MHD6 시작
...주방용 냄비 크기의 이 장치는 음극과 양극을 포함한 캐비티로, 음극은 수은으로 이루어진 연못 형태를 하고 있다. 양극과 음극 사이에는 진공이 존재한다. 즉, 주변 온도에서 포화된 수은 증기로 가득 찬 공간으로, 전기 전도성이 너무 낮아 전류가 흐르지 못하며, 전극은 5kV의 전압에 걸려 있다. '트리거'는 수은 표면 근처에 위치한 작은 전극이다. 이 전극과 수은-음극 사이에 방전을 유도하면 수은이 증발하고, 그 증기가 캐비티를 가득 채우게 되어 전기 아크가 흐를 수 있게 된다. 마치 밀폐된 번개와 같다. 방전이 시작되면, 구리 도체 내에서 저항으로 인한 줄리 열에 의해 커패시터의 에너지가 소진될 때까지 방전이 지속된다. 이후 수은 증기가 응축되고, 이는 다시 새로운 시험을 위한 준비 상태가 된다. 맥주 캔 크기의 두 번째 인지트론만으로도, 시험용 모형 전극에 전류를 적절한 시점에 유도하는 데 충분하다.
...다음은 운영 제어의 도면이다:
...1965년 당시 이와 같은 실험의 주요 비용은 전자 장비와 데이터 기록이었다. 물론 그 시절에는 마이크로컴퓨터가 존재하지 않았다. 당시 가장 성능이 뛰어난 오실로스코프(미국 테크트로닉스사의 진공관식)의 대역폭은 오늘날 보면 웃기게도 1메가헤르츠에 불과했다. 그러나 그 시절 단일 장비 가격은 4만 프랑에 달했다. 오늘날 동일한 성능을 갖춘 장비는 비용을 10분의 1로 줄일 수 있다.
오실로스코프 화면에 나타나는 자국은 폴라로이드 필름에 사진 촬영되었다. 오늘날에는 이러한 실험 매개변수의 전체 입력을 저가형 마이크로컴퓨터와 특수 카드를 통해 처리할 수 있다.
...풍동의 매개변수 기록은 매우 간단했다. 벽면에 약간의 전압을 걸어준 작은 바늘 쌍을 배치하기만 하면 되었다. 바늘 사이 거리는 1밀리미터였고, 아르곤 가스가 희박한 상태에서 전류가 흐르지 않도록 전압은 낮게 유지되었다. 그러나 충격파가 지나갈 때, 단순히 충격파 바로 뒤의 아르곤이 1만 도에 달하는 고온 상태가 되는 것만으로도 신호를 얻을 수 있었다. 두 개의 이온화 탐지기(10~20cm 간격)를 노즐 상류에 배치하고, 이들의 신호를 이중 트레이스 오실로스코프로 기록하면 충격파의 속도를 측정할 수 있으며, 이를 바탕으로 온도, 압력, 이온화도, 전기 전도성 등 모든 가스역학적 매개변수를 계산해낼 수 있다. 추가적인 측정을 위해 다른 오실로스코프도 필요했다. 고압 캐비티의 방전 장치 및 일반적으로 전기 스위칭 장치에서 발생하는 강한 간섭 신호로부터 이 오실로스코프를 보호하기 위해, 케이블로 연결된 코액시얼 케이블을 사용하여 파라데이 케이지 안에 설치하였고, 실험자들도 이 케이지 내부에 함께 있었다.
...이제 우리가 1975~1980년대에 개발한 이론의 타당성을 검증하기 위한 실험 장치의 설명을 제시한다. 이 이론은 초음속으로 움직이는 물체가 충격파를 생성하지 않고 가스 내에서 진화할 수 있는 가능성에 관한 것이다. 이제 이러한 충격파의 소멸을 어떻게 확인할지 논의해보자. 전통적이고 검증된 방법을 사용할 수 있다. 두 빛줄기를 간섭시켜 수평선을 형성하는 방식이다. 하나는 시험 유동을 통과하고, 다른 하나는 외부를 통과한다. 충격파는 기체 밀도의 급격한 변화를 나타내며, 이는 굴절률의 변화로 나타난다. 따라서 충격파는 전통적으로 이 방법으로 확인된다. 왼쪽은 날개의 전면 가장자리에 붙어 있는 경사 충격파로 인해 발생하는 '프레임 점프'의 전형적인 모습이다. 오른쪽은 동일한 이미지지만, 충격파가 소멸된 상태이다.
