Fisica aerodinamica MHD cosmologia

...Il campo della MHD è molto vasto. L'inventore dei concetti base è il famoso scienziato britannico Michael Faraday. La MHD presenta due aspetti.

• D'un lato, si può accelerare i fluidi grazie alla forza di Lorentz J × B, che corrisponde agli acceleratori MHD.

• Dall'altro lato, si può convertire l'energia cinetica di un fluido, la sua entalpia, in energia elettrica. Questo corrisponde ai generatori MHD. In tali impianti, quando un flusso gassoso attraversa le linee del campo magnetico di un campo magnetico trasversale B alla velocità V, un campo elettrico indotto V × B agisce sulle particelle cariche, elettroni liberi o ioni.

...Esiste un ottimo libro (attualmente, solo nelle biblioteche scientifiche) :

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

destinato a fisici e studenti di dottorato.

...Ho esperienza personale in MHD dal 1964. Tra il 1964 e il 1972, ho lavorato all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia. Ecco poi una bibliografia ristretta (dedicata a lavori più recenti) :

(1) J.P. Petit : "Il volo supersonico è possibile?" Ottava Conferenza Internazionale sulla MHD e sulla Produzione di Elettricità. Mosca, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : "Annichilazione delle onde d'urto in un gas grazie all'azione della forza di Lorentz". Nona Conferenza Internazionale sulla MHD e sulla Produzione di Elettricità. Tsukuba, Giappone, 1986
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : "Annichilazione delle onde d'urto mediante azione MHD nei flussi supersonici. Analisi quasi unidimensionale stazionaria e blocco termico". European Journal of Mechanics ; B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : "Annichilazione delle onde d'urto mediante azione MHD nei flussi supersonici. Analisi stazionaria bidimensionale non isentropica. Criterio anti-urto, e simulazioni in tubo d'urto per flussi isentropici". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989
(5) B. Lebrun : "Approccio teorico alla soppressione delle onde d'urto che si formano intorno a un ostacolo affusolato posto in un flusso di argone ionizzato". Tesi di Energia n°233. Università di Poitiers, Francia, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : "Analisi teorica dell'annichilazione delle onde d'urto da parte di un campo di forza di Lorentz". Simposio Internazionale di MHD, Pechino, 1990.

...Dopo, mi sono spostato verso l'astrofisica e la cosmologia teorica. Negli anni sessanta, abbiamo costruito generatori MHD a breve durata, basati su tunnel a shock alimentati da venti caldi. Questo dispositivo poteva produrre flussi di breve durata, ad alta temperatura e ad alta velocità, con pressioni relativamente elevate. Non è un tunnel a bassa pressione. I parametri tipici sono i seguenti :

Gas : argone
Velocità : 2 700 m/s
Temperatura : 10 000 °K
Pressione : 1 bar
Conducibilità elettrica : 4000 mkhos/m

...Al momento stiamo costruendo un nuovo laboratorio, finanziato da fondi privati. Penso che sarà operativo entro la fine del 2001. L'attività coprirà diversi settori :

• Esperienze con gas caldo - Esperienze con gas freddo (flussi supersonici d'aria a pressione atmosferica)

• Esperienze con gas a bassa pressione (simulazioni).

• Esperienze numeriche.

• Esperienze idrauliche (modelli di sottomarini ad alta velocità).

...Per prima cosa, perché ripartire dopo un'interruzione di 13 anni? Perché abbiamo nuove idee. Nel 1975, ho immaginato che il volo supersonico potesse essere possibile nell'aria densa, senza produrre bang sonico né turbolenza. Ho pubblicato articoli su riviste scientifiche a riguardo. All'epoca sembrava un'idea folle. Nel 1975, con il mio collega Maurice Viton, abbiamo costruito un'esperienza idraulica utilizzando un magnete da un tesla. Questo campo magnetico era necessario per modificare un flusso d'acqua intorno a un piccolo modello in un flusso a superficie libera (8 cm/s). Il modello era un cilindro (7 mm di diametro). L'esperienza è stata un successo, e l'onda d'urto (i specialisti della meccanica dei fluidi sanno che le onde create da una nave sono molto simili alle onde d'urto) è stata completamente annullata. Allora ho pensato che l'idea non fosse forse così assurda come sembrava a prima vista.

