Física aerodinámica MHD cosmología

...El campo de la MHD es muy amplio. El inventor de los conceptos básicos es el famoso científico británico Michael Faraday. La MHD presenta dos aspectos.

• Por un lado, se pueden acelerar fluidos gracias a la fuerza de Lorentz J × B, lo que corresponde a los aceleradores MHD.

• Por otro lado, se puede convertir la energía cinética de un fluido, su entalpía, en energía eléctrica. Esto corresponde a los generadores MHD. En dichas instalaciones, cuando un flujo gaseoso atraviesa las líneas de campo magnético de un campo magnético transversal B a la velocidad V, un campo eléctrico inducido V × B actúa sobre las partículas cargadas, electrones libres o iones.

...Existe un muy buen libro (actualmente, solo en bibliotecas científicas) :

Sutton & Sherman : "Engineering magnetohydrodynamics", Mac Graw Hill Books Cie, 1967

dirigido a físicos y estudiantes de posgrado.

...Tengo experiencia personal en MHD desde 1964. Entre 1964 y 1972, trabajé en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella. A continuación, una bibliografía abreviada (dedicada a trabajos más recientes) :

(1) J.P. Petit : "¿Es posible el vuelo supersónico?" Octava Conferencia Internacional sobre MHD y Producción de Electricidad. Moscú, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : "Anulación de las ondas de choque en un gas por la acción de la fuerza de Lorentz". Novena Conferencia Internacional sobre MHD y Producción de Electricidad. Tsukuba, Japón, 1986
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : "Anulación de las ondas de choque por acción MHD en los flujos supersónicos. Análisis cuasi-unidimensional estacionario y bloqueo térmico". European Journal of Mechanics ; B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : "Anulación de las ondas de choque por acción MHD en los flujos supersónicos. Análisis bidimensional estacionario no isentrópico. Criterio antichoque, y simulaciones en tubo de choque para flujos isentrópicos". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989
(5) B. Lebrun : "Enfoque teórico de la supresión de las ondas de choque que se forman alrededor de un obstáculo afilado colocado en un flujo de argón ionizado". Tesis de Energética n°233. Universidad de Poitiers, Francia, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : "Análisis teórico de la anulación de las ondas de choque por un campo de fuerza de Lorentz". Simposio Internacional de MHD, Pekín, 1990.

...Luego, cambié de campo para orientarme hacia la astrofísica y la cosmología teórica. En los años sesenta, construimos generadores MHD de corta duración, basados en túneles de choque alimentados por un viento caliente. Este dispositivo podía producir flujos de corta duración, a alta temperatura y alta velocidad, con presiones relativamente altas. No es un túnel de baja presión. Los parámetros típicos son los siguientes :

Gas : argón
Velocidad : 2 700 m/s
Temperatura : 10 000 °K
Presión : 1 bar
Conductividad eléctrica : 4000 mkhos/m

...Actualmente estamos construyendo un nuevo laboratorio, financiado con fondos privados. Creo que estará operativo antes de finales del año 2001. La actividad cubrirá diferentes áreas :

• 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).

...Primero, ¿por qué reanudar después de una interrupción de 13 años? Porque tenemos nuevas ideas. En 1975, imaginé que el vuelo supersónico podría ser posible en aire denso, sin producir un ruido sónico ni turbulencia. Publicé artículos en revistas científicas al respecto. En aquella época, parecía una idea loca. En 1975, con mi colega Maurice Viton, construimos un experimento hidráulico utilizando un imán de un tesla. Este campo magnético 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). El experimento fue un éxito, y la onda de choque (los especialistas en mecánica de fluidos saben que las olas creadas por un barco son muy similares a las ondas de choque) fue completamente anulada. Entonces pensé que la idea no era tan descabellada como parecía a primera vista.

...Durante las diez siguientes años, todo fue muy difícil, no tanto desde el punto de vista científico, sino digamos, desde el punto de vista "político". Obviamente, este nuevo concepto estaba relacionado con el caso de los ovnis. En los experimentos gaseosos, una tal "aerodinámica MHD" estaría rodeada de un plasma luminoso, rojizo en régimen bajo, casi blanco en régimen más alto. Las electrodos, si las máquinas las tuvieran, se parecerían a "ventanas". Además, la máquina en forma de disco (como se la llamó inicialmente en un "Compte rendu de l'Académie des Sciences de Paris", en 1975) era óptima desde el punto de vista científico (y de los fundamentos MHD, que pueden diferir de los fundamentos clásicos de la mecánica de fluidos), de modo que la comunidad científica no estaba muy entusiasmada con la idea de este proyecto, aunque los fundamentos científicos fueran perfectamente claros.

