Por exemplo, se imergíssemos uma maquete desse tipo, dotada apenas de um par de eletrodos, o par central, e o colocássemos em curto-circuito, resultaria uma passagem de corrente, fechando-se no gás, o que teria como efeito reduzir fortemente sua velocidade:
Um perfil assim, imerso em um gás altamente condutor de eletricidade (ou tornado condutor), comporta-se como um "gerador MHD" de alta potência. É um "conversor MHD". De onde vem a energia? É simplesmente a energia cinética do fluido, e a potência extraída acompanha uma perda de energia cinética no fluido, ou seja, seu retardamento natural.
Em 1965, colocamos em prática geradores elétricos MHD, operando uma conversão direta da energia cinética de um fluido em uma "tubulação MHD do tipo Faraday". A geometria é diferente, mas o princípio é o mesmo. A seguir, o esquema de um gerador MHD de Faraday, com seu canal de seção quadrada.
Na imagem seguinte, os solenoides removidos, a disposição dos eletrodos "segmentados" (para obter uma melhor distribuição da passagem da corrente no canal).
Nas experiências que realizamos nas décadas de 1960 no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha, injetamos na tubulação um fluxo de argônio a 10.000 K, sob uma atmosfera, penetrando a uma velocidade de 2500 metros por segundo. O campo magnético atingindo 2 teslas, o campo eletromotor valia então:
2500 × 2 = 5000 volts por metro
A distância entre os pares de eletrodos opostos sendo de 5 cm, a diferença de potencial era de 250 volts. Era necessário subtrair 40 volts (tensão relacionada a fenômenos de parede próximos aos eletrodos), resultando em 210 volts.
A condutividade elétrica do argônio, levado a essa temperatura, sendo de 3500 mhos por metro, obtinha-se uma densidade de corrente J = σ E = σ V × B = 735.000 ampères por metro quadrado.
Ou seja, 73,5 ampères por centímetro quadrado. Para um comprimento de tubulação de 10 cm e largura de 5 cm (50 cm²), isso dava uma corrente máxima, em curto-circuito, de 3675 ampères.
Quando os eletrodos estavam em curto-circuito, a corrente sendo máxima, a força de Laplace resultante era suficientemente intensa, como a experiência demonstrou, para desacelerar o gás até o ponto de gerar uma onda de choque normal, obtida sem outro obstáculo além dessa força eletromagnética.
O gás chegando com velocidade supersônica a um perfil de asa lenticular possui, portanto, sua própria energia, que pode ser aproveitada. A energia a ser gasta para eliminar as ondas de choque era, então, a energia gasta para acelerar o gás perto da borda de ataque e da borda de fuga, menos a energia produzida pelo seu retardamento, relacionada ao funcionamento do par central de eletrodos.
Esse resultado era extremamente interessante, pois mostrava que a energia necessária para aniquilar essas ondas era menor do que se poderia pensar inicialmente. A perda situava-se principalmente no efeito Joule. No caso de uma máquina voando em ar frio, seria necessário acrescentar a energia gasta para ionizar esse gás por meio de micro-ondas, energia que também havíamos calculado.
Como as forças de Laplace atuam sobre a inclinação das ondas de Mach?
É muito simples. Quando a tubulação MHD opera, por exemplo, como gerador, ou seja, desacelera o fluido, segue-se a evolução das ondas de Mach na tubulação:
Trata-se de uma desaceleração moderada do fluido. As ondas parecem se comprimir como os elementos de um acordeão. Os eletrodos estão "em carga", o que limita a densidade de corrente. Compreende-se, assim, como uma desaceleração mais intensa pode gerar uma onda de choque: quando essa desaceleração reduz a velocidade ao ponto de o gás tender a tornar-se subsônico. As ondas de Mach então se concentram, como um acordeão, acumulando as perturbações de pressão. A onda de choque se forma então, migrando rapidamente para a entrada da tubulação, estabilizando-se diante do primeiro "streamer" (jato de corrente elétrica proveniente da primeira parede de eletrodos), como se esse elemento constituísse um tipo de obstáculo imaterial.
Por outro lado, se injetamos potência elétrica no sistema, a tubulação comporta-se como um acelerador MHD de Faraday. As ondas de Mach tendem a se aplanar:
Essa aceleração MHD pôde ser observada também nas décadas de 1960, no laboratório onde eu trabalhava. Revelou-se extremamente eficaz. A velocidade na entrada da tubulação sendo de 2500 m/s, obtivemos velocidades de saída superiores a 8000 metros por segundo, o que representa um ganho de velocidade superior a cinco quilômetros por segundo em uma distância de apenas dez centímetros.
Essas experiências demonstram a extrema eficácia da ação MHD sobre um gás, desde que possua um grau de ionização suficiente. Para informação, essa condutividade elétrica (3500 mhos/m) correspondia, no argônio, a um grau de ionização de 10⁻³ (um átomo em mil era transformado em íon).
No ar frio, seria necessário ionizar "artificialmente", por exemplo, submetendo o gás ao fluxo de micro-ondas de três gigahertz, que teria o efeito de arrancar elétrons do componente mais facilmente ionizável: o óxido de nitrogênio NO. Também se pode considerar a injeção de um alcalino, de baixo potencial de ionização, como o césio ou o sódio.
Assim, Lebrun e eu fizemos todos esses cálculos no contexto de uma tese de doutorado financiada pelo CNRS, nas décadas de 1980. Os resultados das simulações computacionais mostravam um escoamento completamente "regularizado", isento de ondas de choque. Na figura a seguir, representamos as duas famílias de ondas de Mach.
Esse trabalho teórico foi complementado por experiências de analogia hidráulica, sempre com esse sistema de três pares de eletrodos. As ondas de proa e de popa puderam ser anuladas. A condutividade elétrica da água acidulada sendo muito baixa, não era então possível utilizar a energia do fluido para melhorar o balanço energético. O resultado é idêntico ao apresentado acima. O resultado é que se obtém um escoamento em que o fluido permanece "plano":
O leitor interessado poderá encontrar alguns desses elementos em minha tirinha "O Muro do Silêncio" (ver CD-ROM Lanturlu).
Como implementar essas pesquisas?
Essas ideias são atraentes. Elas abrem caminho para uma nova mecânica dos fluidos supersônicas, onde, em vez de sofrer as ondas de choque como fenômenos inevitáveis, podemos, ao contrário, evitá-las.
O problema da MHD é conseguir trabalhar com um gás que possua condutividade elétrica suficiente. Em vinte anos de trabalho...