Accionamiento magnetohidrodinámico
Un impulsor magnetohidrodinámico o acelerador MHD es un método para propulsar vehículos utilizando solo campos eléctricos y magnéticos sin partes móviles, acelerando un propulsor conductor de electricidad (líquido o gas) con magnetohidrodinámica. El fluido se dirige hacia atrás y, como reacción, el vehículo acelera hacia adelante.
Los primeros estudios que examinaron MHD en el campo de la propulsión marina se remontan a principios de la década de 1960.
Se han construido pocos prototipos de trabajo a gran escala, ya que la propulsión marina MHD sigue siendo poco práctica debido a su baja eficiencia, limitada por la baja conductividad eléctrica del agua de mar. El aumento de la densidad de corriente está limitado por el calentamiento Joule y la electrólisis del agua en las proximidades de los electrodos, y el aumento de la intensidad del campo magnético está limitado por el costo, el tamaño y el peso (así como las limitaciones tecnológicas) de los electroimanes y la potencia disponible para alimentarlos.
Se aplican limitaciones técnicas más fuertes a la propulsión MHD de respiración de aire (donde el aire ambiente está ionizado) que aún se limita a conceptos teóricos y experimentos iniciales.
Los motores de propulsión de plasma que utilizan magnetohidrodinámica para la exploración espacial también se han estudiado activamente, ya que dicha propulsión electromagnética ofrece un alto empuje y un alto impulso específico al mismo tiempo, y el propulsor duraría mucho más que los cohetes químicos.
Principio
El principio de funcionamiento involucra la aceleración de un fluido eléctricamente conductor (que puede ser un líquido o un gas ionizado llamado plasma) por la fuerza de Lorentz, resultante del producto cruzado de una corriente eléctrica (movimiento de portadores de carga acelerados por un campo eléctrico aplicado entre dos electrodos) con un campo magnético perpendicular. La fuerza de Lorentz acelera todas las partículas cargadas, especies positivas y negativas (en direcciones opuestas). Si dominan las especies positivas o negativas, el vehículo se pone en movimiento en la dirección opuesta a la carga neta.
Este es el mismo principio de funcionamiento que un motor eléctrico (más exactamente un motor lineal), excepto que en una unidad MHD, el rotor móvil sólido se reemplaza por el fluido que actúa directamente como propulsor. Al igual que con todos los dispositivos electromagnéticos, un acelerador MHD es reversible: si el fluido de trabajo ambiental se mueve en relación con el campo magnético, la separación de carga induce una diferencia de potencial eléctrico que puede aprovecharse con electrodos: el dispositivo actúa como una fuente de energía sin moverse. partes, transformando la energía cinética del fluido entrante en electricidad, llamado generador MHD.
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Como la fuerza de Lorentz en un convertidor MHD no actúa sobre una única partícula cargada aislada ni sobre los electrones de un cable eléctrico sólido, sino sobre una distribución de carga continua en movimiento, se trata de una fuerza "volumétrica" (cuerpo) fuerza, una fuerza por unidad de volumen:
- f=*** *** E+J× × B{displaystyle mathbf {f} =rho mathbf {E} +mathbf {J} times mathbf {B} ,!}
donde f es la densidad de fuerza (fuerza por unidad de volumen), ρ la densidad de carga (carga por unidad de volumen), E el campo eléctrico, J la densidad de corriente (corriente por unidad de área) y B el campo magnético.
Tipología
Los propulsores MHD se clasifican en dos categorías según la forma en que operan los campos electromagnéticos:
- Dispositivos de conducción cuando una corriente directa fluye en el fluido debido a un voltaje aplicado entre pares de electrodos, el campo magnético es estable.
- Dispositivos de inducción cuando las corrientes alternas son inducidas por un campo magnético que varía rápidamente, como corrientes de eddy. No se requieren electrodos en este caso.
Como los aceleradores MHD de inducción no tienen electrodos, no presentan los problemas comunes relacionados con los sistemas de conducción (especialmente el calentamiento Joule, las burbujas y la redox de la electrólisis), pero necesitan campos magnéticos pico mucho más intensos para funcionar. Dado que uno de los mayores problemas con tales propulsores es la energía limitada disponible a bordo, las unidades MHD de inducción no se han desarrollado fuera del laboratorio.
Ambos sistemas pueden poner en movimiento el fluido de trabajo según dos diseños principales:
- Corriente interna cuando el fluido se acelera dentro y se empuja hacia atrás de una boquilla de sección transversal tubular o en forma de anillo, la interacción MHD se concentra dentro de la tubería (similarmente a los motores de cohete o jet).