...Nei dieci anni seguenti, tutto è stato molto difficile, non tanto dal punto di vista scientifico, ma diciamo, dal punto di vista "politico". Ovviamente, questo nuovo concetto era legato al caso degli UFO. Nei test con gas, una tale "aerodinamica MHD" sarebbe circondata da un plasma luminoso, rosastro a basso regime, quasi bianco a regime più alto. Le elettrodi, se le macchine ne avessero, somiglierebbero a "finestre". Inoltre, la macchina a forma di disco (come chiamata inizialmente in un "Compte rendu de l'Académie des Sciences de Paris", nel 1975) era ottimale dal punto di vista scientifico (e dei fondamenti MHD, che possono differire dai fondamenti classici della meccanica dei fluidi), in modo che la comunità scientifica non era molto entusiasta dell'idea di questo progetto, anche se i fondamenti scientifici erano perfettamente chiari.

...Ho cercato di installare ricerche, dapprima al CNES francese (Centre National d'Études Spatiales) tra il 1979 e il 1982, poi in un laboratorio del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) tra il 1984 e il 1986. Questo laboratorio era situato a Rouen, e il suo direttore era il professore Valentin, oggi in pensione. Attraverso il CNES, alcune esperienze sono state realizzate a Tolosa, nel CERT francese (Centre d'Étude et de Recherche Technique), un laboratorio in stretto rapporto con l'esercito. È stato concesso un certo finanziamento, ma in queste due tentativi, l'esercito ha stupidamente obbligato i laboratori a farmi allontanare dal mio posto scientifico. Sfortunatamente, la preparazione scientifica delle persone coinvolte, in entrambi i casi, era insufficiente, e le ricerche sono fallite. Molti soldi sono stati sprecati inutilmente. Per questo, nel 1987, ho deciso di abbandonare definitivamente. Ma recentemente, nuove idee mi hanno spinto a tornare nel settore. Per esperienza, sapevo che qualsiasi collaborazione con istituzioni francesi avrebbe immediatamente scatenato un'interferenza militare, come era successo più volte in passato. Abbiamo quindi deciso di ripartire con le nostre forze e risorse. Questo può sembrare folle. Ma, a mio parere, tutte queste ricerche possono essere condotte con materiali obsoleti. Inoltre, il prezzo di elettronica e computer è diminuito notevolmente negli ultimi vent'anni. Molti ottimi ricercatori, ora in pensione, ci hanno raggiunti. Abbiamo quindi deciso di mettere in piedi un laboratorio, nel sud della Francia. Al momento, raccogliamo sistemi obsoleti: banche di condensatori, alimentazioni elettriche a diverse tensioni, bassa e alta, ignitroni, klystroni, dispositivi ottici, ecc., e li conserviamo. Quando avremo tutto il necessario, passeremo all'azione, presto, speriamo.

...Ora, diamo un'occhiata a alcune di queste nuove idee.

...Se clicchi qui, potrai leggere la Nota ai Comptes rendus de l'Académie des Sciences, pubblicata nel 1975. Se non parli francese, ecco alcune spiegazioni brevi. Ecco le prime tre immagini. Nella figura 1, una macchina a forma di disco, dotata di un solenoide equatoriale, il cui corrente elettrica alternata crea un campo magnetico alternato. Quest'ultimo (grazie al signor Maxwell) genera un campo elettrico indotto E' che tende a creare correnti elettriche indotte circolari. Combinando queste correnti J' al valore istantaneo del campo magnetico, si ottengono forze radiali (l'effetto Hall è considerato trascurabile), ovvero un sistema di forze radiali dipendenti dal tempo J' × B, dirette alternativamente verso l'esterno e verso il centro. L'idea era quindi la seguente: supponiamo che si possa creare un'ionizzazione non stazionaria vicino al disco, controllata nel tempo, potremmo agire sul fluido, utilizzando le forze centrifughe radiali quando sono presenti, in cima al disco, e le forze centripete radiali, quando sono invertite, nella parte inferiore della macchina a forma di disco.

