...MHD는 매우 광범위한 연구 분야이다.
기본 개념의 창시자는 유명한 영국 과학자 마이클 패러데이이다.
MHD는 두 가지 측면을 가진다.
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한편으로는 로런츠 힘 J x B를 통해 유체를 가속할 수 있으며, 이는 MHD 가속기를 가리킨다.
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다른 한편으로는 유체의 운동 에너지, 즉 엔탈피를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이는 MHD 발전기를 가리킨다.
이러한 설비에서 가스 흐름이 속도 V로 횡방향 자기장 B의 자기력선을 가로지를 때, 유도 전기장 V x B가 하전 입자, 자유 전자 또는 이온에 작용한다.
...아주 좋은 책이 존재한다(현재는 과학 도서관에만 있음):
Sutton & Sherman: "Engineering magnetohydrodynamics",
Mac Graw Hill Books Cie, 1967
물리학자와 대학원생을 위한 것이다.
...나는 1964년부터 MHD 분야에서 개인적인 경험을 가지고 있다. 1964년에서 1972년 사이에 마르세유 유체역학 연구소에서 일했다. 이어서 (보다 최근의 연구에 할애된) 축약된 참고문헌:
(1) J.P.Petit: "초음속 비행은 가능한가?" 제8회 국제 MHD 전력 발전 회의. 모스크바 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun: "로런츠 힘 작용에 의한 가스 내 충격파 소거". 제9회 국제 MHD 전력 발전 회의. 쓰쿠바, 일본, 1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit: "초음속 흐름에서 MHD 작용에 의한 충격파 소멸. 준1차원 정상 해석 및 열적 차단". European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit: "초음속 흐름에서 MHD 작용에 의한 충격파 소멸. 2차원 정상 비등엔트로피 해석. 반충격 기준 및 등엔트로피 흐름에 대한 충격관 시뮬레이션". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989
(5) B.Lebrun: "이온화 아르곤 흐름 속에 놓인 날렵한 장애물 주위에 형성되는 충격파 억제의 이론적 접근. 에너지학 박사논문 n° 233. 푸아티에 대학, 프랑스, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit: "로런츠 힘장에 의한 충격파 소멸의 이론적 분석". 국제 MHD 심포지엄, 베이징 1990.
...그 후 나는 천체물리학과 이론 우주론으로 전환했다. 60년대에 우리는 충격관 구동식 고온 풍동에 기반한 단시간 MHD 발전기를 만들었다. 이 장치는 단시간 흐름, 고온 및 고속, 상당히 높은 압력을 생성할 수 있었다. 이것은 저압 풍동이 아니다. 전형적인 매개변수는 다음과 같다:
가스: 아르곤
속도: 2,700 m/s
온도: 10,000°K
압력: 1 bar
전기 전도도: 4000 mkhos/m
...우리는 현재 민간 자금으로 새로운 실험실을 짓고 있다. 2001년 말까지 운영될 것이라고 생각한다. 활동은 다양한 분야를 포괄할 것이다:
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고온 가스 실험
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저온 가스 실험 (대기압에서의 초음속 공기 흐름)
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저압 가스 실험 (시뮬레이션).
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수치 실험.
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수력 실험 (고속 잠수함 모델).
...먼저, 왜 13년의 중단 후에 그러한 활동을 재개하는가? 우리에게 새로운 아이디어가 있기 때문이다. 1975년에 나는 조밀한 공기 속에서 소닉 붐도 난류도 생성하지 않고 초음속 비행이 가능할 수 있다고 상상했다. 나는 그것에 관한 논문을 과학 저널에 발표했다. 당시에는 어리석은 생각처럼 보였다. 1975년에 동료 모리스 비통과 함께 우리는 1테슬라 자석으로 수력 실험을 만들었다. 그러한 B장은 자유 표면 흐름(8cm/s)에서 작은 모델 주위의 물 흐름을 변화시키는 데 필요했다. 모델은 원기둥(직경 7mm)이었다. 실험은 성공적이었고 전면파(유체역학 전문가들은 배가 만드는 파도가 충격파와 매우 유사하다는 것을 안다)는 완전히 소거되었다. 그때 나는 그 아이디어가 언뜻 보이는 것만큼 기발하지 않을 수 있다고 생각했다.
