MHD 및 초음속 비행, 패러데이 발전기

2003년 6월 10일, 수파에로에서 발표된 강연

MHD 및 초음속 비행

J.P. 페티

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프랑스에서의 MHD 역사 요약

MHD(자기유체역학)의 발명자는 영국인 마이클 패러데이이다. 이 분야는 두 가지 측면을 포함한다.

• MHD 가속기: 라플라스 힘(영어로는 로렌츠 힘) J × B를 이용해 유체를 움직이는 기술
• MHD 발전기: 흐르는 유체의 운동 에너지를 전기로 변환하는 기술

패러데이는 이 두 가지 원리를 실험했다. 두 경우 모두 그는 선형 변환기(컨버터)를 사용했으며, 이 변환기는 그의 이름을 따서 '패러데이 변환기'라 불린다. 간단히 말해, 선형 변환기는 전극(전류 분포를 개선하기 위해 분할된)을 갖춘 노즐과, 횡방향 자기장을 생성하는 코일로 구성된다. 장치의 축, 자기장 방향, 그리고 전극이 생성하는 전기장 방향은 서로 직각을 이루는 삼차원을 이룬다.

패러데이 변환기

1960년대 초, 영국인들이 MHD를 이용한 전력 생산(회전 부품 없이 '직접 변환')을 처음으로 고려했다. 이론적으로는 매우 간단해 보인다. 유체가 속도 V로 노즐을 통과하며 자기장 B의 자기선을 가로지른다. 그 결과 전기운동력 V × B가 발생하고, 이는 전류 J(단위 면적당 전류 밀도, A/m²)를 유도한다. 이 전류는 전극에 수집되어 부하 저항에 연결된다. 이러한 MHD 발전기는 여러 가지 장점을 지녔다. 매우 빠르게 구현 가능했으며, 기존 가스 터빈의 효율 한계인 카르노 효율(약 40%)을 넘을 수 있었다. 이론적으로는 '이론상' 60%에 가까운 전체 효율을 기대할 수 있었다. 만약 이 기계들이 실제로 작동했다면, 동일한 화석 연료로도 전기 에너지를 50% 더 얻을 수 있었을 것이다.

하지만 기체는 전기 전도성이 매우 낮다. 수소화합물 연소로 생성된 가스 혼합물을 생각해보자. 이 성분들은 이온화 전위를 갖지만, 기술적으로 가능한 최고 온도에서도 전도도는 여전히 낮다. 가스의 엔탈피 중 거의 대부분은 줄어들지 않고, 줄어들지 않은 열은 저항으로 인한 줄리 열로 소산된다.

따라서 가스의 전도도를 높이기 위해 이온화 전위가 낮은 물질, 주로 알칼리 금속을 첨가하는 방안을 고려했다. 이 전도도 향상 문제는 너무 중요해, 가장 쉽게 이온화 가능한 물질인 세슘을 사용하는 방안이 처음부터 제안되었다. 따라서 초기 MHD 변환 실험은 수소화합물 연소실 뒤에 패러데이 선형 발전기를 설치하여 진행되었다. 그러나 실험 결과는 실망스러웠다. 약 3000도의 온도가 필요했으며, 이는 백열등 필라멘트의 온도와 비슷했다. 연구는 재료의 내열성(벽과 전극)에 집중되었다. 1960년대 초반, 실험 도중 전극이 폭발하거나 내열 보호판이 파손되는 것은 흔한 일이었다. 이러한 '개방형 사이클' 연구는 전 세계 수많은 연구소에서 1960년대 동안 지속되었다. 프랑스에서는 모레-수르-루아인 근처의 레나르디에르 연구소에 있는 EDF, 프랑스 석유연구소, 그리고 CGE(일반 전기 회사)가 참여했다. 국제적인 민간 MHD 연구는 5000명 이상의 연구자들이 전 세계 수십 개의 연구소에 흩어져 진행되었다. 실패로 인해 연구는 점차 중단되었다. 소련은 1970년대 중반까지 이 연구를 끝까지 이어갔으며, 모스크바 근처에 설치된 실험용 발전기 'U-25'를 운영했다.

소련의 MHD 발전기 U-25. 전면에는 전자석이 있다.

U-25 발전기의 놀라운 크기의 유동 경로. 전극은 오른쪽과 왼쪽에 있다.

