Por ejemplo, si sumergiéramos una maqueta de este tipo sin más que una sola pareja de electrodos, la pareja central, y la pusiéramos en cortocircuito, se produciría un paso de corriente que se cerraría sobre el gas, con el efecto de frenarlo considerablemente:
Un ala de este tipo, sumergida en un gas altamente conductor de la electricidad (o convertido en conductor), se comporta como un "generador MHD" de alta potencia. Es un "conversor MHD". ¿De dónde proviene la energía? Simplemente de la energía cinética del fluido, y la potencia extraída va acompañada de una pérdida de energía cinética en el fluido, es decir, de su ralentamiento natural.
En 1965 pusimos en práctica generadores eléctricos MHD, que realizaban una conversión directa de la energía cinética de un fluido en una "tobera MHD del tipo Faraday". La geometría es diferente, pero el principio es el mismo. A continuación, el esquema de un generador MHD de Faraday, con su canal de sección cuadrada.
Imagen siguiente, sin los solenoides, la disposición de los electrodos "segmentados" (para obtener una mejor distribución del paso de corriente en el canal).
En las experiencias que realizamos durante los años sesenta en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella, inyectamos en esta tobera un flujo de argón a 10.000 °K, bajo una atmósfera, que penetraba a una velocidad de 2500 metros por segundo. El campo magnético alcanzaba los 2 teslas, por lo que el campo electromotriz era:
2500 × 2 = 5000 voltios por metro
La distancia entre las parejas de electrodos enfrentados era de 5 cm, por lo que la diferencia de potencial era de 250 voltios. Había que restar 40 voltios (tensión asociada a fenómenos de pared cerca de los electrodos), quedando 210 voltios.
La conductividad eléctrica del argón, elevado a esta temperatura, era de 3500 mhos por metro, obteniéndose así una densidad de corriente J = σ E = σ V × B = 735.000 amperios por metro cuadrado, es decir, 73,5 amperios por centímetro cuadrado. Para una longitud de tobera de 10 cm y una anchura de 5 cm (50 cm²), esto daba una corriente máxima en cortocircuito de 3675 amperios.
Cuando los electrodos estaban en cortocircuito, la corriente era máxima, y la fuerza de Laplace resultante era suficientemente intensa, como demostró la experiencia, para frenar el gas hasta el punto de generar una onda de choque recta, obtenida sin otro obstáculo que esta fuerza electromagnética.
El gas que llega a velocidad supersónica sobre un perfil alar lenticular posee así su propia energía, que puede aprovecharse. La energía que se debía gastar para eliminar las ondas de choque era, por tanto, la energía empleada para acelerar el gas cerca del borde de ataque y del borde de salida, menos la energía producida por su desaceleración, relacionada con el funcionamiento de la pareja central de electrodos.
Este resultado era extremadamente interesante, porque mostraba que la energía necesaria para anular estas ondas era menor de lo que se podría haber pensado inicialmente. La pérdida principal se debía al efecto Joule. En el caso de una máquina voladora que circulase en aire frío, habría que añadir la energía gastada para ionizar el gas mediante microondas, energía que también habíamos cuantificado.
¿Cómo actúan las fuerzas de Laplace sobre la pendiente de las ondas de Mach?
Es muy sencillo. Cuando la tobera MHD funciona, por ejemplo, como generador, es decir, frena el fluido, esta es la evolución de las ondas de Mach en la tobera:
Se trata de un frenado moderado del fluido. Las ondas parecen comprimirse como los elementos de un acordeón. Los electrodos están "cargados", lo que limita la densidad de corriente. Se comprende así cómo un frenado más intenso puede dar lugar a una onda de choque: cuando el fluido reduce su velocidad hasta el punto de tender a volverse subsónico. Las ondas de Mach se concentran entonces, como un acordeón, acumulando las perturbaciones de presión. La onda de choque se forma entonces y se desplaza rápidamente hacia la entrada de la tobera, estabilizándose delante del primer "streamer" (chorro de corriente eléctrica procedente de la primera pareja de electrodos), como si este constituyera una especie de obstáculo invisible.
Por el contrario, si inyectamos potencia eléctrica en el sistema, la tobera se comporta como un acelerador MHD de Faraday. Las ondas de Mach tienden a aplanarse:
Esta aceleración MHD pudo observarse también en los años sesenta, en el laboratorio donde yo trabajaba. Se reveló muy eficaz. La velocidad de entrada en la tobera era de 2500 m/s, y se obtuvieron velocidades de salida superiores a 8000 metros por segundo, lo que representa una ganancia de velocidad superior a cinco kilómetros por segundo en una distancia de apenas diez centímetros.
Estas experiencias demuestran la extrema eficacia de la acción MHD sobre un gas, siempre que éste posea un grado de ionización suficiente. Para información, una conductividad eléctrica así (3500 mhos/m) correspondía, en argón, a un grado de ionización de 10⁻³ (un átomo sobre mil se transformaba en ion).
En aire frío, habría que ionizar artificialmente el gas, por ejemplo sometiendo el gas circundante a un flujo de microondas de tres gigahercios, que tendría como efecto arrancar electrones del componente más fácilmente ionizable: el óxido de nitrógeno NO. También se podría considerar la inyección de un alcalino, de bajo potencial de ionización, como el cesio o el sodio.
Así, Lebrun y yo hicimos todos estos cálculos en el marco de una tesis doctoral financiada por el CNRS, durante los años ochenta. Los resultados de las simulaciones por ordenador dieron un flujo completamente "regularizado", libre de ondas de choque. En la figura siguiente se han representado las dos familias de ondas de Mach.
Este trabajo teórico fue complementado con experiencias de analogía hidráulica, siempre con este sistema de tres pares de electrodos. Las ondas de proa y de popa pudieron eliminarse. Debido a que la conductividad eléctrica del agua acidulada era demasiado baja, no era entonces posible utilizar la energía del fluido para mejorar el balance energético. El resultado fue idéntico al presentado anteriormente. El resultado es que se obtiene un flujo en el que el fluido permanece "plano":
El lector interesado podrá encontrar algunos de estos elementos en mi cómic "El Muro del Silencio" (ver CD-ROM Lanturlu).
¿Cómo poner en práctica estas investigaciones?
Estas ideas son atractivas. Abren la puerta a una nueva mecánica de fluidos supersónicas, donde, en lugar de sufrir las ondas de choque como fenómenos inevitables, se pueden evitar.
El problema de la MHD es poder trabajar con un gas que posea una conductividad eléctrica suficiente. En veinte años de trabajo...