MHD e Voo Hipersônico Gerador Faraday

Conferência proferida na Supaéro
em 10 de junho de 2003

MHD e Voo Hipersônico

J.P. Petit

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Revisão sobre a história da MHD na França.

O inventor da MHD ou magneto-hidrodinâmica é o inglês Michael Faraday. Esta disciplina apresenta dois aspectos:

• Aceleradores MHD ou a arte e a maneira de colocar fluidos em movimento por meio de forças de Laplace ("forças de Lorentz" em inglês) J x B – Geradores MHD onde a arte e a maneira de converter a energia cinética de um fluido em movimento em eletricidade.

Faraday experimentou ambas as fórmulas. Em ambos os casos ele implementou um conversor linear ao qual deixou seu nome. Esquematicamente, um conversor linear é um bocal com eletrodos (segmentados, para obter uma melhor distribuição da corrente elétrica na veia) flanqueado por bobinas que produzem um campo magnético transversal. O eixo do dispositivo, a direção do campo magnético e a direção do campo elétrico criado pelos eletrodos formam um triedro tri-retangular.

Conversor de Faraday

No início dos anos 60, os ingleses foram os primeiros a considerar a produção de eletricidade por via MHD, sem peças móveis, por "conversão direta". No papel, parece muito simples. Um fluido entra com uma velocidade V em um bocal e corta as linhas de força de um campo magnético B. Isso resulta em um campo eletromotor V x B que cria uma corrente J (densidade de corrente, em ampères por metro quadrado), a qual é coletada pelos eletrodos e retorna por meio de resistências de carga. Esses geradores MHD apresentavam vários benefícios. Podiam ser colocados em operação muito rapidamente. Além disso, escapavam da barreira do "rendimento de Carnot", que limitava o rendimento das turbinas a gás da época a 40%. Cálculos teóricos indicavam que, "no papel", era possível esperar rendimentos globais próximos de 60%. Se essas máquinas pudessem funcionar, isso significaria que, a partir da mesma quantidade de combustível fóssil, poderíamos obter 50% a mais de energia elétrica.

Mas os gases são maus condutores de eletricidade. Considere um gás proveniente da combustão de hidrocarbonetos. Seus componentes possuem um potencial de ionização. Mesmo nas temperaturas mais altas possíveis, permitidas pela tecnologia, a condutividade elétrica do meio permaneceria baixa. Apenas uma pequena parte da entalpia do gás seria convertida em eletricidade, com a maior parte dissipada na veia por efeito Joule.

Assim, pensou-se em aumentar a condutividade desse gás adicionando uma substância com baixo potencial de ionização, essencialmente um alcalino. Esse problema de aumento da condutividade era tão crítico que se considerou desde o início recorrer à substância mais facilmente ionizável: o césio. As primeiras experiências de conversão MHD foram, portanto, realizadas adicionando, a jusante de uma câmara de combustão queimando hidrocarbonetos, um gerador linear de Faraday. Os resultados foram decepcionantes. Seria necessário alcançar temperaturas próximas de 3000°C, ou seja, a temperatura do filamento de uma lâmpada incandescente. Os esforços concentraram-se na resistência térmica dos materiais: paredes e eletrodos. No início dos anos 60, não era incomum que, durante experimentos, os eletrodos explodissem, assim como as placas destinadas a garantir a resistência térmica das paredes. Essas pesquisas sobre o que se chamou de "ciclos abertos" prosseguiram em muitos laboratórios do mundo durante os anos 60. Na França, participaram da pesquisa a EDF, em seu centro de pesquisa das Renardières, perto de Moret-sur-Loing, o Instituto Francês do Petróleo e a CGE (Companhia Geral de Eletricidade). O esforço internacional MHD (civil) chegou a mobilizar 5000 pesquisadores, distribuídos em dezenas de laboratórios espalhados por todo o mundo. O fracasso levou ao fim progressivo das pesquisas. Os russos foram os últimos a persistir até meados dos anos 70, com um gerador experimental chamado "U-25", instalado perto de Moscou.

O gerador MHD russo U-25. À frente o eletroímã.

As dimensões impressionantes da veia do gerador U-25. Os eletrodos estão à direita e à esquerda.

Uma outra abordagem foi rapidamente considerada, recorrendo ao que se chamou de "condutividade elétrica fora de equilíbrio (termodinâmico)". Detalharemos mais adiante esse tipo de situação em que a temperatura eletrônica Te excede a temperatura do gás Tg. São as condições que prevalecem em um tubo de néon. A ideia básica é a seguinte. No tubo de néon, um campo elétrico E, criado por eletrodos, acelera os elétrons livres ao longo de seu percurso médio livre (entre duas colisões com átomos neutros ou íons). Se o percurso médio for suficientemente longo, a energia cinética adquirida pelos elétrons pode atingir a energia de ionização Ei de um átomo. Durante uma colisão, haverá então "avalanche eletrônica". A circulação da corrente elétrica cria, portanto, no tubo um estado ionizado. Fenômeno inverso: os íons atraem os elétrons livres relativamente lentos e tendem a capturá-los (desionização radiativa).

Já coloquei no meu site dois arquivos sobre MHD, apresentados em nível de divulgação. Haverá chamadas por links ao longo deste arquivo.

No meio dos anos (mais precisamente em 1964, no congresso de Newcastle, na Inglaterra), um jovem pesquisador russo, Vélikhov, previu a ocorrência de uma instabilidade de ionização extremamente violenta (alguns microsegundos). A teoria desse fenômeno não é nada óbvia. Seu mecanismo desafia a intuição. Aqui está uma imagem datada dos anos 60 que mostra (as simulações numéricas da época exigiam os sistemas mais potentes, e essas imagens provêm da URSS). Vê-se como essa instabilidade se desenvolve, comprimindo localmente as linhas de corrente elétrica. Esse aumento local de J provoca uma resposta do gás na forma de ionização. O meio se estratifica assim, com a formação de camadas de alta condutividade elétrica alternando com zonas de baixa condutividade elétrica.

Evolução da instabilidade eletrotérmica em um conversor de Faraday (1968)

Foi exatamente essa instabilidade, à qual ninguém conseguiu encontrar remédio, que provocou o colapso de todo o esforço MHD civil no mundo (dezenas de laboratórios, 5000 pesquisadores). No final dos anos 60, a partida estava decidida na Europa. Todas as equipes foram desfeitas, apesar de um único sucesso no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha, entre 1966 e 1970. Houve dois resultados marcantes.

• Primeiro funcionamento de um gerador fora de equilíbrio, estável em relação à instabilidade de ionização (J.P. Petit, 1967, 7º Congresso Internacional de Varsóvia). Temperatura do gás: 6000°C, temperatura eletrônica: 10.000°C, extração de potência: 2 megawatts. Corrente significativa até 4000°C.

• Aceleração de um plasma de argônio. Parâmetros de entrada: pressão, um bar, velocidade: 2700 m/s, temperatura: 10.000°C, condutividade elétrica...