다른 접근 방식도 빠르게 제안되었다. 이는 '열역학적 평형에서 벗어난 전기 전도'라 불리는 것으로, 전자 온도 Te가 기체 온도 Tg보다 높은 상태를 말한다. 이 현상은 네온 튜브에서 관찰된다. 기본 아이디어는 다음과 같다. 네온 튜브 내에서 전극이 생성한 전기장 E는 자유 전자를 평균 자유 경로(중성 원자나 이온과의 충돌 사이)를 따라 가속시킨다. 만약 자유 경로가 충분히 길면 전자가 원자 이온화 에너지 Ei에 도달할 수 있다. 충돌 시 전자 ' avalanching'(폭발적 증폭)이 발생한다. 전류가 흐르면서 튜브 내부는 이온화된 상태가 된다. 반대로, 이온은 비교적 느린 자유 전자를 끌어당기며 방사 이온화를 유도한다.

나는 이미 내 웹사이트에 MHD에 관한 두 개의 일반적인 설명 자료를 게재했다. 이 문서의 후속 내용에서는 링크를 통해 이 자료들을 참조할 것이다.

1964년(영국 뉴캐슬에서 열린 컨퍼런스에서), 젊은 러시아 연구자 베리크호프는 전자 이온화 불안정성의 급격한(몇 밀리초 내외) 발생을 예측했다. 이 현상의 이론은 직관에 반하는 복잡한 메커니즘이다. 1960년대의 수치 시뮬레이션은 당시 가장 고성능 시스템을 필요로 했으며, 이 이미지들은 소련에서 나왔다. 전류선이 특정 지역에서 수축되는 방식으로 불안정성이 어떻게 발전하는지 보여준다. 국부적인 전류 밀도 J 증가로 인해 기체가 이온화되며, 전기 전도도가 높은 층과 낮은 층이 번갈아 나타나는 구조가 형성된다.

패러데이 변환기 내 전기열 불안정성의 진화 (1968)

이 불안정성은 누구도 해결할 수 없었으며, 세계의 민간 MHD 연구 전반을 붕괴시켰다(수십 개 연구소, 5000명의 연구자). 1960년대 후반 유럽에서는 연구가 이미 종결되었다. 모든 팀이 해체되었으며, 1966년부터 1970년까지 마르세유 유체역학 연구소에서 유일한 성공 사례를 제외하고는 아무런 성과 없이 끝났다. 두 가지 주목할 만한 결과가 있었다.

• 1967년, 7차 국제 바르샤바 회의에서, 비평형 상태에서 이온화 불안정성에 대해 안정적인 MHD 발전기의 최초 작동 성공. 기체 온도: 6000도, 전자 온도: 10,000도, 출력: 2메가와트. 전류 밀도는 4000도까지 유지됨.

• 아르곤 플라즈마 가속. 입력 조건: 압력 1기압, 속도 2700m/s, 온도 10,000도, 전기 전도도 3000mho/m, 자기장 2테슬라. 노즐 길이(패러데이 유형 가속기): 10cm, 출구 속도 8000m/s. 마르세유 유체역학 연구소 MHD 실험실, 베르나르 포르티에의 박사 논문.

이 두 성과는 당시에 전혀 주목받지 못했다. 내 책에서 언급했듯이, 미국은 1970년대 중반에 MHD의 군사적 잠재력을 발견했다. 이후 그들은 '에어 51'과 같은 여러 비밀 연구소에서 매우 심도 있는 연구를 진행했다. 1980년 미국의 초고속 MHD 어뢰는 2000km/h에 도달했다. 소련도 유사한 장비를 보유하고 있으며, 지름 1미터(코드명: '거대함')이다. 이 장비와 소련이 중국에 판매하려 했던 계획, 그리고 쿠르스크 호의 침몰 사이에 직접적인 연결이 있다는 점을 설명하는 문서를 게시할 예정이다.