...Intenté instalar investigaciones, primero en el CNES francés (Centre National d'Études Spatiales) entre 1979 y 1982, luego en un laboratorio del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) entre 1984 y 1986. Ese último laboratorio estaba ubicado en Rouen, y su director era el profesor Valentin, ahora jubilado. A través del CNES, ciertos experimentos se llevaron a cabo en Toulouse, en el CERT francés (Centre d'Étude et de Recherche Technique), un laboratorio en estrecha relación con el ejército. Se otorgó cierto financiamiento, pero en estos dos intentos, el ejército estúpidamente obligó a los laboratorios a alejarme de mi puesto científico. Lamentablemente, la formación científica de las personas involucradas, en ambos casos, era insuficiente, y las investigaciones fracasaron. Mucho dinero se desperdició inútilmente. Por eso, en 1987 decidí renunciar definitivamente. Pero recientemente, nuevas ideas me han incitado a regresar al campo. Por experiencia, sabía que cualquier colaboración con instituciones francesas desencadenaría inmediatamente una interferencia militar, como había sucedido en varias ocasiones anteriormente. Por lo tanto, decidimos reanudar con nuestros propios recursos y fuerzas. Puede parecer loco. Pero, en mi opinión, todas estas investigaciones pueden realizarse con materiales obsoletos. Además, el precio de la electrónica y los computadores ha disminuido considerablemente en los últimos veinte años. Muchos excelentes investigadores, ahora jubilados, se nos han unido. Por lo tanto, decidimos establecer un laboratorio, en el sur de Francia. Actualmente, recolectamos sistemas obsoletos: bancos de condensadores, fuentes eléctricas a diferentes tensiones, baja y alta, ignitrones, klystrones, dispositivos ópticos, etc., y los almacenamos. Cuando tengamos todo lo necesario, pasaremos a la acción, pronto, esperemos.

...Ahora, echemos un vistazo a algunas de estas nuevas ideas.

...Si haces clic aquí, podrás leer la Nota a los Comptes rendus de l'Académie des Sciences, publicada en 1975. Si no lees francés, aquí hay algunas explicaciones breves. Aquí están las tres primeras ilustraciones. En la figura 1, una máquina en forma de disco, equipada con un solenoide ecuatorial, cuya corriente eléctrica alterna crea un campo magnético alterno. Este último (gracias al Sr. Maxwell) genera un campo eléctrico inducido E' que tiende a crear corrientes eléctricas inducidas circulares. Al combinar estas corrientes J' con el valor instantáneo del campo magnético, obtenemos fuerzas radiales (el efecto Hall se considera despreciable), es decir, un sistema de fuerzas radiales dependientes del tiempo J' × B, dirigidas alternativamente hacia afuera y hacia el centro. La idea era la siguiente: supongamos que podamos crear una ionización no estacionaria cerca del disco, controlada en el tiempo, podríamos actuar sobre el fluido, utilizando las fuerzas centrífugas radiales cuando estén presentes, en la parte superior del disco, y las fuerzas centrípetas radiales, cuando estén invertidas, en la parte inferior de la máquina en forma de disco.

...En la siguiente figura, el flujo gaseoso inducido esperado alrededor de nuestra máquina en forma de disco :

...Los cálculos indicaban que el efecto de succión podría ser muy fuerte, lo suficientemente fuerte como para anular cualquier formación de onda de choque en el punto de detención de la máquina (que se mueve a lo largo de su eje). El problema técnico era modular la ionización cerca de la pared, en el tiempo. Primero imaginamos un dispositivo parecido a un "trampa para lobos" :

...Imagina un pequeño agujero cónico en la pared, y, según su eje, una "aguja". En la intersección cono-plano, una electrodo circular (ánodo). La electrodo central (en forma de aguja) está cargada negativamente. Entonces, se produce una descarga eléctrica en el aire circundante, como se muestra arriba. El campo magnético asociado a esta descarga eléctrica tiende a alejar a los electrones libres y a proporcionarles energía. Pensábamos que podría producir iones negativos de corta vida útil en el aire, permitiendo así una interacción MHD durante la vida útil de dichos iones. Una investigación en un laboratorio bien equipado podría haberse llevado a cabo, pero no teníamos ninguno. Desde 1973 estaba en un observatorio astronómico, lo cual no es un lugar óptimo para realizar experimentos de física de plasmas.

...En cualquier caso, a finales de los años setenta, se descubrieron algunos aspectos interesantes de la máquina. Los buenos especialistas en plasma saben que la presión magnética tiende a alejar las descargas eléctricas. Experimentamos esto en experimentos con aire a baja presión. La solución se encontró rápidamente. En lugar de crear un campo B cuyo valor máximo se encuentra en el plano de simetría (creado por una sola bobina ecuatorial), decidimos usar tres bobinas, una grande y dos más pequeñas, como se muestra en la siguiente figura :

...A la izquierda: el eje de la máquina. Arriba y a la derecha: la disposición esquemática de las tres bobinas, mostrando el sentido de la corriente eléctrica. En la figura, las líneas de campo magnético. Vemos que la superficie de B máxima está cerca de una porción de cono (conteniendo los círculos de las dos bobinas). Zona gris: el volumen de confinamiento, en el que el plasma tiende a situarse. Éxito inmediato, experimentalmente. Luego, la pared de la máquina, para optimizar la interacción MHD, debe ser perpendicular a las líneas de campo. Por último, este es el aspecto típico de nuestra aerodinámica MHD sin electrodo, utilizando fenómenos de inducción y una ionización pulsada, optimizada según los principios MHD :

...Entiendes por qué tuvimos problemas con la comunidad científica, el ejército, los políticos, etc.