...그 후 10년 동안 모든 것이 매우 어려웠는데, 과학적 관점이 아니라, 말하자면 "정치적 관점"에서였다. 분명히 이 새로운 개념은 UFO 사건과 연결되어 있었다. 가스 실험에서 그러한 "MHD 에어로다인"은 발광 플라스마에 둘러싸일 것이며, 낮은 영역에서는 붉은색, 더 큰 영역에서는 거의 흰색일 것이다. 전극은, 기계가 그것을 갖게 된다면, "창문"처럼 보일 것이다. 게다가 원반형 기계(1975년 "Compte rendu de l'Adadémie des Sciences de Paris"에서 처음 그렇게 명명됨)는 과학적 근거(그리고 고전 유체역학 근거와 다소 다를 수 있는 MHD 근거)에서 최적이었으므로, 과학계는 과학적 근거가 완벽하게 명확하고 깨끗했음에도 불구하고 그러한 프로젝트에 그다지 열광적이지 않았다.
...나는 1979-1982년에 프랑스 CNES(국립 우주 연구 센터)에서, 그다음 1984-1986년에 CNRS(국립 과학 연구 센터)의 한 실험실에서 연구를 설치하려고 시도했다. 이 두 번째 실험실은 루앙에 있었고, 그 소장은 오늘날 은퇴한 발랑탱 교수였다. CNES를 통해 툴루즈의 프랑스 CERT(기술 연구 센터)에 몇 가지 실험이 설치되었는데, 군대와 긴밀히 연결된 실험실이었다. 약간의 자금이 주어졌지만, 이 두 번의 시도에서 군대는 어리석게도 실험실에 나를 과학 직무에서 쫓아내라고 강요했다. 불행히도 두 경우 모두 관련 인물들의 과학적 배경이 적절하지 않았고 두 곳 모두에서 연구가 실패했다. 많은 돈이 어리석게 낭비되었다. 그래서 1987년에 나는 완전히 포기하기로 결정했다. 그런데 아주 최근에 새로운 아이디어가 나를 이 분야로 복귀하도록 부추겼다. 경험상 프랑스 기관과 어떤 협력이 시작되면 군대가 예전에 여러 번 그랬듯이 상황을 즉시 망칠 것임을 알고 있었다. 그래서 우리는 우리 자신의 힘과 자원으로 재시작하기로 결정했다. 어리석어 보일 수 있다. 하지만 내가 보기에 이 모든 연구는 구식 자재로 운영될 수 있다. 게다가 전자제품과 컴퓨터의 가격은 20년 동안 상당히 낮아졌다. 이제 은퇴한 많은 아주 좋은 연구자들이 우리에게 합류했다. 그래서 우리는 프랑스 남부에 실험실을 세우기로 결정했다. 현재 우리는 구식 시스템(콘덴서 뱅크, 다양한 전압의 전원 장치, 저압 및 고압, 이그니트론, 클라이스트론, 광학 장치 등)을 수집하여 저장하고 있다. 필요한 모든 것을 갖추게 되면, 곧, 그러기를 바라며, 행동에 나설 것이다.
...이제 몇 가지 새로운 아이디어를 살펴보자.
... 거기를 클릭하면 1975년에 발표된 아카데미 과학 회보에 실린 노트를 읽을 수 있다. 프랑스어를 읽지 못한다면 간단한 설명을 덧붙인다. 다음은 처음 세 개의 삽화이다. 그림 1은 적도 솔레노이드가 있는 원반형 기계로, 그 교류 전류가 교번 자기장을 만든다. 이것은 (맥스웰 씨 덕분에) 원형 유도 전류를 만들려는 유도 전기장 E'를 만든다. 이 전류 J'를 자기장의 순간 값과 결합하면 (홀 효과는 무시할 수 있는 것으로 간주됨) 시간 의존적 방사형 힘 J' x B의 시스템을 얻는데, 이는 교대로 바깥쪽으로 그리고 중심을 향한다. 그래서 아이디어는 다음과 같았다. 원반 근처에서 시간적으로 제어되는 비정상 이온화를 만들 수 있다고 가정하면, 원반 상단에서는 방사형 원심력이 존재할 때, 원반형 기계 하단에서는 이 힘이 반전될 때 방사형 구심력을 사용하여 유체에 작용할 수 있다.