- Flujo externo cuando el líquido se acelera alrededor de toda la zona húmeda del vehículo, los campos electromagnéticos que se extienden alrededor del cuerpo del vehículo. La fuerza de propulsión resulta de la distribución de presión en la cáscara (como levantar sobre una ala, o cómo los microorganismos ciliados como Paramecium mover el agua alrededor de ellos).
Los sistemas de flujo interno concentran la interacción MHD en un volumen limitado, conservando las características de sigilo. Los sistemas de campo externo, por el contrario, tienen la capacidad de actuar sobre una gran extensión del volumen de agua circundante con mayor eficiencia y la capacidad de disminuir la resistencia, aumentando aún más la eficiencia.
Propulsión marina
MHD no tiene partes móviles, lo que significa que un buen diseño puede ser silencioso, confiable y eficiente. Además, el diseño MHD elimina muchas de las piezas de desgaste y fricción del tren motriz con una hélice impulsada directamente por un motor. Los problemas con las tecnologías actuales incluyen el costo y la velocidad lenta en comparación con una hélice impulsada por un motor. El gasto adicional proviene del gran generador que debe ser impulsado por un motor. No se requiere un generador tan grande cuando un motor impulsa directamente una hélice.
El primer prototipo, un submarino de 3 metros (10 pies) de largo llamado EMS-1, fue diseñado y probado en 1966 por Stewart Way, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Santa Bárbara. Way, en una licencia de su trabajo en Westinghouse Electric, asignó a sus estudiantes universitarios de último año la construcción de la unidad operativa. Este submarino MHD funcionaba con baterías que suministraban energía a electrodos y electroimanes, que producían un campo magnético de 0,015 tesla. La velocidad de crucero fue de unos 0,4 metros por segundo (15 pulgadas por segundo) durante la prueba en la bahía de Santa Bárbara, California, de acuerdo con las predicciones teóricas.
Más tarde, un prototipo japonés, el 'ST-500' de 3,6 metros de largo, alcanzó velocidades de hasta 0,6 m/s en 1979.
En 1991, el primer prototipo de tamaño completo Yamato 1 del mundo se completó en Japón después de 6 años de investigación y desarrollo (I+D) por parte de Ship & Ocean Foundation (más tarde conocida como Ocean Policy Research Foundation). El barco llevó con éxito una tripulación de más de diez pasajeros a velocidades de hasta 15 km/h (8,1 kN) en el puerto de Kobe en junio de 1992.
Más tarde, se construyeron modelos de barcos a pequeña escala y se estudiaron exhaustivamente en el laboratorio, lo que llevó a comparaciones exitosas entre las mediciones y la predicción teórica de las velocidades terminales de los barcos.
La investigación militar sobre la propulsión MHD submarina incluyó torpedos de alta velocidad, vehículos submarinos operados a distancia (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), hasta vehículos más grandes como los submarinos.
Propulsión de aeronaves
Control de flujo pasivo
Los primeros estudios de la interacción de plasmas con flujos hipersónicos alrededor de vehículos se remontan a finales de la década de 1950, con el concepto de un nuevo tipo de sistema de protección térmica para cápsulas espaciales durante el reingreso a alta velocidad. Como el aire a baja presión se ioniza naturalmente a velocidades y altitudes tan altas, se pensó en utilizar el efecto de un campo magnético producido por un electroimán para reemplazar los escudos térmicos ablativos por un "escudo magnético". El flujo ionizado hipersónico interactúa con el campo magnético, induciendo corrientes de Foucault en el plasma. La corriente se combina con el campo magnético para generar fuerzas de Lorentz que se oponen al flujo y separan la onda de choque del arco más adelante del vehículo, reduciendo el flujo de calor que se debe a la recompresión brutal del aire detrás del punto de estancamiento. Dichos estudios de control de flujo pasivo aún están en curso, pero aún no se ha construido un demostrador a gran escala.
Control de flujo activo
El control de flujo activo por campos de fuerza MHD, por el contrario, implica una acción directa e imperiosa de fuerzas para acelerar o ralentizar localmente el flujo de aire, modificando su velocidad, dirección, presión, fricción, parámetros de flujo de calor, con el fin de preservar los materiales y motores del estrés, lo que permite el vuelo hipersónico. Es un campo de la magnetohidrodinámica también llamado magnetogasdynamics, magnetoaerodynamics o magnetoplasma aerodynamics, ya que el fluido de trabajo es el aire (un gas en lugar de un líquido) ionizado para volverse eléctricamente conductor (un plasma).
