La macchina francese Z
La tesi di Mathias Bavay
documento pubblicato il 17 giugno 2006
Si trova questa tesi, molto documentata, a:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Titolo:
Compressione del flusso magnetico in un regime sottomicrosecondo per ottenere alte pressioni e radiazione X
difesa il 8 luglio 2002 al CEG (Centro militare di sperimentazione di Gramat, Lot).
Il generatore di Gramat (vedi immagini sopra) è in grado di erogare impulsi di corrente di 2,5 milioni di ampere, con una durata di 800 nanosecondi.
Generatore elettrico ECF di Gramat
Un'immagine in primo piano indica il diametro dell'impianto, circa 20 metri (contro i trentatré della macchina Z di Sandia).
Immagine in primo piano
Parte centrale dell'impianto ECF di Gramat
Il montaggio immaginato da Bavay, testato a Gramat e sul generatore di Sandia, è molto originale. I sovietici avevano inventato sistemi di compressione del flusso in cui un esplosivo chimico esercitava una pressione su un "liner" costituito da un materiale conduttore, rame o alluminio. Questo liner si imploseva, comprimendo un campo magnetico presente al suo interno, precedentemente generato tramite una scarica elettrica in un solenoide alimentato da un banco di condensatori. L'idea sviluppata nella tesi di Bavay consiste nell'utilizzare un liner a fili, come "pistone", e sostituire la pressione esterna, di origine chimica nei compressori a magneto-cumulazione, con una "pressione magnetica". Si ritrovano così due concetti:
- Utilizzare un liner più leggero, con minore inerzia
- Assicurare che tutta l'energia venga trasferita a questo, il "gas magnetico" avendo un'inerzia nulla.
Si giunge così a un compressore a due stadi, con... due liners, uno grande e uno piccolo. In sostanza, è ciò che si sarebbe ottenuto con il cannone a plasmoide di Sakharov se si fosse... chiuso quel cannone!
Cannone a plasmoide di Sakharov, modificato
Si riprende lo schema iniziale. Una scarica elettrica genera un campo magnetico nella "camera di chiusura" A. Poi l'esplosivo viene acceso dalla parte sinistra, provocando l'espansione del "liner" di rame.
Il cono di rame chiude la camera, intrappolando il campo magnetico che, "compresso", tende a espellere l'anello di alluminio nello spazio tra il "cannone" di rame e il liner centrale, pieno di esplosivo. Ma nel nuovo montaggio si oppone all'espulsione di quell'anello, che colpisce con grande velocità l'estremità chiusa del "cannone", generando forti compressioni. Naturalmente, si è creato il vuoto tra l'anello di rame e il tappo situato a destra, di colore grigio. L'anello di alluminio svolge il ruolo di un secondo "liner", vaporizzandosi al passaggio e trasformandosi in plasma. Il liner centrale subisce anch'esso una trasformazione plastica.
Ritorniamo alla tesi di Bavay. Riconosceremo elementi del montaggio sopra descritto, costruiti in modo diverso. Come detto, i due liners sono "a fili" e si trasformeranno in plasma. È necessario creare una certa pressione magnetica nell'ambiente A prima che questo venga chiuso. Resta da sostituire l'elemento propulsore, il gas derivante dall'esplosione, con una pressione magnetica. Otteniamo così:
Montaggio della tesi di Mathias Bavay
Per comprendere meglio, forse sarebbe utile ricomporre i due momenti rappresentati qui in un'unica immagine. Ecco dunque innanzitutto questo montaggio di Bavay, nello stato iniziale:
Montaggio di Mathias Bavay, nello stato iniziale
Vi sono due scariche elettriche, una rappresentata in viola, la "scarica primaria", e l'altra in rosso, la "scarica secondaria". Queste due scariche creano un campo magnetico all'interno di due cavità coassiali, di geometria toroidale. Si distingue un "liner" cilindrico che in realtà è costituito da un primo insieme di fili. Nella tesi di Bavay si apprende che quando questi fili sono percorsi da una forte intensità elettrica non si trasformano istantaneamente in plasma metallico. Al contrario, hanno una durata di vita abbastanza lunga, che può raggiungere l'80% del tempo impiegato da questo "tendone di fili" a muoversi radialmente convergendo verso l'asse. È proprio questo il segreto del mantenimento dell'assialsimmetria nella manipolazione di Sandia. Quando questo oggetto si implosa, non si tratta né di un insieme di fili disposti uno accanto all'altro, né di un tendone di plasma, ma di un "miscuglio dei due". Questo è stato teorizzato da Malcom Haines, che lo chiama "formazione di una conchiglia":
Formazione della "conchiglia"
In alto, i fili poco dopo l'innesco della scarica. Iniziano a sublimarsi superficialmente. I fili ancora solidi sono circondati da una guaina di plasma metallico. Nella tesi di Bavay si legge che i fili mantengono un nucleo freddo, solido. Si vaporizzano perifericamente emettendo un plasma formato da atomi metallici che si espande. Quando questi cilindri di plasma si incontrano si forma la "corona". Bavay scrive che questa corona si forma quando sono trascorsi l'80% del tempo di implosione. Ciò significa che per tutto questo tempo le correnti si muovono individualmente nei fili. Se possono verificarsi instabilità MHD in un plasma (un gas ionizzato) dove localmente la densità di corrente può fluttuare, così come l'intensità del campo magnetico, questo non si verifica in un tendone di fili.
Nella sua tesi si legge che la velocità di espansione del vapore metallico è di 10.000 m/s per il tungsteno e di 22.000 m/s per l'alluminio. L'ordine di grandezza del diametro dei fili (240 in numero): 10 micron.
Non ho trovato la velocità di espansione per fili di acciaio inossidabile. Le persone di Sandia sono rimaste molto sorprese nel vedere che la temperatura raggiunta alla fine dell'implosione arrivava a 2 miliardi di gradi. Una spiegazione possibile potrebbe essere che la velocità di espansione del vapore di acciaio inossidabile sia più bassa, ritardando così la formazione della "corona" dove potrebbero insorgere instabilità. Come detto in precedenza, i fili mantengono un "nucleo freddo", quindi sono praticamente "filamenti" che si incontrano sull'asse, il cordone di plasma essendo formato negli ultimi momenti dell'implosione. Così, invece di diverse centinaia di km al secondo, la velocità radiale al momento dell'impatto potrebbe raggiungere i 1000 km/s. Da qui questa crescita di temperatura legata a un... cambiamento di materiale. Domanda aperta.
Al tempo tm queste guaine di plasma si incontrano. Si ottiene così un doppio vantaggio. Questa chiusura permette di creare una "barriera stagna" rispetto al campo magnetico, mentre la non uniformità del mezzo, nel senso azimutale, si oppone all'aumento delle instabilità MHD e mantiene l'assialsimmetria del processo.
Riprendiamo lo schema della tesi di Bavay, dopo averlo rielaborato:
Montaggio Bavay dopo il crowbar
In queste scariche i condensatori si scaricano in circuiti che possiedono un'induttanza. Per chi sa vedere in 3D, queste distribuzioni delle due nappi di corrente viola e rossa hanno la geometria delle curve generatrici di un toro. Sono "una specie di bobine". Quando il tendone "filo + plasma metallico" ha avanzato verso l'asse, chiude ciò che Bavay chiama un "gap". In questo modo, questa "bobina" si trova isolata dal condensatore che l'ha caricata. Si ritrova così il tema del crowbar menzionato in precedenza nel complesso del dossier. Questa corrente elettrica rossa continuerà a...