...1만 도의 아르곤 플라즈마는 상당히 밝기 때문에, 더 강한 빛을 내는 헬륨-네온 레이저를 사용할 것이다.
...1980년대 후반, 나는 르브룅과 함께 이 실험의 모든 매개변수를 계산했으며, 이는 CNRS가 재정 지원한 박사학위 논문의 일부였다. 나는 이 실험이 처음부터 성공할 것이라 확신한다. 왜냐하면 이전에 실험실의 충격관에서 시도했던 모든 MHD 실험들이 처음부터 성공했기 때문이다. 특히 1966년의 한 실험을 기억한다(미래 문서에서 언급할 것). 그 실험의 목적은 전자 온도(1만 도)가 시험 가스 온도(6000도)보다 훨씬 높은 '이온화 온도 차' 상태에서 MHD 발전기를 작동시키는 것이었다. 당시의 주요 장애물은 '벨리코프 불안정성'이었으며, 이로 인해 여러 나라에서 진행된 MHD 연구들이 무산되었다. 그러나 이 문제를 회피할 수 있는 한 가지 기술적 솔루션이 있었고, 실험은 처음부터 성공했다. 나는 그 결과를 1967년 바르샤바에서 열린 국제 회의에 발표했다. 그러나 그 실험실 내 악화된 분위기로 인해 나는 이 연구를 포기하고 천문학으로 전향해야 했다. 내 학생인 장폴 카레사(이름은 원문과 다름)는 이 연구 주제를 계승하여 박사 논문을 완성했다(물론 그는 벨리코프의 이온화 불안정성의 미묘한 점을 전혀 이해하지 못했지만, 이 불안정성의 소멸이 실험의 핵심이라는 사실은 알고 있었다). 그 결과 그는 워딩턴상을 수상하게 되었고, 이후 메도른 항공열역학 연구소 소장, 그리고 프로방스-알프스-코트다쥐르 지역 CNRS 지역 책임자로 승진했다.
이와 같은 프로젝트가 어떻게 전개되었는가
...1980년대 중반, 나는 CNRS 총재 피에르 파퐁에게 이 연구 주제에 관심을 가질 수 있도록 성공적으로 설득했다. 그는 내 연구를 지지했으며, 물리공학부 책임자인 미셸 콤바노가 이를 후속 조치했다. 당시 나는 마르세유 천문대 소속이었지만, 이와 같은 실험이 실시되기에는 부적절한 장소였다. 콤바노는 루앙의 발렌틴 교수 연구실을 우리를 위한 수용 연구소로 제공해주었다. CNRS가 일부 비용을 지원하고, 군대는 추가 자금을 제공할 예정이었지만, 군부는 곧장 나를 이 연구에서 완전히 배제하라고 요구했다. 그 이유는 과학과 아무 관련이 없었다. CNRS의 지도부가 변경되면서 파퐁과 콤바노의 지지도 사라졌다. 르브룅의 장학금이 소진되자, 그가 연구를 계속할 수 있도록 아무런 조치도 취해지지 않았다.
...루앙 팀은 MHD에 전혀 경험이 없었지만(오래된 충격관은 있었음), 오류를 계속 누적했다. 결국 자금은 결과 없이 낭비되었고(이들이 만든 MHD 노즐과 고전력 전기 설치는 모두 차례로 폭발함), 실험은 실패했다.
...이 모든 것은 매우 안타까운 일이다. 곧 가까운 미래에, 이와 같은 비교적 간단한 실험을 수행할 수 있도록 필요한 이론적·실험적 자료를 모두 CD-ROM에 담아 공개할 것이다. 현재의 설명은 간략하지만, 전자 장비 비용이 크게 낮아졌다는 점을 감안하면, 이러한 연구는 어느 정도 수준의 외국 대학 공과대학이나 이차급 대학 물리학과에서도 수행 가능하다. 그러나 나는 프랑스에서 이러한 활동이 성장할 가능성은 거의 없다고 생각한다. 민간 연구는 종종(특히 이 분야에서는) 군부의 통제 하에 있기 때문이다.
