en bibliotecas
científicas):
Sutton & Sherman: "Engineering magnetohydrodynamics",
Mac Graw Hill Books Cie, 1967
para físicos y estudiantes de posgrado.
...Tengo una experiencia personal en
MHD, desde 1964. Entre 1964 y 1972 trabajé en el Institut de Mécanique
des Fluides de Marseille. A continuación, una bibliografía abreviada (dedicada a trabajos más recientes):
(1) J.P.Petit: "Is supersonic flight possible?" Octava Conf. Inter.
sobre Generación Eléctrica MHD. Moscú 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force
action". Novena Conf. Inter. sobre Generación Eléctrica MHD. Tsukuba, Japón,
1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic
flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". European
Journal of Mechanics; B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic
flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion,
and shock tube simulations for isentropic flows". European Journal of Mechanics,
B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989
(5) B.Lebrun: "Approche théorique de la suppression des ondes de choc se formant
autour d'un obstacle effilé placé dans un écoulement d'argon ionisé. Thèse d'Energétique
n° 233. Université de Poitiers, Francia, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit: "Theoretical analysis of shock wave anihilation by
lorentz force field". Simposio Internacional de MHD, Pekín 1990.
...Luego me orienté hacia la astrofísica
y la cosmología teórica. Durante los años sesenta construimos generadores MHD de corta duración,
basados en túneles de viento caliente impulsados por tubo de choque. Este dispositivo podía producir flujos de corta
duración, alta temperatura y alta velocidad, con presiones bastante altas.
No es un túnel de viento de baja presión. Los parámetros típicos son:
Gas: argón
Velocidad: 2.700 m/s
Temperatura: 10.000°K
Presión: un bar
Conductividad eléctrica: 4000 mkhos/m
...Actualmente estamos construyendo un nuevo
laboratorio, con financiación privada. Creo que estará operativo para finales de
2001. La actividad cubrirá diferentes campos:
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Experimentos con gas caliente
-
Experimentos con gas frío (flujos supersónicos de aire a presión
atmosférica) -
Experimentos con gas a baja presión (simulaciones).
-
Experimentos numéricos.
-
Experimentos hidráulicos (modelos de submarinos de alta velocidad).
...En primer lugar, ¿por qué reanudamos tal
actividad tras una pausa de 13 años? Porque tenemos nuevas ideas. En 1975 imaginé
que el vuelo supersónico podría ser posible, en aire denso, sin crear estampido
sónico ni turbulencia. Publiqué artículos en revistas científicas sobre eso.
En aquel momento parecía una idea descabellada. En 1975, con mi colega Maurice
Viton construimos un experimento hidráulico con un imán de un tesla. Tal campo B
era necesario para modificar un flujo de agua alrededor de un pequeño modelo, en un flujo de superficie libre (8 cm/s). El modelo era un cilindro (7 mm de diámetro). La experiencia fue un
éxito y la onda frontal (los especialistas en mecánica de fluidos saben que las ondas creadas por un barco son muy similares a las ondas de choque) fue completamente cancelada.
Entonces pensé que la idea no podía ser tan descabellada como parecía a primera vista.
...Durante los siguientes diez años todo
fue muy difícil, no desde un punto de vista científico sino, digamos, desde
un "punto de vista político". Obviamente, este nuevo concepto estaba conectado
al caso de los ovnis. En experimentos con gas, tal "aerodino MHD" estaría
rodeado por un plasma luminoso, rojizo a bajo régimen, casi blanco a regímenes mayores. Los electrodos, cuando las máquinas poseyeran algunos, parecerían "ventanas".
Además, la máquina en forma de disco (así nombrada por primera vez en un "Compte rendu
de l'Adadémie des Sciences de Paris", en 1975) era óptima, por razones científicas (y por razones MHD, que pueden ser algo diferentes de las razones de la mecánica de fluidos clásica), de modo que la comunidad científica no estaba tan entusiasmada
con tal proyecto, incluso si las bases científicas eran perfectamente claras y
limpias.
...Intenté instalar algo de investigación,
primero en el CNES francés (Centre National d'Etudes Spatiales) en 1979-1982,
luego en un laboratorio del CNRS (Centre Narional de la Recherche Scientifique)
en 1984-1986. Este segundo laboratorio estaba ubicado en Rouen, y su director
era el profesor Valentin, hoy jubilado. A través del CNES, algunas experiencias
se instalaron en Toulouse, en el CERT francés (Centre d'Etude et de Recherche
Technique), un laboratorio en estrecha conexión con el ejército. Se dio algo de dinero pero,
en estos dos intentos, el ejército obligó estúpidamente a los laboratorios a echarme del
trabajo científico. Desafortunadamente, la formación científica de las personas involucradas,
en ambos casos, no era adecuada y la investigación fracasó en los dos. Se desperdició estúpidamente mucho
dinero. Así que en 1987 decidí abandonar definitivamente.