미국은 빠르게 초음속 비행을 위한 연구에 집중했다. 소련도 유사한 프로젝트 '아작스'를 추진했지만, 자금 부족으로 실패했다. 이 연구는 매우 비밀스럽게 진행되었다. 1986년, 버클리 대학교 플라즈마 물리학 연구소의 썬클 교수에게서, 이 프로그램의 일부가 캘리포니아의 로렌스 리버모어 연구소와 앨버커키 근처의 샌디아 연구소에서 운영되고 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 연구는 빠르게 중요한 성과를 거두었으며, 미국은 이 '블랙 프로그램'에 마나탄과 아폴로 프로젝트와 비슷한 규모의 자금과 노력이 투입되었다. 차이점은 이 연구가 완전히 비밀리에 진행되었다는 점이다. 미국은 단순히 연구의 존재를 숨기는 것을 넘어서, 정보 왜곡을 일삼았다. 대단히 명백하게 미국은 민간 MHD 연구를 의도적으로 무너뜨렸다. 계약 없음, 박사 과정 없음, 수업 없음. 중요한 학문 분야가 완전히 무시되며, '잊혀진' 상태에 빠졌다(프랑스에서는 아무도 신경 쓰지 않았다). 서구 전반은 이 함정에 빠졌으며, '미국이 이 분야에서 연구를 포기했다면, 의미가 없을 것이다'라고 생각했다. 유럽에서는 오직 나만이 10년간 연구를 시작하려는 노력을 계속했다, 하지만 1987년 결국 포기했다.

2003년 1월에 출간된 내 책을 통해 세 가지 장비의 존재를 공개했다.

• 1980년부터 미국과 소련에서 작동 중인 초고속 MHD 어뢰.

• 1990년부터 작동 중인 미국의 스파이기, 고도 80km, 속도 10,000km/h, 위성화 가능(서-71, 마하 3, 박물관에 전시된 기체의 후속기).

• 1987년부터 작동 중인 미국의 '반대편 폭격기', 실제로는 진짜 B-2이며, 공개된 기체는 모두 조작된 모형이다. 자세한 내용은 자료 참조.

이러한 발표가 프랑스 항공계에서는 여전히 회의적으로 받아들여지고 있음을 알고 있다. 내 책은 프랑스 MHD 계획의 탄생을 이끌었다(프랑스 MHD 계획). 처음에는 매우 비현실적으로 보인다. CNRS가 15년간 자체 연구를 무시한 상태에서, 오히려 러시아 전문가(파동 항력 감소 분야의 선구자로 소개됨)를 찾아야 한다는 것은 얼마나 비현실적인가? 나에게 '미국을 따라잡기 위해 무엇을 해야 하는가'라고 묻는 사람에게 나는 이렇게 답한다:

- 30년간 최고 수준의 1,000명의 연구자와 기술자

유럽의 MHD 상황은, 우주 산업을 개발하지 못한 나라가 다른 나라가 지속적인 우주 정거장과 달에 착륙했다는 사실을 알게 되고, 갑자기 '루지에리 회사'에게 도움을 요청하는 것과 같다. 또는 프랑스에 비행기가 없다고 가정하고, 누군가가 말한다:

- 이 '비행기'의 사진을 보면 앞부분이 TGV의 앞부분과 비슷하다. 내 친구는 고속철도의 공기역학 문제를 다루는 SNCF 소속이다. 이 사람을 항공 계획의 책임자로 임명하자.

웃지 마라. 정확히 그게 현실이다. 나는 이 주장이 진지하게 받아들여지기까지 수년이 걸릴 것이라 예상한다(이미 너무 늦었지만). 나는 MHD 교육이 실제로 문제에 걸맞은 수준으로, 수파에로나 다른 그랜드 에꼴, 대학의 DEAs에 등장하지 않을 것이라 추측한다. 최근 스위스의 한 사람이, 라우사네 공과대학의 사람들에게 관심을 끌 수 있는 강연을 하기 위해 초대했다. 몇 명의 연구자로 구성된 MHD 연구소 설립이 가능할 것이라 제안했다. 나는 웃었다. 마치 말하는 듯한 기분이었다:

- 루지에리 회사 사람들이, 그들의 화약 폭죽 로켓으로 고고도 장비를 운반할 수 있을지도 모른다고 말했다. 일부는 큰 지름의 로켓 설계에 나설 수도 있다고 했다.

