Física MHD aerodinâmica cosmológica

...O campo da MHD é muito amplo. O inventor dos conceitos básicos é o famoso cientista britânico Michael Faraday. A MHD apresenta dois aspectos.

• Por um lado, é possível acelerar fluidos através da força de Lorentz J × B, o que corresponde aos aceleradores MHD.

• Por outro lado, é possível converter a energia cinética de um fluido, sua entalpia, em energia elétrica. Isso corresponde aos geradores MHD. Nesses equipamentos, quando um fluxo gasoso atravessa as linhas de campo magnético de um campo magnético transversal B com velocidade V, um campo elétrico induzido V × B age sobre as partículas carregadas, elétrons livres ou íons.

...Um excelente livro existe (atualmente, apenas nas bibliotecas científicas) :

Sutton & Sherman : "Engineering magnetohydrodynamics", Mac Graw Hill Books Cie, 1967

destinado a físicos e alunos de pós-graduação.

...Tenho experiência pessoal em MHD desde 1964. Entre 1964 e 1972, trabalhei no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha. Em seguida, uma bibliografia resumida (dedicada a trabalhos mais recentes) :

(1) J.P. Petit : "O voo supersônico é possível?" Oitava Conferência Internacional sobre MHD e Produção de Eletricidade. Moscou, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : "Anulação das ondas de choque em um gás pela ação da força de Lorentz". Nono Conferência Internacional sobre MHD e Produção de Eletricidade. Tsukuba, Japão, 1986
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : "Anulação das ondas de choque pela ação MHD nos fluxos supersônicos. Análise quase unidimensional estacionária e bloqueio térmico". European Journal of Mechanics ; B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : "Anulação das ondas de choque pela ação MHD nos fluxos supersônicos. Análise bidimensional estacionária não isentrópica. Critério anti-choque, e simulações em tubo de choque para fluxos isentrópicos". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989
(5) B. Lebrun : "Abordagem teórica da supressão das ondas de choque formadas ao redor de um obstáculo afilado colocado em um fluxo de argônio ionizado". Tese de Energética n°233. Universidade de Poitiers, França, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : "Análise teórica da anulação das ondas de choque por um campo de força de Lorentz". Simpósio Internacional de MHD, Pequim, 1990.

...Depois disso, mudei de área para me dedicar à astrofísica e à cosmologia teórica. Nos anos sessenta, construímos geradores MHD de curta duração, baseados em túneis de choque alimentados por ventos quentes. Esse dispositivo podia produzir fluxos de curta duração, com alta temperatura e alta velocidade, com pressões relativamente elevadas. Não é um túnel de baixa pressão. Os parâmetros típicos são os seguintes:

Gás: argônio
Velocidade: 2 700 m/s
Temperatura: 10 000 °K
Pressão: 1 bar
Condução elétrica: 4000 mkhos/m

...Atualmente, estamos construindo um novo laboratório, financiado por recursos privados. Acredito que estará operacional até o final do ano 2001. A atividade abrangerá diferentes áreas:

• Experimentos com gás quente - Experimentos com gás frio (fluxos supersônicos de ar à pressão atmosférica)

• Experimentos com gás de baixa pressão (simulações).

• Experimentos numéricos.

• Experimentos hidráulicos (modelos de submarinos de alta velocidade).

...Primeiramente, por que recomeçar após uma interrupção de 13 anos? Porque temos novas ideias. Em 1975, imaginei que o voo supersônico poderia ser possível no ar denso, sem produzir bang sonico nem turbulência. Publiquei artigos em revistas científicas sobre isso. Na época, parecia ser uma ideia louca. Em 1975, com meu colega Maurice Viton, construímos um experimento hidráulico usando um ímã de um tesla. Esse campo magnético era necessário para modificar um fluxo de água em torno de um pequeno modelo em um fluxo de superfície livre (8 cm/s). O modelo era um cilindro (7 mm de diâmetro). O experimento foi bem-sucedido, e a onda de choque (os especialistas em mecânica dos fluidos sabem que as ondas criadas por um navio são muito semelhantes às ondas de choque) foi completamente anulada. Então, pensei que a ideia talvez não fosse tão absurda quanto parecia à primeira vista.

...Nos dez anos seguintes, tudo foi muito difícil, não tanto do ponto de vista científico, mas digamos, do ponto de vista "político". Obviamente, esse novo conceito estava ligado ao caso dos ovnis. Nos experimentos gasosos, essa "aerodinâmica MHD" seria cercada por um plasma luminoso, avermelhado em regime baixo, quase branco em regime mais alto. As eletrodos, se as máquinas tivessem, pareceriam "janelas". Além disso, a máquina em forma de disco (como foi chamada inicialmente em um "Relatório da Academia de Ciências de Paris", em 1975) era ótima do ponto de vista científico (e dos fundamentos MHD, que podem diferir dos fundamentos clássicos da mecânica dos fluidos), de forma que a comunidade científica não estava muito entusiasmada com esse projeto, mesmo que os fundamentos científicos fossem perfeitamente claros.

