...A MHD é um campo de investigação muito vasto.
O inventor dos conceitos básicos é o famoso cientista britânico Michael Faraday.
A MHD possui dois aspectos.
-
Por um lado, pode-se acelerar fluidos através da força de Lorentz J x
B, o que se refere aos aceleradores MHD. -
Por outro lado, pode-se converter a energia cinética de um fluido, a sua entalpia,
em energia elétrica. Isto refere-se aos geradores MHD.
Nessas instalações, quando um fluxo de gás atravessa as linhas magnéticas de um campo
magnético transversal B à velocidade V, um campo elétrico induzido V x
B atua sobre partículas carregadas, elétrons livres ou íons.
...Existe um livro muito bom (agora, apenas em bibliotecas científicas):
Sutton & Sherman: "Engineering magnetohydrodynamics",
Mac Graw Hill Books Cie, 1967
para físicos e estudantes de pós-graduação.
...Tenho experiência pessoal em
MHD desde 1964. Entre 1964 e 1972, trabalhei no Institut de Mécanique
des Fluides de Marselha. Segue-se uma bibliografia resumida (dedicada a trabalhos mais recentes):
(1) J.P.Petit: "Is supersonic flight possible?" Eighth Inter.
Conf. on MHD Electr. Power Generation. Moscow 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force
action". Ninth Inter. Conf. On MHD Electr. Power Generation. Tsukuba, Japão,
1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic
flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". European
Journal of Mechanics; B/Fluids, 8, n.º 2, pp. 163-178, 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic
flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion,
and shock tube simulations for isentropic flows". European Journal of Mechanics,
B/Fluids, 8, pp. 307-326, 1989
(5) B.Lebrun: "Approche théorique de la suppression des ondes de choc se formant
autour d'un obstacle effilé placé dans un écoulement d'argon ionisé. Thèse d'Energétique
n.º 233. Université de Poitiers, França, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit: "Theoretical analysis of shock wave anihilation by
lorentz force field". International MHD symposium, Pequim 1990.
...Depois, passei para a astrofísica
e a cosmologia teórica. Durante os anos sessenta, construímos geradores MHD de curta duração,
baseados em túneis de vento de alta temperatura acionados por tubos de choque. Este dispositivo podia produzir
fluxos de curta duração, alta temperatura e alta velocidade, com pressões bastante elevadas.
Este não é um túnel de vento de baixa pressão. Os parâmetros típicos são:
Gás: argônio
Velocidade: 2.700 m/s
Temperatura: 10.000 °K
Pressão: uma barra
Condutividade elétrica: 4000 mhos/m
...Atualmente, estamos a construir um novo
laboratório, com financiamento privado. Penso que estará operacional até ao final de
2001. A atividade abrangerá diferentes campos:
-
Experiências com gás quente
-
Experiências com gás frio (fluxos supersônicos de ar à pressão atmosférica)
-
Experiências com gases de baixa pressão (simulações).
-
Experiências numéricas.
-
Experiências hidráulicas (modelos de submarinos de alta velocidade).
...Em primeiro lugar, por que reiniciamos tal
atividade após uma pausa de 13 anos? Porque temos novas ideias. Em 1975, imaginei
que o voo supersônico poderia ser possível, no ar denso, sem criar estrondo sônico
nem turbulência. Publiquei artigos em revistas científicas sobre isso.
Na época, parecia uma ideia absurda. Em 1975, com o meu colega Maurice
Viton, construímos uma experiência hidráulica com um íman de um tesla. Tal campo B
era necessário para modificar um fluxo de água em torno de um pequeno modelo, num fluxo
de superfície livre (8 cm/s). O modelo era um cilindro (7 mm de diâmetro). A experiência foi um
sucesso e a onda de proa (os especialistas em mecânica dos fluidos sabem que as ondas
criadas por um navio são muito semelhantes às ondas de choque) foi completamente cancelada.
Então, pensei que a ideia não poderia ser tão descabida quanto parecia à primeira vista.
...Durante os dez anos seguintes, tudo
foi muito difícil, não do ponto de vista científico, mas, digamos, do
ponto de vista "político". Obviamente, este novo conceito estava ligado
ao caso dos OVNI. Em experiências com gás, tal "aerodino MHD" seria
envolvido por um plasma luminoso, avermelhado em regime baixo, quase branco em regimes
maiores. Os elétrodos, quando as máquinas os tivessem, pareceriam "janelas".
Além disso, a máquina em forma de disco (como foi designada pela primeira vez num "Compte rendu
de l'Académie des Sciences de Paris", em 1975) era ótima, do ponto de vista
científico (e dos fundamentos da MHD, que podem ser um pouco diferentes dos fundamentos da mecânica clássica dos fluidos), de modo que a comunidade científica
não estava muito entusiasmada com tal projeto, mesmo que os fundamentos científicos fossem perfeitamente claros e sólidos.
