Per
esempio, se immergiamo un modello di questo tipo, dotandolo soltanto di una singola
coppia di elettrodi, quella centrale, e la mettiamo in cortocircuito, ne deriverebbe un passaggio di corrente, che si chiuderebbe nel gas, con l'effetto di rallentarlo fortemente:
Un
profilo alare di questo tipo, immerso in un gas altamente conduttore (o reso conduttore), si comporta come un "generatore MHD" ad alta potenza. È un "convertitore MHD". Da dove proviene l'energia? È semplicemente l'energia cinetica del fluido, e la potenza estratta si accompagna a una perdita di energia cinetica nel fluido, al suo rallentamento naturale.
Nel
1965 mettevamo in opera generatori elettrici MHD, che operavano una conversione diretta dell'energia cinetica di un fluido in una "tubazione MHD del tipo Faraday". La geometria è diversa, ma il principio è lo stesso. Di seguito, lo schema di un generatore MHD di Faraday, con il canale a sezione quadrata.
Nella
figura successiva, con i solenoidi rimossi, la disposizione degli elettrodi
"segmentati" (per ottenere una migliore distribuzione del passaggio
della corrente nel canale).
Nei
esperimenti che avevamo condotto negli anni Sessanta all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia,
abbiamo iniettato nella tubazione un flusso di argon a 10.000°K, a
un bar, che penetrava a una velocità di 2500 metri al
secondo. Il campo magnetico raggiungeva i 2 tesla, quindi il campo elettromotore valeva:
2500 x
2 = 5000 volt al metro
La
distanza tra le coppie di elettrodi opposti essendo di
5 cm, la tensione era di 250 volt. Era necessario sottrarre 40 volt (tensione legata a fenomeni di parete vicino agli
elettrodi), per un totale di 210 volt.
La
conduttività elettrica dell'argon, portato a
questa temperatura, era di 3500 mhos al metro, ottenendo così una densità di corrente J = s E = s V x B = 735.000 ampère al metro quadrato.
ovvero 73,5 ampère
per centimetro quadrato. Per una lunghezza della tubazione di 10
cm e una larghezza di 5 cm (50 cm²), ciò dava una corrente massima, in cortocircuito, di 3675 ampère.
Quando
gli elettrodi erano in cortocircuito, la corrente era massima, e la forza di Laplace risultante era sufficientemente intensa, come dimostrò l'esperimento, da rallentare il gas fino a generare un'onda d'urto retta, ottenuta senza alcun ostacolo se non questa forza elettromagnetica.
Il
gas che arriva a velocità supersonica su un profilo alare a forma di lente
possiede quindi la propria energia, che può essere sfruttata. L'energia da spendere per eliminare le onde d'urto era quindi l'energia spesa per accelerare il gas vicino al bordo d'attacco e al bordo di uscita, meno l'energia prodotta dal suo rallentamento, legata al funzionamento della coppia centrale di elettrodi.
Questo
risultato era estremamente interessante, perché mostrava che l'energia da fornire per annullare queste onde era inferiore a quanto si potesse pensare a priori. La perdita si localizzava principalmente nell'effetto Joule. Nel caso di una macchina volante che si muovesse nell'aria fredda, sarebbe stato necessario aggiungere l'energia spesa per ionizzare il gas tramite microonde, energia che avevamo anch'essa quantificato.
Come
agiscono le forze di Laplace sulla pendenza delle onde di Mach?
È
molto semplice. Quando la tubazione MHD funziona, per esempio, come generatore, quindi rallenta il fluido, ecco come evolvono le onde di Mach nella tubazione:
Si
tratta di un rallentamento moderato del fluido. Le onde
sembrano comprimersi come gli elementi di un fisarmonica. Gli elettrodi sono "in carico", il che limita la densità di corrente. Si capisce così come un rallentamento più intenso possa generare un'onda d'urto: quando la velocità scende fino a far tendere il gas a diventare subsonico. Le onde di Mach si concentrano allora, come una fisarmonica, accumulando le perturbazioni di pressione. L'onda d'urto si forma quindi, che si sposta rapidamente verso l'ingresso della tubazione, stabilizzandosi davanti al primo "streamer" (getto di corrente elettrica proveniente dalla prima coppia di elettrodi), come se questo costituisse un tipo di ostacolo immateriale.
Se,
invece, si inietta potenza elettrica nel sistema, la tubazione si comporta come un acceleratore MHD di Faraday. Le onde di Mach tendono a piattarsi:
Questa
accelerazione MHD è stata osservata anche negli anni Sessanta, nel laboratorio dove lavoravo. Si è rivelata estremamente efficace. La velocità all'ingresso della tubazione era di 2500 m/s, ottenendo velocità di uscita superiori a 8000 metri al secondo, il che rappresenta un guadagno di velocità superiore a cinque chilometri al secondo su una distanza di appena dieci centimetri.
Questi
esperimenti dimostrano l'estrema efficienza dell'azione MHD su un gas, purché questo possieda un livello di ionizzazione sufficiente. Per informazione, una tale conduttività elettrica (3500 mhos/m) nell'argon corrispondeva a un tasso di ionizzazione di 10⁻³ (un atomo su mille era trasformato in ione).
Nell'aria fredda, sarebbe stato necessario ionizzare "artificialmente" il gas, per esempio sottoponendolo a un flusso di microonde a tre gigahertz, che avrebbe avuto l'effetto di strappare elettroni al componente più facilmente ionizzabile: l'ossido di azoto NO. Si potrebbe anche considerare la vaporizzazione di un alcalino, a basso potenziale di ionizzazione, come il cesio o il sodio.
Così,
Lebrun e io avevamo effettuato tutti questi calcoli nel quadro di una tesi di dottorato finanziata dal CNRS; negli anni Ottanta. I risultati delle simulazioni al calcolatore mostravano un flusso completamente "regolarizzato", privo di onde d'urto. Nella figura seguente sono rappresentate le due famiglie di onde di Mach.
Questo
lavoro teorico è stato completato da esperimenti di analogia idraulica, sempre con questo sistema di tre coppie di elettrodi. Le onde di prua e di poppa sono state eliminate. La conduttività elettrica dell'acqua acidulata essendo troppo bassa, non era possibile allora sfruttare l'energia del fluido per migliorare il bilancio energetico. Il risultato è identico a quello presentato sopra. Il risultato è che si ottiene un flusso in cui il fluido rimane "piatto":
Il
lettore interessato potrà ritrovare alcuni di questi elementi nella mia striscia fumettistica "Il Muro del Silenzio" (vedi cd-rom Lanturlu).
Come
mettere in pratica queste ricerche.
Queste
idee sono affascinanti. Aprono la strada a una nuova meccanica dei fluidi supersonici, dove, invece di subire le onde d'urto come fenomeni inevitabili, si possono invece evitare.
Il
problema della MHD è riuscire a lavorare con un gas che possieda una conduttività elettrica sufficiente. In venti anni di lavoro...