Sin embargo, muy recientemente, nuevas ideas me incitaron a operar un regreso al campo.
Por experiencia, sabía que si se iniciaba cualquier colaboración con instituciones francesas, los militares podrirían inmediatamente la situación, como lo hicieron muchas
veces antes. Así que decidimos reiniciar con nuestras propias fuerzas y recursos.
Puede parecer descabellado. Pero, por lo que veo, toda esta investigación puede operarse
con materiales obsoletos. Además, el precio de la electrónica y las computadoras
ha bajado considerablemente desde hace 20 años. Muchos muy buenos investigadores, ahora
jubilados, se unieron a nosotros. Así que hemos decidido establecer un laboratorio, en el sur de
Francia. Actualmente recolectamos sistemas obsoletos: bancos de condensadores, fuentes eléctricas con varios voltajes, bajos y altos, ignitrones, klistrones, dispositivos ópticos
y demás, y los almacenamos. Cuando tengamos todo lo necesario, pasaremos
a la acción, pronto, esperamos.
...Ahora, echemos un vistazo a algunas
de las nuevas ideas.
...Si hace clic aquí,
leerá la Note aux Comptes rendus de l'Académie des science,
publicada en 1975. Si no lee francés, algunas breves explicaciones. A continuación,
las tres primeras ilustraciones. En la figura 1, una máquina en forma de disco, con un
solenoide ecuatorial, cuya corriente eléctrica alterna crea un campo magnético alterno.
Este (gracias al Sr. Maxwell) crea un campo eléctrico inducido E'
que tiende a crear corrientes eléctricas inducidas circulares. Combinando estas corrientes
J' con el valor instantáneo del campo magnético obtenemos fuerzas radiales (el efecto Hall se considera despreciable) obtenemos un sistema de fuerzas radiales dependientes del tiempo J ' x
B, que se dirigen hacia el exterior y hacia el centro, alternativamente.
Así que la idea era la siguiente: Supongamos que podemos crear una ionización no estacionaria
en las proximidades del disco, controlada en el tiempo, podríamos actuar sobre el fluido,
usando fuerzas centrífugas radiales cuando están presentes, en la parte superior del disco
y fuerzas centrípetas radiales, cuando esta fuerza se invierte, en la parte inferior de
la máquina en forma de disco.
...En la siguiente figura, el flujo de gas inducido esperado; alrededor de nuestra máquina en forma de disco:
...Los cálculos decían que el
efecto de succión podría ser muy fuerte, lo suficientemente fuerte como para cancelar cualquier formación de onda de choque en el punto de estancamiento de la máquina (se mueve a lo largo de su eje).
El problema técnico era modular la ionización en las proximidades de la
pared, en el tiempo. Imaginamos primero un dispositivo parecido a una "trampa para lobos":
...Imagine un agujero cónico "de pequeño tamaño",
en la pared y, a lo largo de su eje, una "clavija". En la unión
cono-plano, un electrodo circular (ánodo). El electrón central (tipo clavija) está
cargado negativamente. Entonces se forma una descarga eléctrica en el aire circundante,
como se muestra arriba. El campo magnético subsiguiente, asociado a esta descarga eléctrica,
tiende a empujar los electrones libres y a darles energía. Pensamos que
podría producir iones negativos de corta vida en el aire, haciendo posible la interacción MHD
durante la vida de tales iones. En un laboratorio bien equipado tal investigación podría haberse
llevado a cabo, pero no teníamos ninguno. Desde 1973 estaba en un observatorio astronómico,
que no es un lugar óptimo para realizar experimentos de física de plasmas.
...De todos modos, a finales de los años setenta,
se descubrió algún aspecto interesante de la máquina. Los buenos especialistas en plasmas
saben que la presión magnética tiende a soplar las descargas eléctricas. Lo experimentamos
en experimentos con aire a baja presión. La solución se encontró rápidamente. En lugar
de crear un campo B cuyo valor máximo estuviera en el plano de simetría (creado por
una sola bobina ecuatorial), decidimos usar tres, una grande y dos más pequeñas,
como se muestra en la siguiente figura:
...Izquierda: el eje de la máquina.
Arriba y a la derecha, la disposición esquemática de las tres bobinas, que muestra la forma
en que fluyen las corrientes eléctricas. En la figura, las líneas magnéticas. Vemos que
la superficie de B máxima se aproxima a una porción de cono (que contiene los círculos de dos bobinas). Área gris: el volumen de confinamiento, en el que el plasma tiende
a situarse. Éxito inmediato, experimentalmente. Entonces la pared de la máquina, para
optimizar la interacción MHD, debe ser ortogonal a las líneas magnéticas. Finalmente,
este es el aspecto típico de nuestro aerodino MHD sin electrodos, usando fenómenos de inducción e ionización pulsada, optimizado por razones MHD:
...Ya ve por qué tuvimos algunos problemas
con la comunidad científica, el ejército, los políticos, etc.