...다음 그림은 우리의 원반형 기계 주위에서 예상되는 유도 가스 흐름이다:
...계산에 따르면 흡입 효과는 매우 강할 수 있으며, 기계의 정체점(기계는 축을 따라 움직인다)에서 충격파 형성을 소거할 만큼 충분히 강할 수 있다. 기술적 문제는 벽 근처의 이온화를 시간적으로 변조하는 것이었다. 우리는 처음에 "늑대 덫"처럼 보이는 장치를 상상했다:
...벽에 "작은 크기"의 원뿔형 구멍을 상상하고, 그 축을 따라 "핀"을 상상하라. 원뿔-평면 접합부에 원형 전극(양극)이 있다. 중앙 전극(핀 같은)은 음으로 대전된다. 그러면 위에 보인 것처럼 주변 공기에 전기 방전이 형성된다. 이 전기 방전과 연관된 후속 자기장은 자유 전자를 밀어내고 그들에게 에너지를 주는 경향이 있다. 우리는 그것이 공기 중에 수명이 짧은 음이온을 생성하여 그러한 이온의 수명 동안 MHD 상호작용을 가능하게 할 수 있다고 생각했다. 잘 갖춰진 실험실이라면 그러한 연구가 수행될 수 있었겠지만 우리에게는 없었다. 1973년부터 나는 천문대에 있었는데, 그곳은 플라스마 물리 실험을 수행하기에 최적의 장소가 아니다.
...어쨌든 70년대 말에 기계의 흥미로운 측면이 발견되었다. 훌륭한 플라스마 전문가들은 자기 압력이 전기 방전을 날려버리는 경향이 있다는 것을 안다. 우리는 저압 공기 실험에서 그것을 경험했다. 해결책은 빠르게 발견되었다. 최대값이 대칭면에 있는 B장(단일 적도 코일로 생성됨)을 만드는 대신, 다음 그림처럼 큰 것 하나와 작은 것 둘, 세 개를 사용하기로 결정했다:
...왼쪽: 기계의 축. 위와 오른쪽: 세 코일의 개략적 배치로, 전류가 흘러 들어가는 방식을 보여준다. 그림에는 자기력선이 있다. 최대 B 표면이 원뿔의 일부(두 코일의 원을 포함)에 가깝다는 것을 알 수 있다. 회색 영역: 플라스마가 놓이는 경향이 있는 가둠 부피. 실험적으로 즉각적인 성공이었다. 그러면 MHD 상호작용을 최적화하기 위해 기계의 벽은 자기력선에 직교해야 한다. 마지막으로, 이것은 유도 현상과 펄스 이온화를 사용하여 MHD 근거에서 최적화된, 우리의 전극 없는 MHD 에어로다인의 전형적인 모습이다:
...과학계, 군대, 정치인 등과 문제가 생긴 이유를 알 수 있을 것이다.
...단시간 이온화는 관리하기 어려웠다.
저온 가스 MHD 실험.
...하지만 최근에 새로운 아이디어가 떠올랐고, 다음 그림에 요약되어 있다:
...모델의 벽은 테플론으로 만들어졌다. 두 개의 테플론 껍질에는 코일(적도 코일과 두 개의 "가둠 코일")이 내장되어 있다. 두 개의 클라이스트론이 두 개의 분리된 도파관에 연결되어 사용될 것이다. 이 두 개가 그림에 나와 있다. 그것들은 동축 황동 원통이다. 하나가 작동 중일 때 두 번째는 꺼져 있고, 그 반대도 마찬가지다. 뒤섞인 얇은 황동 박판(빨간색)이 확산기 역할을 하여 마이크로파를 분사한다. 대칭면에 위치한 황동 판은 공기를 이온화하는 데 사용되는 마이크로파가 기계의 반대편으로 가는 것을 막는다. 다음 그림에서 우리는 마이크로파가 중앙 채널을 따라 흐르고, 상단 부분에서 얇게 뒤섞인 황동 박판에 의해 확산되고, 테플론을 통과한 다음, 얇은 이온화 공기층을 만드는 모델을 보여준다. 3GHz 마이크로파는 대기압 공기를 이온화하는 데 최적이며, 이온화된 가스는 마이크로파를 흡수한다. 그렇기 때문에 이온화는 얇은 층에 국한될 것이다.
