주방용 냄비 크기의 이 장치는 음극과 양극을 포함한 캐비티로, 음극은 수은의 연못 형태로 되어 있다. 양극과 음극 사이에는 진공이 존재한다. 즉, 주변 온도에서 포화된 수은 증기로 채워진 공간으로, 전기 전도도가 너무 낮아 전류가 흐르지 못하게 되어 있으며, 전극은 5kV의 전압을 유지하고 있다. '트리거'는 수은 표면 근처에 위치한 작은 전극이다. 이 전극과 수은-음극 사이에 방전이 발생하면 수은이 기화되어 방 안을 가득 채우게 되고, 이로 인해 전기 아크가 흐를 수 있게 된다. 마치 밀폐된 번개와도 같다. 방전이 시작되면, 구리 전도체에서 저항에 의한 열 손실(Joule 열)로 커패시터의 에너지가 소진될 때까지 자가유지된다. 이후 수은 증기는 응축되고, 이로 인해 이그니트론은 다음 시험을 위해 준비된다. 맥주 캔 크기의 두 번째 이그니트론만으로도, 시험용 모형 전극에 전류 흐름을 적절한 시점에 유도하는 데 충분하다.
다음은 운영 제어의 도식이다:
1965년 당시 이와 같은 실험의 주요 비용은 전자기 장비와 데이터 기록이었다. 물론 당시에는 마이크로컴퓨터가 존재하지 않았다. 당시 최고 성능의 오실로스코프(미국 테크트로닉스사의 진공관식 제품)의 대역폭은 오늘날 보면 웃기게도 1메가헤르츠에 불과했다. 그러나 그 시절 단일 장비의 가격은 4만 프랑에 달했다. 오늘날 동일한 성능의 장비는 가격을 10분의 1로 낮출 수 있다.
오실로스코프 화면에 나타나는 자국은 폴라로이드 필름에 사진 촬영되었다. 오늘날에는 저가형 마이크로컴퓨터와 특수 카드만으로도 이러한 실험 파라미터의 전체 수집이 가능하다.
풍동의 파라미터 기록은 매우 간단했다. 벽면에 낮은 전압을 가한 작은 바늘 쌍을 배치하기만 하면 되었다. 바늘 사이의 거리는 1밀리미터였고, 아르곤 가스의 희박한 상태에서 전류가 흐르지 않도록 전압은 낮게 유지되었다. 그러나 충격파가 지나가면, 충격파 바로 뒤의 아르곤이 1만 도에 달하는 고온에 닿게 되어 신호를 생성하게 된다. 두 개의 이온화 탐지기(10~20cm 간격)를 노즐 상류에 배치하고, 이 두 신호를 이중 트레이스 오실로스코프로 기록함으로써 충격파 속도를 측정할 수 있었고, 이를 통해 온도, 압력, 이온화도, 전기 전도도 등 가스역학적 모든 파라미터를 계산할 수 있었다. 보조 측정을 위해 추가적인 오실로스코프도 필요했다. 고압실의 방전기와 일반적으로 전기 스위칭 장치에서 발생하는 강한 간섭을 방지하기 위해, 이 오실로스코프들은 케이블로 코어 케이블로 연결된 방전기 안에 설치된 파라데이 케이지 안에 보관되었으며, 실험자들도 이 케이지 안에 함께 있었다.
이제는 1975~1980년 사이에 개발한 이론의 타당성을 검증하기 위한 실험 장치의 설명을 제시한다. 이 이론은 초음속으로 움직이는 물체가 가스 내에서 충격파 없이 진화할 수 있는 가능성을 다루고 있다. 이후 충격파를 제거하는 방법을 설명해야 한다. 이 경우 전통적이고 검증된 방법을 사용할 수 있다. 실험 흐름을 통과하는 빛과 외부를 통과하는 빛의 간섭을 통해 수평선을 형성하는 것이다. 충격파는 가스 밀도의 급격한 변화를 나타내며, 이는 굴절률의 변화로 나타난다. 따라서 충격파는 전통적으로 이 방법으로 탐지할 수 있다. 왼쪽은 날개의 전방 가장자리에 붙어 있는 경사 충격파로 인해 발생하는 '프레임 점프'의 전형적인 모습이다. 오른쪽은 동일한 이미지지만 충격파가 제거된 상태이다.