...Tentei instalar algumas investigações,
primeiro no CNES francês (Centre National d'Etudes Spatiales) em 1979-1982,
depois num laboratório do CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique)
em 1984-1986. Este segundo laboratório estava localizado em Rouen, e o seu diretor
era o professor Valentin, hoje reformado. Através do CNES, algumas experiências
foram instaladas em Toulouse, no CERT francês (Centre d'Etude et de Recherche
Technique), um laboratório em estreita conexão com o exército. Algum dinheiro foi dado, mas,
nestas duas tentativas, o exército estupidamente obrigou os laboratórios a expulsar-me do
trabalho científico. Infelizmente, o conhecimento científico das pessoas envolvidas,
em ambos os casos, não era adequado e a investigação falhou nos dois. Muito dinheiro
foi estupidamente desperdiçado. Assim, em 1987, decidi desistir definitivamente.
Porém, muito recentemente, novas ideias incitaram-me a regressar ao campo.
Por experiência, sabia que, se qualquer colaboração com instituições francesas fosse
iniciada, os militares estragariam imediatamente a situação, como já haviam feito muitas vezes antes.
Assim, decidimos recomeçar com as nossas próprias forças e recursos.
Pode parecer absurdo. Mas, na medida em que vejo, toda esta investigação pode ser realizada
com materiais obsoletos. Além disso, o preço da eletrónica e dos computadores
baixou consideravelmente nos últimos 20 anos. Muitos investigadores muito bons, agora
reformados, juntaram-se a nós. Assim, decidimos montar um laboratório no sul da
França. Atualmente, estamos a recolher sistemas obsoletos: bancos de condensadores,
fontes de alimentação elétrica com diversas voltagens, baixas e altas, ignitrons, klystrons, dispositivos ópticos
e assim por diante, e estamos a armazená-los. Quando tivermos tudo o que é necessário, entraremos em ação,
em breve, esperamos.
...Agora, vamos dar uma olhada em algumas
das novas ideias.
...Se clicar aqui,
lerá a Nota aux Comptes rendus de l'Académie des sciences,
publicada em 1975. Se não ler francês, algumas breves explicações. Seguem-se
as três primeiras ilustrações. Na figura 1, uma máquina em forma de disco, com um solenoide
equatorial, cuja corrente elétrica alternada cria um campo magnético alternado. Este (graças ao Sr. Maxwell) cria um campo elétrico induzido E'
que tende a criar correntes elétricas induzidas circulares. Combinando estas correntes
J' com o valor instantâneo do campo magnético, obtemos forças radiais (o efeito Hall é considerado negligenciável), obtemos um sistema de forças radiais
dependentes do tempo J' x
B, que são dirigidas alternadamente para o exterior e para o centro.
Assim, a ideia era a seguinte: Suponha que podemos criar uma ionização não estacionária
na vizinhança do disco, controlada no tempo, poderíamos atuar sobre o fluido,
usando forças centrífugas radiais quando presentes, no topo do disco,
e forças centrípetas radiais, quando esta força é invertida, na parte inferior da máquina em forma de disco.
...Na figura seguinte, o fluxo de gás induzido esperado;
em torno da nossa máquina em forma de disco:
...Os cálculos indicaram que o efeito de sucção
poderia ser muito forte, forte o suficiente para cancelar qualquer formação de onda de choque
no ponto de estagnação da máquina (que se move ao longo do seu eixo).
O problema técnico era modular a ionização na vizinhança da parede, no tempo. Imaginámos primeiro um dispositivo que parecia uma "armadilha para lobos":
...Imagine um orifício cónico de "pequeno tamanho",
na parede e, ao longo do seu eixo, um "pino". Na junção cone-plano, um elétrodo circular (ânodo). O elétrodo central (em forma de pino)
é carregado negativamente. Então, uma descarga elétrica forma-se no ar circundante,
como mostrado acima. O campo magnético subsequente, associado a esta descarga elétrica,
tende a afastar os elétrons livres e a dar-lhes energia. Pensámos que
poderia produzir íons negativos de vida curta no ar, tornando possível a interação MHD
durante a vida útil de tais íons. Num laboratório bem equipado, tal investigação poderia ter sido
realizada, mas não tínhamos nenhum. Desde 1973, eu estava num observatório astronômico,
que não é o local ideal para realizar experiências de física de plasmas.
...De qualquer forma, no final dos anos setenta,
alguns aspectos interessantes da máquina foram descobertos. Bons especialistas em plasma
sabem que a pressão magnética tende a afastar as descargas elétricas. Experimentámos isso
em experiências com ar a baixa pressão. A solução foi rapidamente encontrada. Em vez de
criar um campo B cujo valor máximo estava no plano de simetria (criado por uma única bobina equatorial),
decidimos usar três, uma grande e duas menores, como mostrado na figura seguinte:
...Esquerda: o eixo da máquina.