나는 66세이며 퇴직했다. 25년 동안 MHD가 매우 중요하다고 말해왔다. 그러나 아무도 믿지 않았고, 더 나쁜 것은, 많은 사람들이 정당한 이유로, 충격파 제거 실험이 성공하면 UFO 문제에 신뢰를 주는 것이라고 생각했다. 2003년 초에 출간된 에어 앤 코스모스의 기사와 수파에로의 지도부 및 교수진이 나에게 보여준 무관심은, 다시 이런 싸움에 나서고 싶다는 생각을 하게 하지 않는다. 더 나쁜 것은, 현재 프랑스 MHD 계획이 25년의 지연과 막대한 실수(1980년대 초, 국립항공대학, 투울루의 CERT 및 DERMO가 직접 관련된 사례 포함)를 초래한 같은 무능한 사람들에 의해 주도되고 있다는 사실을 알게 되는 것이 참을 수 없다. CNRS의 현 지도자나 클로디에 하이네르에(연구 및 기술 장관)가 무엇을 기대할 수 있겠는가? 젊은 학생들의 열정은 이런 멍청한 정체성에 아무런 영향을 주지 못한다. '작은 시작'은 유럽 차원에서도 아무런 의미가 없다. 내 태도는 한 단어로 요약할 수 있다: 무심함. 알빈 미셸 출판사에서 출간한 책 '악마의 자식들'은 카산드라 신화를 언급하며 시작한다. 20년이 지난 지금, 상황은 여전히 같다. 저항하는 이유가 무엇인가? 의미 없다. 프랑스에서는 정체성에 더해, 폴리테크닉 학교 중심의 집단주의, 자만심, 단기적 사고, 그리고 우스운 비판적 태도가 존재한다.

이 사실을 알고 있다면, 더 이상 할 일은 없으며, 취해진 조치의 부적절함, 배치된 사람들의 무능함, 그리고 어떤 예산이 투입되더라도 반드시 실패할 것이라는 점을 생각하며 웃을 뿐이다. 이는 단순히 필수 지식 부족 때문이 아니라, 초음속 비행을 가능하게 하는 몇 가지 비밀을 아는 사람만이 알고 있는 사실 때문이기도 하다.

2003년 6월 10일, 수파에로 학생들(교수진이 아닌)의 초청으로 강연을 하였다. 나는 그 자리에 참석했다. 이제 이 강연의 내용을 기록으로 남기고자 한다. 이 글은 이제 일반 대중보다는 그랜드 에꼴의 학생들을 향한 톤으로 작성된다.

이제 시작하기 전에, MHD가 세계 곳곳의 과학 및 기술 활동에 필연적으로 침투할 것이라는 점을 강조하고자 한다. 이 모든 것은 초전도체의 발전과 밀접한 관련이 있다. 실제로, 일반적인 테슬라 자기장은 매우 무거웠다. 예를 들어, 1976년에 무레 빠통과 함께 사용한 자석 시스템은 10cm³ 내에서 1테슬라의 일정 자기장을 생성했지만 무게는 200kg이었으며(이로 인해 나는 6개월간 척추 손상으로 병원에 입원했다). 1965년, 내 충격파 튜브에 장착된 2테슬라 자기장을 생성하는 솔레노이드는 몇 밀리초 동안 54,000암페어의 전류를 흘렸다.

1970년대 초, 독일의 민간 시설은 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자기장 장치를 보유하고 있었으며, 4테슬라의 자기장을 생성했다. 이 경우 무거운 것은 솔레노이드가 아니라 냉각 시스템이었다. 이후 두 연구자가 고온 초전도체를 개발하여 액체 질소(약 -190도)에서 작동할 수 있도록 했으며, 기존의 액체 헬륨(-270도)보다 훨씬 높은 온도에서 작동하도록 했다. 당시 여러 사람들은 의견을 제시했다. 연구부 장관이었던 아그린은, 결국 일반 온도에서 작동하는 초전도체를 갖게 될 것이라고 예측하며, 농담 섞어 말했다:

- 언젠가 누군가 전선을 철물점에서 사러 갈 때, 점원이 "정상 전선이요, 초전도 전선이요?"라고 물을 것이다.

나는 즉시 아그린의 의견에 동의했다. 수십 년간 기본 지식의 정체가 있었지만, 기술적 진보는 끊임없이 나타났다. 왜 이 기술이 안 될까? 최대 온도가 존재하고, 그 이상에서는 초전도 현상이 관찰되지 않을 것이라고 단정하는 것은 어리석다. 더 나아가 이 현상은 이론적으로도 잘 이해되지 않았다. 그러나 만약 고온 초전도체가 등장한다면, 산업계와 일반 시민이 얻을 수 있는 막대한 이익에도 불구하고, 이는 즉시 국가 기밀로 지정될 것이다. 전력 소비의 놀라운 절감 효과를 상상해보라. MHD와 그 다양한 응용(초음속 비행뿐 아니라, 스페이스 워 전쟁, 매우 높은 특별 추진력의