1만 도의 아르곤 플라즈마는 충분히 밝으므로, 플라즈마보다 더 밝은 빛을 내는 소형 헬륨-네온 레이저를 사용하면 된다.
1980년대 후반, 나는 르브룅과 함께 이 실험의 모든 파라미터를 계산했으며, 이는 CNRS의 재정 지원을 받은 박사 학위 논문의 일부였다. 나는 이 실험이 첫 시도에서 성공했을 것이라 확신한다. 이는 내가 이전에 충격파 튜브 실험실에서 시도한 모든 MHD 실험들과 마찬가지였다. 특히 1966년의 한 실험(향후 문서에서 언급할 것)은 전자 온도(1만 도)가 실험 가스 온도(6천 도)보다 훨씬 높은 '이온화 온도 차이'를 가진 MHD 발전기의 작동을 목표로 했다. 당시의 난제는 '베리크호프 불안정성'이었으며, 이는 여러 나라에서 MHD 연구의 모든 노력이 무산되게 했다. 그러나 이 난제를 극복할 수 있는 기술적 솔루션을 통해 실험은 첫 시도에서 성공했다. 나는 이 결과를 1967년 바르샤바에서 열린 국제 회의에 발표했다. 그러나 그 실험실의 악성 분위기로 인해 나는 그만두고 천문학자로 전향해야 했다. 내 학생인 장폴 카레사가 이 연구 주제를 이어받아 박사 논문으로 만들었다(물론 그는 베리크호프 이온화 불안정성의 미묘한 점을 전혀 이해하지 못했지만, 이 불안정성의 제거가 실험의 핵심이었다). 이로 인해 그는 워딩턴상을 수상했고, 이후 메도른 항공열역학 연구소 소장, 그리고 프로방스-알프스-코트다쥐르 지역 CNRS 지역 책임자로 승진했다.
이와 같은 프로젝트가 어떻게 결말을 맞이했는지.
1980년대 중반, 나는 CNRS 총재 피에르 파폰에게 이 연구 주제에 관심을 가질 수 있도록 성공적으로 설득했다. 그는 부속관 미셸 콤바르누스(공학 물리학 부서장)를 통해 지지해 주었다. 당시 나는 마르세유 천문대에 근무하고 있었으나, 이와 같은 실험이 수행되기에는 부적합한 장소였다. 콤바르누스는 루앙의 발렌탱 교수 연구실을 우리를 위한 수용소로 제공했다. CNRS는 일부 비용을 지원하기로 했고, 군대는 추가 자금을 제공하기로 되어 있었다. 그러나 군대는 곧 내 실험에서 완전히 배제하도록 요구했으며, 그 이유는 과학과 전혀 무관했다. CNRS의 지도부가 변경되면서 파폰과 콤바르누스의 지지도 사라졌다. 르브룅의 장학금이 소진되자, 그의 연구를 계속할 수 있는 조치는 취해지지 않았다.
루앙 팀은 MHD에 전혀 경험이 없었지만(오래된 충격파 튜브는 있었음), 여러 실수를 반복했다. 결국 자금은 결과 없이 낭비되었고(이들이 만든 MHD 노즐과 전력 장치는 모두 차례로 폭발했다).
이 모든 것은 매우 안타까운 일이다. 곧 이 실험에 필요한 이론적·실험적 모든 요소를 CD-ROM에 담아, 관심 있는 연구소가 이와 같은 상대적으로 간단한 실험을 성공적으로 수행할 수 있도록 하겠다. 현재 설명은 간략하지만, 전자 장비 비용이 크게 낮아진 지금은, 이 연구는 공학대학이나 미국의 2등급 대학 물리학과에서도 수행 가능하다. 그러나 나는 프랑스에서 이러한 활동이 발전할 가능성은 거의 없다고 생각한다. 시민 과학 연구는 종종(특히 이 분야에서는) 군대의 통제 아래에 있다.
