A Máquina Francesa Z
A tese de Mathias Bavay
dossier publicado em 17 de junho de 2006
Poderá encontrar esta tese, muito bem documentada, em:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Título:
Compressão de fluxo magnético em regime sub-microsegundo para obtenção de altas pressões e radiação X
defendida em 8 de julho de 2002 no CEG (Centro Militar de Experimentação de Gramat, Lot).
O gerador de Gramat (ver imagens acima) permite fornecer pulsos de corrente de 2,5 milhões de ampères, com duração de 800 nanosegundos.
Gerador elétrico ECF de Gramat
Uma visão em grande escala indica o diâmetro da instalação, cerca de 20 metros (contra trinta e três para a máquina Z de Sandia).
Visão em grande escala
Parte central da instalação ECF de Gramat
O arranjo imaginado por Bavay, testado em Gramat e no gerador de Sandia, é muito original. Os soviéticos haviam desenvolvido sistemas de compressão de fluxo em que uma explosão química exercia pressão sobre um "liner" feito de material condutor de eletricidade, cobre ou alumínio. Esse liner então colapsava, comprimindo um campo magnético existente dentro dele, previamente criado por uma descarga elétrica realizada em uma solenóide com uma bateria de capacitores. A ideia desenvolvida na tese de Bavay consiste em utilizar um liner feito de fios, como "pistão", e substituir a pressão externa, de origem química nos compressores de magneto-cumulação, por uma "pressão magnética". Assim, duas ideias principais são exploradas:
- Utilizar um liner mais leve, com menor inércia
- Garantir que toda a energia seja transferida para ele, já que o "gás magnético" tem "inércia nula".
Assim, chega-se a um compressor de dois estágios, com... dois liners, um grande e um pequeno. É grosso modo o que se teria obtido com o canhão de plasmóide de Sakharov se... se tivesse-se... tampado esse canhão!
Canhão de plasmóide de Sakharov, modificado
Reconstruímos o esquema inicial. Uma descarga elétrica cria um campo magnético na "câmara" A. Em seguida, o explosivo é acionado pela parte esquerda, provocando a expansão do "liner" de cobre.
O cone de cobre fecha a câmara, aprisionando o campo magnético, que, "comprimido", tende a expulsar o anel de alumínio para o espaço entre o "canhão" de cobre e o liner central, repleto de explosivo. No novo arranjo, porém, impede-se a expulsão desse anel, que atinge com alta velocidade a extremidade fechada do "canhão", gerando fortes pressões. Claro, foi feito vácuo entre o anel de cobre e o obturador situado à direita, de cor cinza. O anel de alumínio atua como um segundo "liner", pois, ao passar, vaporiza-se e transforma-se em plasma. O liner central também sofre uma transformação plástica.
Voltando à tese de Bavay, reconheceremos elementos do arranjo acima, mas construídos de forma diferente. Como já mencionado, os dois liners são "de fios" e se transformarão em plasma. É necessário criar uma certa pressão magnética na câmara A antes que esta seja fechada. Resta substituir o elemento propulsor — o gás proveniente da explosão — por uma pressão magnética. Assim, obtemos o seguinte:
Arranjo da tese de Mathias Bavay
Para compreender melhor, talvez fosse conveniente recompor os dois momentos representados aqui em uma única imagem. Primeiro, temos o arranjo de Bavay em seu estado inicial:
Arranjo de Mathias Bavay, em seu estado inicial
Há duas descargas elétricas: uma representada em roxo, a "descarga primária", e outra em vermelho, a "descarga secundária". Essas duas descargas criam um campo magnético dentro de duas cavidades coaxiais, com geometria toroidal. Distingue-se um "liner" cilíndrico, que na verdade é constituído por um primeiro conjunto de fios. Na tese de Bavay, aprende-se que, quando esses fios são percorridos por uma intensa corrente elétrica, eles não se transformam instantaneamente em plasma metálico. Pelo contrário, têm uma vida útil bastante longa, podendo atingir até 80% do tempo que leva para esse "tela de fios" se mover radialmente, convergindo para o eixo. É exatamente esse o segredo para manter a axialimetria na manipulação de Sandia. Quando esse objeto colapsa, não se trata nem de um conjunto de fios dispostos lado a lado, nem de uma tela de plasma, mas de uma "mistura dos dois". Isso foi teorizado por Malcolm Haines, que chamou isso de "formação de uma casca":
Formação da "casca"
No topo, os fios pouco tempo após a iniciação da descarga. Eles começam a se sublimar superficialmente. Esses fios ainda sólidos estão envoltos por uma camada de plasma metálico. Na tese de Bavay, lê-se que os fios mantêm um "núcleo frio", sólido. Vaporizam-se na periferia, emitindo um plasma formado por átomos metálicos que se expande. Quando esses cilindros de plasma se encontram, a "coroa" se forma. Bavay escreve que essa coroa se forma quando 80% do tempo de implosão já se passaram. Isso significa que durante todo esse tempo as correntes circulam individualmente nos fios. Se instabilidades MHD podem ocorrer em um plasma (um gás ionizado), onde localmente a densidade de corrente pode flutuar, assim como a intensidade do campo magnético, isso não se aplica a uma tela de fios.
Na tese, encontra-se que a velocidade de expansão do vapor metálico é de 10.000 m/s para o tungstênio e de 22.000 m/s para o alumínio. A ordem de grandeza do diâmetro dos fios (em número de 240): 10 micrômetros.
Não encontrei a velocidade de expansão para fios de aço inoxidável. As pessoas de Sandia ficaram muito surpresas ao ver que a temperatura atingida no final da implosão chegava a 2 bilhões de graus. Uma explicação possível seria que a velocidade de expansão do vapor de aço inoxidável seria menor, atrasando a formação da "coroa", onde poderiam surgir instabilidades. Como já foi dito, os fios mantêm um "núcleo frio", logo, são praticamente "fios" que se encontram no eixo, com o cordão de plasma sendo formado nos últimos momentos da implosão. Assim, ao invés de várias centenas de km por segundo, a velocidade radial no momento do impacto poderia atingir 1000 km/s. Daí essa elevação de temperatura ligada a uma... mudança de material. Questão em aberto.
No tempo tm, essas camadas de plasma se encontram. Assim, ganha-se em dois aspectos. Essa fechadura permite formar uma "barreira estanque" em relação ao campo magnético, ao mesmo tempo que a não-uniformidade do meio, no sentido azimutal, se opõe ao crescimento de instabilidades MHD e mantém a axialimetria do processo.
Retomamos o esquema da tese de Bavay, após tê-lo refeito:
Arranjo Bavay após o crowbar
Nessas descargas, os capacitores descarregam-se em circuitos que possuem indutância. Para quem sabe ver em 3D, essas distribuições das duas camadas de corrente roxa e vermelha têm a geometria das curvas geradoras de um toro. São "espécies de bobinas". Quando a tela "fios + plasma metálico" avança em direção ao eixo, fecha o que Bavay chama de "gap". Ao fazê-lo, essa "bobina" fica isolada do capacitor que a carregou. Encontramos novamente o tema do crowbar mencionado anteriormente no conjunto do dossier. A corrente elétrica vermelha continuará...