...Tentei instalar pesquisas, primeiro no CNES francês (Centre National d'Études Spatiales) entre 1979 e 1982, depois em um laboratório do CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) entre 1984 e 1986. Esse último laboratório estava localizado em Rouen, e seu diretor era o professor Valentin, aposentado hoje. Por meio do CNES, alguns experimentos foram realizados em Toulouse, no CERT francês (Centre d'Étude et de Recherche Technique), um laboratório em estreita relação com o exército. Algum financiamento foi concedido, mas em ambas as tentativas, o exército obrigou estupidamente os laboratórios a me afastarem do meu cargo científico. Infelizmente, o bagagem científica das pessoas envolvidas, em ambos os casos, era insuficiente, e as pesquisas falharam. Muito dinheiro foi desperdiçado inutilmente. Por isso, em 1987, decidi desistir definitivamente. Mas recentemente, novas ideias me incitaram a voltar para a área. Por experiência, eu sabia que qualquer colaboração com instituições francesas desencadearia imediatamente uma interferência militar, como aconteceu várias vezes no passado. Decidimos, portanto, recomeçar com nossas próprias forças e recursos. Pode parecer louco. Mas, na minha opinião, todas essas pesquisas podem ser realizadas com materiais obsoletos. Além disso, o preço de eletrônicos e computadores caiu significativamente nos últimos vinte anos. Muitos excelentes pesquisadores, agora aposentados, nos juntaram. Decidimos, então, montar um laboratório, no sul da França. Atualmente, coletamos sistemas obsoletos: bancos de capacitores, fontes de alimentação com diferentes tensões, baixa e alta, ignitrons, klystrons, dispositivos ópticos, etc., e os armazenamos. Quando tivermos tudo o que é necessário, passaremos à ação, em breve, esperamos.

...Agora, vamos dar uma olhada em algumas dessas novas ideias.

...Se você clicar aqui, poderá ler a Nota aos Comptes rendus de l'Académie des Sciences, publicada em 1975. Se você não lê francês, aqui estão algumas explicações breves. Aqui estão as três primeiras ilustrações. Na figura 1, uma máquina em forma de disco, equipada com um solenóide equatorial, cuja corrente elétrica alternada cria um campo magnético alternado. Esse último (graças ao Sr. Maxwell) gera um campo elétrico induzido E' que tende a criar correntes elétricas induzidas circulares. Combinando essas correntes J' com o valor instantâneo do campo magnético, obtemos forças radiais (o efeito Hall é considerado desprezível), ou seja, um sistema de forças radiais dependentes do tempo J' × B, direcionadas alternadamente para fora e para o centro. A ideia era a seguinte: suponha que possamos criar uma ionização não estacionária perto do disco, controlada no tempo, poderíamos atuar no fluido, usando as forças centrífugas radiais quando estiverem presentes, no topo do disco, e as forças centrípetas radiais, quando invertidas, no fundo da máquina em forma de disco.

...Na figura seguinte, o fluxo de gás induzido esperado ao redor de nossa máquina em forma de disco :

...Os cálculos indicavam que o efeito de sucção poderia ser muito forte, suficientemente forte para anular qualquer formação de onda de choque no ponto de parada da máquina (que se move ao longo de seu eixo). O problema técnico era modular a ionização perto da parede, no tempo. Primeiramente imaginamos um dispositivo semelhante a um "armadilhador de lobo" :

...Imaginando um pequeno orifício cônico na parede, e, segundo seu eixo, uma "agulha". Na interseção cone-plano, uma eletrodo circular (ânodo). A eletrodo central (em forma de agulha) está carregado negativamente. Então, ocorre uma descarga elétrica no ar ao redor, como mostrado acima. O campo magnético associado a essa descarga elétrica tende a repelir os elétrons livres e lhes fornecer energia. Pensávamos que poderia produzir íons negativos de curta duração no ar, permitindo assim uma interação MHD durante a vida útil desses íons. Uma pesquisa em um laboratório bem equipado poderia ter sido realizada, mas não tínhamos. Desde 1973, eu estava em um observatório astronômico, o que não é um local ideal para realizar experimentos de física de plasmas.

