MHD e volo ipersonico Generatore Faraday

Conferenza tenuta a Supaéro
il 10 giugno 2003

MHD e volo ipersonico

J.P. Petit

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Ricordo storico sulla MHD in Francia.

L'inventore della MHD o magneto-idrodinamica è l'inglese Michael Faraday. Questa disciplina presenta due aspetti:

• Gli acceleratori MHD o l'arte e il modo di mettere in movimento i fluidi utilizzando forze di Laplace ("forze di Lorentz" in inglese) J x B - I generatori MHD dove l'arte e il modo di convertire l'energia cinetica di un fluido in movimento in elettricità.

Faraday sperimentò entrambe le formule. In entrambi i casi mise in opera un convertitore lineare al quale lasciò il suo nome. In modo schematizzato, un convertitore lineare è un ugello portatore di elettrodi (segmentati, per ottenere una migliore distribuzione della corrente elettrica nella vena) fiancheggiato da bobine che producono un campo magnetico trasversale. L'asse del dispositivo, la direzione del campo magnetico e la direzione del campo elettrico creato dagli elettrodi formano un triedro trirettangolo.

Convertitore di Faraday

All'inizio degli anni sessanta gli inglesi furono i primi a considerare la produzione di elettricità tramite MHD, senza parti mobili, per "conversione diretta". Su carta sembra molto semplice. Un fluido entra a una velocità V in un ugello e taglia le linee di forza di un campo magnetico B. Ne deriva un campo elettromotore V x B che genera una corrente J (densità di corrente, in ampere al metro quadrato), la quale viene raccolta dagli elettrodi e si chiude su resistenze di carico. Questi generatori MHD presentavano diversi vantaggi. Potevano essere messi in funzione molto rapidamente. Inoltre si affrancavano dal limite del "rendimento di Carnot" che limitava il rendimento delle turbine a gas dell'epoca al 40%. I calcoli teorici indicavano che "su carta" si poteva sperare di raggiungere rendimenti globali vicini al 60%. Se queste macchine avessero potuto funzionare, ciò avrebbe significato che, a parità di combustibile fossile, si sarebbe potuta produrre un'energia elettrica del 50% in più.

Ma i gas sono cattivi conduttori di elettricità. Consideriamo un miscuglio gassoso derivante dalla combustione di idrocarburi. I suoi componenti possiedono un potenziale di ionizzazione. Ma anche alle temperature più elevate consentite dalla tecnologia, la conducibilità elettrica del mezzo rimarrebbe bassa. Solo una piccola parte dell'entalpia del gas verrebbe convertita in elettricità, la maggior parte dissipandosi nella vena per effetto Joule.

Si pensò quindi di aumentare la conducibilità di questo gas aggiungendo una sostanza con basso potenziale di ionizzazione, essenzialmente un alcalino. Il problema dell'aumento della conducibilità era così critico che si pensò fin dall'inizio di ricorrere alla sostanza più facilmente ionizzabile: il cesio. Le prime esperienze di conversione MHD furono quindi condotte aggiungendo a valle di una camera di combustione che bruciava idrocarburi un generatore lineare di Faraday. I risultati furono deludenti. Sarebbe stato necessario raggiungere temperature vicine ai 3000°C, cioè quelle del filamento di una lampada a incandescenza. Gli sforzi si concentrarono sulla tenuta termica dei materiali: pareti e elettrodi. All'inizio degli anni sessanta non era raro che durante le sperimentazioni gli elettrodi si frantumassero, così come le lastre destinate a garantire la tenuta termica delle pareti. Queste ricerche relative a ciò che fu chiamato "ciclo aperto" continuarono in numerosi laboratori del mondo durante gli anni sessanta. In Francia vi parteciparono l'EdF nel suo centro di ricerca delle Renardières, vicino a Moret-sur-Loing, l'Institut Français du Pétrole e la CGE (Compagnie Générale d'Électricité). L'impegno internazionale MHD (civile) arrivò a mobilitare fino a 5000 ricercatori, distribuiti in decine di laboratori sparsi in tutto il mondo. L'insuccesso portò all'arresto progressivo delle ricerche. I russi furono gli ultimi a perseverare fino a metà degli anni settanta, con un generatore sperimentale chiamato "U-25", installato vicino a Mosca.

Il generatore MHD russo U-25. Al primo piano l'elettromagnete.

Le dimensioni impressionanti della vena del generatore U-25. Gli elettrodi sono a destra e a sinistra.

Un'altra strada fu ben presto considerata, ricorrendo a ciò che fu chiamato una "conduzione elettrica fuori equilibrio (termodinamico)". Ne parleremo più avanti. Si tratta di una situazione in cui la temperatura elettronica Te supera la temperatura del gas Tg. Sono le condizioni che regnano in un tubo al neon. L'idea di base è la seguente. Nel tubo al neon un campo elettrico E, creato da elettrodi, accelera gli elettroni liberi lungo il loro libero cammino medio (tra due urti con atomi neutri o ioni). Se questo libero cammino è abbastanza lungo, l'energia cinetica acquisita dagli elettroni può raggiungere l'energia di ionizzazione Ei di un atomo. Durante un urto si avrà quindi un "innesco elettronico". La circolazione della corrente elettrica crea quindi, nel tubo, uno stato ionizzato. Fenomeno inverso: gli ioni attraggono gli elettroni liberi relativamente lenti e tendono a catturarli (desionizzazione radiativa).

Ho già pubblicato sul mio sito due dossier sulla MHD, presentati a un livello di divulgazione. Ci saranno dei collegamenti in questo dossier.

A metà degli anni (più precisamente nel 1964, al congresso di Newcastle, in Inghilterra) un giovane ricercatore russo, Vélikhov, prevede l'insorgere di un'instabilità di ionizzazione estremamente violenta (qualche microsecondo). La teoria di questo fenomeno non è affatto ovvia. Il suo meccanismo sfida l'intuizione. Ecco un'immagine degli anni sessanta che mostra (le simulazioni numeriche dell'epoca richiedevano i sistemi più potenti e queste immagini provengono dall'URSS). Si vede come si sviluppa questa instabilità, che in alcuni punti stringe le linee di corrente elettrica. Questo aumento locale di J provoca una risposta del gas sotto forma di ionizzazione. Il mezzo si stratifica quindi, con l'apparizione di strati a forte conducibilità elettrica, alternati a zone a bassa conducibilità elettrica.

Evoluzione dell'instabilità elettrotermica in un convertitore di Faraday (1968)

Fu proprio questa instabilità, alla quale nessuno riuscì a trovare rimedio, a provocare il collasso di tutta l'attività MHD civile nel mondo (decine di laboratori, 5000 ricercatori). Alla fine degli anni sessanta la partita era persa in Europa. Tutti i gruppi furono sciolti, nonostante un unico successo all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia, tra il 1966 e il 1970. Ci furono due risultati significativi.

• Primo funzionamento di un generatore fuori equilibrio, stabile rispetto all'instabilità di ionizzazione (J.P. Petit, 1967, 7° congresso internazionale di Varsavia). Temperatura del gas: 6000°C, temperatura elettronica: 10.000°C, estrazione di potenza: 2 megawatt. Corrente notevole fino a 4000°C.

• Accelerazione di un plasma di argon. Parametri di ingresso: pressione, un bar, velocità: 2700 m/s, temperatura: 10.000°C, conducibilità elettrica:...