..그러한 장치로 원반형 모델 근처에서 시간 의존적 이온화 상태를 만드는 것은 비교적 간단해 보인다. 세 코일의 교류 전류를 동기화하는 것도 간단하다. 그래서 그러한 모델은 바로 앞의 공기를 매우 강하게 흡입할 수 있다. 물론 자기장의 세기에 달려 있다(MHD 상호작용 매개변수가 충분히 강해야 한다). 오랜 시간 동안 충격파를 소거할 필요는 없다. 단시간 풍동에서 단시간 시험만 운영할 수 있다. 우리는 그것을 만들어야 할 것이다. 개략적으로, 이 풍동은 큰 진공 탱크에 기반하며, 각 시험마다 그 내용물은 강력한 진공 펌프(이미 가지고 있음)에 의해 제거된다. 왼쪽: 초음속 채널. 채널과 탱크 사이: 마일라 멤브레인. 펌프가 탱크의 압력을 충분히 낮추면 멤브레인이 파열된다. 흐름의 전형적인 지속 시간: 수십 분의 1초.
...이 단순한 아이디어는 MHD 연구를 재개하기로 결정할 만큼 충분히 흥미진진했다. 다음 이미지: 원반형 모델의 또 다른 모습:
...다음: "수동적" 모델 주위에서 예상되는 가스 흐름. 충격파 시스템.
다음: 로런츠 힘 작용에 의한 충격파 소거 후의 흐름:
...우리는 "MHD 수중익선", 즉 고속 잠수함에 대한 실험을 계획했다.
고온 가스 MHD 실험.
...실험실에는 충격 구동식 풍동(소위 충격관)이 건설될 것이다. 다음 그림은 MHD 설비의 개략도이다.
..다음 그림: 설비의 MHD 부분.
...다음 이미지는 두 코일과 MHD 채널을 보여준다:
...이러한 설비에서 1967년 마르세유 유체역학 연구소에서 플라스마 가속이 성공적으로 운영되어 초음속 흐름을 제어하는 로런츠 힘의 효율성을 입증했다. 입구 속도(순수 아르곤, 1 bar, 10,000°K): 2750 m/s. 출구 속도: 8000 m/s !!
다음은 1987년에 계획된 실험에서 초음속 풍동 내 평판 날개 모델의 위치이다:
...베르트랑 르브룅의 박사논문(1987), European Jr of Mechanics 게재 논문, 그리고 두 번의 국제 MHD 회의(쓰쿠바, 1987, 베이징, 1990) 발표는 충격 구동식 풍동에서 제공되는 고온 아르곤 흐름(10,000°K)에서 전면 충격파 소거에 초점을 맞추었다. 오늘날 우리는 이 핵심 실험을 설치하려고 한다. 개략적으로, 일종의 "날개"(2차원 흐름) 앞부분에 부착 충격이 존재한다는 것은 레이저 간섭계(1965년 마르세유 유체역학 연구소에서 개발됨)로 입증될 수 있다. 오른쪽은 이 고온 아르곤 흐름에서 전면 충격이 소거될 때 얻을 것으로 예상하는 사진이다.
...이제 우리가 저온 가스에서 작동할 (이론적) 가능성을 가지고 있으므로, 고온 아르곤에서의 이 실험은 불필요해 보일 수 있다. 하지만 우리는 이 두 목표를 "병행 연구"로 다루는 것을 선호한다.