...La ionización de corta duración era difícil de manejar.

Experimentos MHD con gas frío.

...Pero recientemente, surgió una nueva idea, resumida en la siguiente figura :

...Las paredes del modelo están hechas de teflón. En las dos cáscaras de teflón, se integran bobinas (la bobina ecuatorial y las dos "bobinas de confinamiento"). Se utilizarán dos klystrones, ajustados a dos guías de onda separadas. Estos dos elementos se representan en la figura. Son cilindros de bronce coaxiales. Cuando uno está en funcionamiento, el segundo está fuera de servicio, y así sucesivamente. Láminas delgadas de bronce mezcladas (en rojo) actúan como difusores y proyectan microondas. La placa de bronce situada en el plano de simetría impide que las microondas utilizadas para ionizar el aire del lado opuesto de la máquina. En la siguiente figura, mostramos el modelo cuando las microondas circulan por el canal central, se difunden por las finas láminas de bronce mezcladas, en la parte superior, atraviesan el teflón, y crean una fina capa de aire ionizado. Las microondas a 3 GHz son óptimas para ionizar el aire a presión atmosférica, y el gas ionizado absorbe las microondas. Así, la ionización estará confinada en una fina capa.

...Parece relativamente sencillo, con tal dispositivo, crear un estado de ionización dependiente del tiempo cerca de un modelo en forma de disco. También es sencillo sincronizar las corrientes eléctricas alternas en las tres bobinas. Así, este modelo podría aspirar el aire justo delante de él de manera muy fuerte. Esto depende, por supuesto, de la intensidad del campo magnético (el parámetro de interacción MHD debe ser suficientemente alto). No es necesario anular las ondas de choque durante un largo período. Solo se pueden realizar experimentos de corta duración, en un túnel de choque de corta duración. Tendremos que construirlo. Esquemáticamente, este túnel de choque se basa en un gran depósito al vacío, cuyo contenido se evacúa en cada prueba mediante una bomba de vacío potente (ya tenemos una). A la izquierda: el canal supersónico. Entre el canal y el depósito: una membrana de mylar. Cuando la bomba haya reducido suficientemente la presión en el depósito, la membrana se rompe. Duración típica del flujo: varias décimas de segundo.

...Esta idea sencilla era suficientemente emocionante para decidir reanudar la investigación MHD. Siguiente imagen: otra vista del modelo en forma de disco :

...Luego: el flujo gaseoso esperado alrededor de un modelo "pasivo". Sistema de ondas de choque.

Luego: el flujo, después de la anulación de la onda de choque por la acción de las fuerzas de Lorentz :

...Hemos planeado realizar experimentos sobre "hidrodinámicas MHD", es decir, submarinos de alta velocidad.

Experimentos MHD con gas caliente.

...En el laboratorio, se construirá un túnel de choque alimentado por una onda de choque (llamado túnel de choque). En la siguiente figura, una vista esquemática de la instalación MHD.

...Siguiente figura: la parte MHD de la instalación.

...La siguiente imagen muestra las dos bobinas y el canal MHD :

...En tales instalaciones, en 1967, se lograron aceleraciones de plasma en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella, demostrando la eficacia de las fuerzas de Lorentz para controlar un flujo supersónico. Velocidad de entrada (argón puro, 1 bar, 10 000 °K): 2 750 m/s. Velocidad de salida: 8 000 m/s !!

Siguiente figura: la posición del modelo de ala plana en el túnel de choque supersónico, en la experiencia planeada en 1987 :

...La tesis doctoral de Bertrand Lebrun (1987), las publicaciones en el European Jr of Mechanics, así como dos presentaciones en conferencias internacionales sobre MHD (Tsukuba, 1987, Pekín, 1990) se centraron en la anulación de la onda de choque frontal en un flujo de argón caliente (10 000 °K) proporcionado por un túnel de choque. Hoy, pretendemos poner en marcha este experimento clave. Esquemáticamente, la existencia de una onda de choque unida a la parte delantera de un tipo de ala (flujo 2D) puede ser evidenciada por interferometría láser (desarrollada en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella en 1965). A la derecha, la foto que esperamos obtener, si la onda de choque se anula en este flujo de argón caliente.

...Como ahora tenemos la posibilidad (teórica) de realizar experimentos con gas frío, este experimento en argón caliente puede parecer superfluo. Pero preferimos tratar estos dos objetivos como investigaciones paralelas.

Regresar al resumen científico