...Nella figura successiva, il flusso gassoso indotto atteso intorno alla nostra macchina a forma di disco :

...I calcoli indicavano che l'effetto di aspirazione potrebbe essere molto forte, abbastanza forte da annullare qualsiasi formazione d'onda d'urto nel punto di arresto della macchina (che si muove lungo il suo asse). Il problema tecnico era modulare l'ionizzazione vicino alla parete nel tempo. Abbiamo immaginato inizialmente un dispositivo simile a un "trappola per lupi" :

...Immagina un piccolo foro conico nella parete, e, lungo il suo asse, una "punta". All'intersezione cono-piano, un'elettrodo circolare (anodo). L'elettrodo centrale (a forma di punta) è carico negativamente. Allora, si verifica una scarica elettrica nell'aria circostante, come indicato sopra. Il campo magnetico associato a questa scarica elettrica tende a respingere gli elettroni liberi e a fornire loro energia. Pensavamo che potesse produrre ioni negativi di breve durata nell'aria, permettendo così un'interazione MHD durante la durata di vita di tali ioni. Una ricerca in un laboratorio ben attrezzato avrebbe potuto essere condotta, ma non ne avevamo uno. Dal 1973 ero in un osservatorio astronomico, che non è un luogo ottimale per condurre esperienze di fisica dei plasmi.

...In ogni caso, alla fine degli anni '70, alcuni aspetti interessanti della macchina sono stati scoperti. I buoni specialisti del plasma sanno che la pressione magnetica tende a respingere le scariche elettriche. Abbiamo sperimentato questo in esperienze con aria a bassa pressione. La soluzione è stata rapidamente trovata. Invece di creare un campo B il cui valore massimo si trova nel piano di simmetria (creato da una sola bobina equatoriale), abbiamo deciso di utilizzare tre bobine, una grande e due più piccole, come mostrato nella figura seguente :

...A sinistra: l'asse della macchina. In alto e a destra: la disposizione schematica delle tre bobine, mostrando il senso della corrente elettrica. Nella figura, le linee del campo magnetico. Vediamo che la superficie di B massima è vicino a una porzione di cono (contenente i cerchi delle due bobine). Zona grigia: il volume di confinamento, in cui il plasma tende a trovarsi. Successo immediato, sperimentalmente. Successivamente, la parete della macchina, per ottimizzare l'interazione MHD, deve essere ortogonale alle linee del campo. Infine, ecco l'aspetto tipico della nostra aerodinamica MHD senza elettrodi, utilizzando fenomeni di induzione e ionizzazione pulsata, ottimizzati secondo i principi MHD :

...Capisci perché abbiamo avuto problemi con la comunità scientifica, l'esercito, i politici, ecc.

...L'ionizzazione a breve durata era difficile da gestire.

Esperienze MHD con gas freddo.

...Ma recentemente, è apparsa una nuova idea, riassunta nella figura seguente :

...Le pareti del modello sono in teflon. Nei due gusci di teflon, sono integrate bobine (la bobina equatoriale e le due "bobine di confinamento"). Due klystroni saranno utilizzati, regolati su due guide d'onda separate. Questi due elementi sono rappresentati nella figura. Sono cilindri di ottone coassiali. Quando uno è in funzione, l'altro è spento, e così via. Lame sottili di ottone mescolate (in rosso) agiscono come diffusori e proiettano onde micro. La piastra di ottone situata nel piano di simmetria impedisce alle onde micro utilizzate per ionizzare l'aria sul lato opposto della macchina. Nella figura seguente, mostriamo il modello quando le onde micro circolano nel canale centrale, vengono diffuse dalle sottili lame di ottone mescolate, in alto, attraversano il teflon, e creano uno strato sottile di aria ionizzata. Le onde micro a 3 GHz sono ottimali per ionizzare l'aria a pressione atmosferica, e il gas ionizzato assorbe le onde micro. Così, l'ionizzazione sarà confinata in uno strato sottile.