...La ionización de corta duración era
difícil de gestionar.
Experimentos MHD con gas frío.
...Pero, recientemente, surgió una nueva idea,
que se resume en la siguiente figura:
...Las paredes del modelo son de teflón.
En las dos carcasas de teflón, están embebidas bobinas (la ecuatorial y las
dos "bobinas de confinamiento"). Se usarán dos klistrones, corregidos a
dos guías de onda separadas. Estos dos se muestran en la figura. Son cilindros
de latón coaxiales. Cuando uno está en funcionamiento, el segundo está fuera, y así sucesivamente.
Finas láminas de latón entremezcladas (rojas) actúan como difusor y rocían microondas. La
placa de latón situada en el plano de simetría impide que las microondas usadas para
ionizar el aire en el lado opuesto de la máquina. En la siguiente figura mostramos el
modelo cuando las microondas fluyen a lo largo del canal central, son difundidas por
las finas láminas de latón entremezcladas, en la parte superior, cruzan el teflón y crean
una fina capa de aire ionizado. Las microondas de 3 GHz son óptimas para ionizar aire a presión
atmosférica, y el gas ionizado absorbe microondas. Por eso la ionización
estará confinada en una capa fina.
..Parece
relativamente simple, con tal dispositivo, crear un estado de ionización dependiente del tiempo
en las proximidades de un modelo en forma de disco. También es simple sincronizar las
corrientes eléctricas alternas en las tres bobinas. Así que tal modelo podría succionar
el aire justo en frente muy fuertemente. Depende de la intensidad del campo magnético,
por supuesto (el parámetro de interacción MHD debe ser suficientemente fuerte). No es
necesario cancelar las ondas de choque durante mucho tiempo. Solo pueden operarse pruebas de corta duración, en un túnel de viento de corta duración. Tendremos que construirlo. Esquemáticamente, este túnel de viento se basa en un gran tanque de vacío, cuyo contenido
se extrae, en cada prueba, mediante una potente bomba de vacío (ya la tenemos). Izquierda:
el canal supersónico. Entre el canal y el tanque: una membrana de mylar.
Cuando las bombas hacen que la presión sea suficientemente baja en el tanque, la membrana se rompe.
Duración típica del flujo: varias décimas de segundo.
...Esta simple idea fue lo suficientemente emocionante como para decidir reiniciar la investigación MHD. Siguiente imagen: otra vista del modelo en forma de disco:
...Siguiente: flujo de gas esperado, alrededor de un modelo "pasivo". Sistema de ondas de choque.
Siguiente: el flujo, después de la cancelación de la onda de choque por la acción de las fuerzas de Lorentz:
...Hemos planeado realizar experiencias
sobre "hidrodinos MHD", es decir, submarinos de gran velocidad.
Experimentos MHD con gas caliente.
...En el laboratorio se construirá un túnel de viento impulsado por choque (el llamado tubo de choque). En la siguiente figura, una vista esquemática de la planta MHD.
..Siguiente figura: la parte MHD de la
planta.
...La siguiente imagen muestra las dos bobinas
y el canal MHD:
...En tales plantas, en 1967, se habían operado con éxito aceleraciones de plasma en el Institut de Mécanique
des Fluides de Marseille, evidenciando la eficiencia de las fuerzas de Lorentz para
controlar un flujo supersónico. Velocidad de entrada (argón puro, un bar, 10.000°K)
: 2750 m/s. Velocidad de salida: ¡¡8000 m/s!!
A continuación, la posición del modelo de ala plana en el túnel de viento supersónico, en la experiencia planeada en 1987:
...La tesis doctoral de Bertrand Lebrun
(1987), publicaciones en el European Jr of Mechanics, más dos presentaciones
en reuniones internacionales de MHD (Tsukuba, 1987, Pekín, 1990) se centraron en la cancelación de la onda de choque frontal en flujo de argón caliente (10.000°K) proporcionado por un túnel de viento impulsado por choque. Hoy pretendemos montar este experimento clave. Esquemáticamente
la existencia de una onda de choque adherida, en la parte frontal de algún tipo de "ala"
(flujo 2d) puede evidenciarse mediante interferometría láser (desarrollada en el Instituto
de Mecánica de Fluidos de Marsella en 1965). A la derecha, la imagen que esperamos
obtener, es la onda de choque frontal cancelada en este flujo de argón caliente.
...Como ahora tenemos la posibilidad (teórica)
de operar en gas frío, este experimento en argón caliente puede parecer superfluo.
Pero preferimos abordar estos dos objetivos como "investigaciones paralelas".