그들이 이 분야를 독점하고자 한다고 생각할 수 있지만, 사실은 그렇지 않다. 조사 결과, 14년 후(1986년 나의 퇴출 이후)에도 군용 MHD는 여전히 완전히 존재하지 않았다.
이 실험이 성공했다면, 우리는 이후 대기압의 공기에서의 저온 가스 실험을 고려했을 것이다. 1975년 수력 실험에서 성공한, 원통 뒤의 난류를 제거하는 실험은 흥미로운 사례였다. 1979년 툴루즈의 'GEPAN' 팀이 인간적으로 불쾌한 조건에서 실패한 바 있다.
이제 위에서 언급한 원통형 MHD 장치의 도식으로 다시 돌아가자.
이 장치를 사용해 물체 앞의 전면파를 제거하는 방법을 이미 설명했다. 그러나 상호작용 파라미터를 더 낮게 제한하면, 정지한 유체 내에서도 흥미로운 유동을 유도할 수 있다.
당시 이 유동은 색깔이 칠해진 실로 확인할 수 있었다(소소한 이야기: 내 동료이자 친구인 우주천문학자 모리스 비통의 주방에서 16mm 필름을 촬영했다).
이 모형을 중간 속도의 유체 흐름에 넣으면, 일반적으로 원통의 모서리가 흐름과 수직일 때 발생하는 강한 난류를 완전히 제거할 수 있다. 나는 1979년부터, 공기 중의 음속 실험에서 단순한 마이크로폰을 벽면에 배치해 난류(소음)의 소멸을 직접 확인해 보고자 했다. 이 실험의 원리는 간단했다. 두 개의 측면 솔레노이드는 지속적으로 수천 가우스의 자기장을 제공할 수 있었으며, 충분했다. 문제는 모형 근처의 이온화였다.
1979년 GEPAN에 제출한 보고서 '마그네토하이드로다이내믹스의 전망'에서는 이 실험의 원리가 설명되어 있었다. 나는 3기가헤르츠의 마이크로파를 사용해 필요한 이온화를 유도하자고 제안했다. 그러나 이 사람들은 내 무지 속에서, 매우 높은 출력의 고주파 전원(500헤르츠 펄스, 피크 출력 1메가와트)을 사용해 실험을 진행했다.
마이크로파는 10cm × 10cm 크기의 큰 파이프를 통해 측면에서 노즐로 전달되었으며, 테프론으로 만든 창을 통해 외부로 나왔다.
이 프로젝트를 담당한 엔지니어 베르나르 자폴리는 당시 GEPAN 책임자 알랭 에스테르의 직접 지휘 하에 있었으며, 이 마이크로파의 횡방향 주입을 통해 모형 근처의 전체 유동을 이온화할 수 있을 것이라 생각했다. 그러나 고주파 이온화 현상에 대해 전혀 알지 못했기 때문에, 그는 매우 당황한 결과를 얻었다. 이온화는 일어났지만, 테프론 창에 인접한 몇 밀리미터의 가스에 국한되었다.
이온화는 플라즈마를 의미한다. 그리고 플라즈마는 전자기파에 매우 효과적인 차폐체라는 것은 잘 알려져 있다. 그렇지 않다면 우주비행사가 대기권 재진입 중에도 라디오 통신이 자유롭게 가능했을 것이다.
이 소중한 젊은이가 당시 내 도움을 요청했다면, 나는 손쉽게 그를 구할 수 있었을 것이다. 왜냐하면 이온화는 모형 주변에서 이루어져야 했기 때문이다. 그의 해결책은 고주파를 빈 모형(예: 수도공사에서 사용하는 일반 PVC 파이프) 내부로 전달하는 것이었을 것이다. 지역 약국에서 구입한 두 개의 철제 빨대만으로도 마이크로파가 효과적으로 확산되었을 것이며, 이는 모형과 접촉하는 공기에서 작용하여 모형 주변에 균일한 이온화된 가스 층을 형성할 수 있었다.
이 실험은 내 연구 경력 내에서 시도한 모든 실험처럼, 첫 시도에서 성공했을 가능성이 매우 높았다.