Cima e direita, a disposição esquemática das três bobinas, mostrando a forma como
as correntes elétricas fluem. Na figura, as linhas magnéticas. Vemos que
a superfície de B máxima está próxima de uma porção de um cone (contendo os círculos das duas bobinas). Área cinzenta: o volume de confinamento,
no qual o plasma tende a permanecer. Sucesso imediato, experimentalmente. Então, a parede da máquina, para
otimizar a interação MHD, deve ser ortogonal às linhas magnéticas. Finalmente,
este é o aspeto típico do nosso aerodino MHD sem elétrodos, usando fenômenos de indução
e ionização pulsada, otimizado com base nos fundamentos da MHD:
...Vê-se por que tivemos alguns problemas
com a comunidade científica, o exército, os políticos, e assim por diante.
...A ionização de curta duração era
difícil de gerir.
Experiências MHD com gás frio.
...Mas, recentemente, surgiu uma nova ideia,
que é resumida na figura seguinte:
...As paredes do modelo são feitas de teflon.
Nas duas conchas de teflon, as bobinas estão embutidas (a equatorial e as duas "bobinas de confinamento"). Dois klystrons serão usados, corrigidos para
dois guias de onda separados. Estes dois são mostrados na figura. São cilindros coaxiais de latão. Quando um está em operação, o segundo está fora, e assim por diante.
Finas lâminas de latão entrelaçadas (vermelhas) atuam como um difusor e pulverizam micro-ondas. A placa de latão localizada no plano de simetria impede que as micro-ondas usadas para
ionizar o ar no lado oposto da máquina. Na figura seguinte, mostramos o modelo quando as micro-ondas fluem ao longo do canal central, são difundidas pelas
finas lâminas de latão entrelaçadas, na parte superior, atravessam o teflon e criam
uma fina camada de ar ionizado. Micro-ondas de 3 GHz são ótimas para ionizar o ar à pressão atmosférica, e o gás ionizado absorve micro-ondas. É por isso que a ionização
ficará confinada numa fina camada.
..Parece
relativamente simples, com tal dispositivo, criar um estado de ionização dependente do tempo
na vizinhança de um modelo em forma de disco. Também é simples sincronizar as
correntes elétricas alternadas nas três bobinas. Assim, tal modelo poderia sugar
o ar logo à frente muito fortemente. Depende da intensidade do campo magnético, é claro (o parâmetro de interação MHD deve ser suficientemente forte).
Não é necessário cancelar as ondas de choque durante muito tempo. Apenas testes de curta duração
podem ser realizados, num túnel de vento de curta duração. Teremos de construí-lo. Esquematicamente, este túnel de vento baseia-se num grande tanque de vácuo, cujo conteúdo
é removido, em cada teste, por uma potente bomba de vácuo (já a temos). Esquerda: o canal supersônico. Entre o canal e o tanque: uma membrana de mylar.
Quando as bombas baixam a pressão no tanque o suficiente, a membrana rompe-se.
Duração típica do fluxo: várias décimas de segundo.
...Esta ideia simples foi suficientemente empolgante
para decidir reiniciar a investigação MHD. Próxima imagem: outra vista do modelo em forma de disco:
...Próximo: fluxo de gás esperado, em torno
de um modelo "passivo". Sistema de ondas de choque.
Próximo: o fluxo, após o cancelamento da onda de choque pela ação das forças de Lorentz:
...Planeámos fazer experiências com
"hidrodinos MHD", ou seja, submarinos de alta velocidade.
Experiências MHD com gás quente.
...No laboratório, será construído um túnel de vento
acionado por choque (chamado tubo de choque). Na figura seguinte, uma vista esquemática da instalação MHD.
..Próxima figura: a parte MHD da
instalação.
...A imagem seguinte mostra as duas bobinas
e o canal MHD:
...Nessas instalações, em 1967, acelerações de plasma
foram realizadas com sucesso no Institut de Mécanique
des Fluides de Marselha, evidenciando a eficiência das forças de Lorentz para controlar um fluxo supersônico. Velocidade de entrada (argônio puro, uma barra, 10.000 °K):
2750 m/s. Velocidade de saída: 8000 m/s!!
Em seguida, a posição do modelo de asa plana no túnel de vento supersônico, na experiência planeada em 1987:
...A tese de doutoramento de Bertrand Lebrun
(1987), publicações na European Jr of Mechanics, mais duas apresentações em reuniões internacionais de MHD (Tsukuba, 1987, Pequim, 1990) focaram-se no cancelamento da onda de choque frontal
num fluxo de argônio quente (10.000 °K) fornecido por um túnel de vento acionado por choque. Hoje, pretendemos estabelecer esta experiência-chave. Esquematicamente,
a existência de um choque aderente, na parte frontal de uma espécie de "asa" (fluxo 2D) pode ser evidenciada por interferometria a laser (desenvolvida no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha em 1965). À direita, a imagem que esperamos obter, se o choque frontal for cancelado neste fluxo de argônio quente.
...Como agora temos a possibilidade (teórica)
de operar com gás frio, esta experiência com argônio quente pode parecer supérflua.
Mas preferimos lidar com estes dois objetivos, como "investigações paralelas".