...군부가 이를 독점하고자 한다고 생각할 수 있지만, 사실은 그렇지 않다. 조사 결과, 내가 1986년에 포기한 지 14년 후에도 '군용 MHD'는 여전히 전혀 존재하지 않았다는 것이 밝혀졌다.
...만약 이 실험이 성공했다면, 우리는 이후 공기(대기압 상태)에서의 차가운 가스 실험을 고려했을 것이다. 흥미로운 실험 중 하나는 1975년에 수력학적으로 성공한 원통 뒤의 난류 소멸 실험이다. 그러나 1979년, 툴루즈의 'GEPAN' 팀이 인간적으로 불쾌한 조건에서 이 실험을 완전히 실패시켰다.
...이제 위에서 언급한 원통형 MHD 장치의 도면으로 돌아가보자.
...이전에 우리는 이 장치를 사용하여 물체 앞의 전파를 제거하는 방법을 설명했다. 그러나 상호작용 매개변수를 더 낮게 제한하면, 정지된 유체 내에서도 흥미로운 유동을 유도할 수 있다.
...당시 이 유동은 색깔이 칠해진 실로 확인되었다(사소한 이야기지만, 동료이자 친구인 우주천문학자 모리스 비통의 주방에서 16mm 필름을 촬영했다는 점).
...중간 속도의 유체 흐름에 위치한 이 모형은 일반적으로 원통의 생성선이 흐름 방향과 수직일 때 발생하는 강한 난류 형성된 뒷유동을 완전히 제거할 수 있다. 따라서 나는 1979년부터, 대기압 공기에서 비음속 상태로 실험할 때, 벽면에 단순한 마이크로폰을 배치하여 난류(소음)의 소멸을 확인해보는 시도를 하였다. 이 실험의 원리는 간단했다. 두 측면 솔레노이드는 지속적으로 수천 가우스의 자기장을 제공할 수 있었으며, 충분한 수준이었다. 다만 모형 주변의 이온화 문제를 해결해야 했다.
...1979년 GEPAN에 제출한 보고서 '마그네토하이드로다이내믹스의 전망'에서 이 실험의 원리를 설명했다. 나는 3기가헤르츠의 마이크로파를 사용하여 필요한 이온화를 유도하자고 제안했다. 그러나 이 사람들은 내 무지 속에, 매우 고출력의 고주파 소스(500헤르츠 펄스, 피크 전력 1메가와트)를 사용해 실험을 진행했다.
...마이크로파는 10cm × 10cm 크기의 큰 파이프를 통해 캐비티 측면으로 유입되었고, 테플론(PTFE) 창을 통해 나왔다.
...이 프로젝트를 담당한 엔지니어 베르나르 자폴리는 당시 GEPAN 책임자 알랭 에스테르레의 직접 지휘 아래 있었다. 그는 이 횡방향 마이크로파 주입을 통해 모형 근처의 전체 유동을 이온화할 수 있을 것이라 생각했다. 그러나 고주파에 의한 이온화 현상에 대해 전혀 몰랐기 때문에, 그는 예상치 못한 결과를 얻게 되었다. 이온화는 일어났지만, 테플론 창과 접촉하는 몇 밀리미터의 가스에만 국한되었다.
...이온화가 발생한다는 것은 플라즈마가 생긴다는 뜻이다. 그러나 플라즈마는 전자기파에 매우 우수한 차폐 효과를 갖는다는 것이 잘 알려져 있다. 그렇지 않다면, 우주 비행사가 대기권 재진입 중에도 무선 통신이 자유롭게 가능했을 것이다.
...이 친구가 그때 내 도움을 요청했다면 얼마나 좋았을까. 나는 한 번에 해결할 수 있었을 것이다. 과연 어디에 이온화를 해야 할까? 모형 주변이다. 따라서 그의 해결책은 고주파를 모형 내부(예: 배관공이 사용하는 단순한 PVC 파이프)로 유입하는 것이었다. 가까운 약국에서 구입한 두 개의 철 봉을 사용하면 마이크로파가 효과적으로 확산되었을 것이며, 이는 모형과 접촉하는 공기와 상호작용하여 모형 주변에 균일한 이온화된 가스 캡슐을 형성할 수 있었다.
...이 실험은 아마도 처음 시도에서 성공했을 것이며, 나의 연구 생애 동안 시도한 모든 실험처럼 말이다.