...Sembra relativamente semplice, con un tale dispositivo, creare uno stato di ionizzazione dipendente dal tempo vicino a un modello a forma di disco. È anche semplice sincronizzare le correnti alternate nelle tre bobine. Così, questo modello potrebbe aspirare l'aria proprio davanti a sé in modo molto forte. Dipende ovviamente dall'intensità del campo magnetico (il parametro di interazione MHD deve essere sufficientemente alto). Non è necessario annullare le onde d'urto per un lungo periodo. Possono essere effettuate solo esperienze di breve durata, in un tunnel a shock a breve durata. Dovremo costruirlo. In modo schematico, questo tunnel a shock si basa su un grande serbatoio vuoto, il cui contenuto viene evacuato ad ogni prova da una pompa a vuoto potente (ne abbiamo già una). A sinistra: il canale supersonico. Tra il canale e il serbatoio: una membrana di mylar. Quando la pompa ha ridotto sufficientemente la pressione nel serbatoio, la membrana si rompe. Durata tipica del flusso: diverse decine di secondi.

...Questa idea semplice era abbastanza eccitante per decidere di riprendere la ricerca MHD. Immagine successiva: un'altra vista del modello a forma di disco :

...Poi: il flusso gassoso atteso intorno a un modello "passivo". Sistema di onde d'urto.

Poi: il flusso, dopo l'annichilazione dell'onda d'urto grazie all'azione delle forze di Lorentz :

...Abbiamo previsto di realizzare esperienze su "idrodinamiche MHD", cioè sottomarini ad alta velocità.

Esperienze MHD con gas caldo.

...Nel laboratorio, sarà costruito un tunnel a shock alimentato da un'onda d'urto (chiamato tunnel a shock). Nella figura seguente, una vista schematica dell'impianto MHD.

...Figura seguente: la parte MHD dell'impianto.

...L'immagine seguente mostra le due bobine e il canale MHD :

...In tali impianti, nel 1967, erano state ottenute accelerazioni di plasma all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia, dimostrando l'efficacia delle forze di Lorentz per controllare un flusso supersonico. Velocità di ingresso (argon puro, 1 bar, 10 000 °K): 2 750 m/s. Velocità di uscita: 8 000 m/s !!

Figura seguente: la posizione del modello di ala piana nel tunnel a shock supersonico, nell'esperimento previsto nel 1987 :

...La tesi di dottorato di Bertrand Lebrun (1987), le pubblicazioni sul European Jr of Mechanics, nonché due presentazioni durante conferenze internazionali sulla MHD (Tsukuba, 1987, Pechino, 1990) si sono concentrate sull'annichilazione dell'onda d'urto frontale in un flusso di argone caldo (10 000 °K) fornito da un tunnel a shock. Oggi intendiamo mettere in atto questa esperienza chiave. In modo schematico, l'esistenza di un'onda d'urto attaccata alla parte anteriore di una sorta di ala (flusso 2D) può essere evidenziata con interferometria laser (sviluppata all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia nel 1965). A destra, la foto che speriamo di ottenere, se l'onda d'urto è annullata in questo flusso di argone caldo.

...Poiché ora abbiamo la possibilità (teorica) di condurre esperienze con gas freddo, questa esperienza in argone caldo potrebbe sembrare superflua. Ma preferiamo trattare questi due obiettivi come ricerche parallele.

Ritorno al riassunto scientifico