...De qualquer forma, no final dos anos 70, alguns aspectos interessantes da máquina foram descobertos. Os bons especialistas em plasma sabem que a pressão magnética tende a repelir descargas elétricas. Experimentamos isso em experimentos com ar de baixa pressão. A solução foi rapidamente encontrada. Em vez de criar um campo B cujo valor máximo se localiza no plano de simetria (criado por uma única bobina equatorial), decidimos usar três bobinas, uma grande e duas menores, como mostrado na figura a seguir :

...À esquerda: o eixo da máquina. Em cima e à direita: a disposição esquemática das três bobinas, mostrando o sentido da corrente elétrica. Na figura, as linhas de campo magnético. Vemos que a superfície de B máxima está próxima de uma parte do cone (contendo os círculos das duas bobinas). Área cinza: o volume de confinamento, no qual o plasma tende a se localizar. Sucesso imediato, experimentalmente. Em seguida, a parede da máquina, para otimizar a interação MHD, deve ser perpendicular às linhas de campo. Finalmente, este é o aspecto típico da nossa aerodinâmica MHD sem eletrodos, usando fenômenos de indução e ionização pulsada, otimizada segundo os princípios MHD :

...Você entende por que tivemos problemas com a comunidade científica, o exército, os políticos, etc.

...A ionização de curta duração era difícil de gerenciar.

Experimentos MHD com gás frio.

...Mas recentemente, uma nova ideia surgiu, resumida na figura a seguir :

...As paredes do modelo são de teflon. Nas duas cascas de teflon, bobinas são integradas (a bobina equatorial e as duas "bobinas de confinamento"). Dois klystrons serão usados, ajustados a dois guias de onda separados. Esses dois elementos são representados na figura. Eles são cilindros de latão coaxiais. Quando um está em funcionamento, o segundo está fora de serviço, e assim por diante. Lâminas finas de latão misturadas (em vermelho) atuam como difusores e projetam micro-ondas. A placa de latão localizada no plano de simetria impede as micro-ondas usadas para ionizar o ar do lado oposto da máquina. Na figura seguinte, mostramos o modelo quando as micro-ondas circulam no canal central, são difundidas pelas finas lâminas de latão misturadas, acima, atravessam o teflon, criando uma fina camada de ar ionizado. As micro-ondas a 3 GHz são ideais para ionizar o ar à pressão atmosférica, e o gás ionizado absorve as micro-ondas. Assim, a ionização será confinada em uma fina camada.

...Parece relativamente simples, com tal dispositivo, criar um estado de ionização dependente do tempo perto de um modelo em forma de disco. Também é simples sincronizar as correntes alternadas nas três bobinas. Assim, esse modelo poderia aspirar o ar logo à sua frente de forma muito forte. Isso depende, é claro, da intensidade do campo magnético (o parâmetro de interação MHD deve ser suficientemente alto). Não é necessário cancelar as ondas de choque por um longo período. Apenas experimentos de curta duração podem ser realizados, em um túnel de choque de curta duração. Teremos que construí-lo. Esquematicamente, esse túnel de choque baseia-se em um grande tanque sob vácuo, cujo conteúdo é evacuado a cada teste por uma bomba de vácuo potente (nós já temos uma). À esquerda: o canal supersônico. Entre o canal e o tanque: uma membrana de mylar. Quando a bomba reduz suficientemente a pressão no tanque, a membrana rompe. Duração típica do fluxo: algumas décimas de segundo.

...Essa ideia simples era suficientemente empolgante para decidir retomar a pesquisa MHD. Próxima imagem: outra visão do modelo em forma de disco :

...Em seguida: o fluxo de gás esperado ao redor de um modelo "passivo". Sistema de ondas de choque.

Em seguida: o fluxo, após a anulação da onda de choque pela ação das forças de Lorentz :

...Planejamos realizar experimentos com "hidrodinâmicas MHD", ou seja, submarinos de alta velocidade.

Experimentos MHD com gás quente.

...No laboratório, um túnel de choque alimentado por uma onda de choque será construído (chamado túnel de choque). Na figura a seguir, uma visão esquemática da instalação MHD.

...Próxima figura: a parte MHD da instalação.

...A próxima imagem mostra as duas bobinas e o canal MHD :

...Em tais instalações, em 1967, acelerações de plasma haviam sido bem-sucedidas no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha, demonstrando a eficiência das forças de Lorentz para controlar um fluxo supersônico. Velocidade de entrada (argônio puro, 1 bar, 10 000 °K): 2 750 m/s. Velocidade de saída: 8 000 m/s !!

Próxima figura: a posição do modelo de asa plana no túnel de choque supersônico, na experiência planejada em 1987 :

...A tese de doutorado de Bertrand Lebrun (1987), as publicações no European Jr of Mechanics, bem como duas apresentações em conferências internacionais sobre MHD (Tsukuba, 1987, Pequim, 1990) se concentraram na anulação da onda de choque frontal em um fluxo de argônio quente (10 000 °K) fornecido por um túnel de choque. Hoje, pretendemos implementar essa experiência-chave. Esquematicamente, a existência de uma onda de choque anexada à parte dianteira 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 foto que esperamos obter, se a onda de choque for anulada nesse fluxo de argônio quente.

...Como agora temos a possibilidade (teórica) de realizar experimentos com gás frio, essa experiência em argônio quente pode parecer supérflua. Mas preferimos tratar esses dois objetivos como pesquisas paralelas.

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