La ionización del aire se logra a gran altura (la conductividad eléctrica del aire aumenta a medida que la presión atmosférica se reduce de acuerdo con la ley de Paschen) utilizando varias técnicas: descarga de arco eléctrico de alto voltaje, RF (microondas), descarga electromagnética luminiscente, láser, e -haz o betatrón, fuente radiactiva... con o sin siembra de sustancias alcalinas de bajo potencial de ionización (como el cesio) en el flujo.
Los estudios MHD aplicados a la aeronáutica intentan extender el dominio de los aviones hipersónicos a regímenes Mach superiores:
- La acción en la capa fronteriza para evitar que el flujo laminar se convierta en turbulento.
- Mitigación de onda de choque para el control térmico y reducción de la arrastre de onda y la arrastre de forma. Algunos estudios teóricos sugieren que la velocidad de flujo podría controlarse en todas partes en el área mojada de un avión, por lo que las ondas de choque podrían ser totalmente canceladas al usar suficiente energía.
- Control de flujo de entrada.
- Reducción de la velocidad de flujo de aire aguas arriba para alimentar un scramjet mediante el uso de una sección del generador MHD combinado con un acelerador MHD aguas abajo en la boquilla de escape, alimentado por el generador a través de un sistema de bypass MHD.
El proyecto ruso Ayaks (Ajax) es un ejemplo del concepto de avión hipersónico controlado por MHD. También existe un programa de EE. UU. para diseñar un sistema de derivación MHD hipersónico, el Sistema de energía eléctrica para vehículos hipersónicos (HVEPS). Un prototipo de trabajo se completó en 2017 bajo el desarrollo de General Atomics y el Instituto Espacial de la Universidad de Tennessee, patrocinado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. Estos proyectos tienen como objetivo desarrollar generadores MHD que alimenten aceleradores MHD para una nueva generación de vehículos de alta velocidad. Dichos sistemas de derivación MHD a menudo se diseñan en torno a un motor scramjet, pero también se consideran turborreactores más fáciles de diseñar, así como estatorreactores subsónicos.
Dichos estudios cubren un campo de MHD resistivo con número de Reynolds magnético ≪ 1 utilizando gases no térmicos débilmente ionizados, lo que hace que el desarrollo de demostradores sea mucho más difícil de realizar que para MHD en líquidos. "Plasmas fríos" con campos magnéticos están sujetos a la inestabilidad electrotérmica que se produce en un parámetro Hall crítico, lo que dificulta los desarrollos a gran escala.
Prospectos
La propulsión MHD se ha considerado como el principal sistema de propulsión tanto para naves marinas como espaciales, ya que no hay necesidad de producir sustentación para contrarrestar la gravedad de la Tierra en el agua (debido a la flotabilidad) ni en el espacio (debido a la ingravidez), que se descarta en el caso de vuelo en la atmósfera.
Sin embargo, considerando el problema actual de la fuente de energía eléctrica resuelto (por ejemplo, con la disponibilidad de un reactor de fusión compacto de varios megavatios que aún falta), uno podría imaginar futuras aeronaves de un nuevo tipo propulsadas silenciosamente por aceleradores MHD, capaces de ionizar y dirigir suficiente aire hacia abajo para levantar varias toneladas. Como los sistemas de flujo externo pueden controlar el flujo en toda el área mojada, limitando los problemas térmicos a altas velocidades, el aire ambiente sería ionizado y acelerado radialmente por las fuerzas de Lorentz alrededor de un cuerpo axisimétrico (con forma de cilindro, cono, esfera…), toda la estructura del avión es el motor. La sustentación y el empuje surgirían como consecuencia de una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior, inducida por el efecto Coandă. Para maximizar tal diferencia de presión entre los dos lados opuestos, y dado que los convertidores MHD más eficientes (con un alto efecto Hall) tienen forma de disco, dicha aeronave MHD sería preferiblemente aplanada para adoptar la forma de una lente biconvexa. Al no tener alas ni motores a reacción que respiren aire, no compartiría similitudes con los aviones convencionales, pero se comportaría como un helicóptero cuyas palas del rotor habrían sido reemplazadas por un 'rotor puramente electromagnético'. sin parte móvil, aspirando el aire hacia abajo. Dichos conceptos de discos MHD voladores se han desarrollado en la literatura de revisión por pares desde mediados de la década de 1970, principalmente por los físicos Leik Myrabo con Lightcraft y Subrata Roy con Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV).
Estas visiones futuristas han sido publicitadas en los medios, aunque todavía están fuera del alcance de la tecnología moderna.
Propulsión de naves espaciales
Varios métodos experimentales de propulsión de naves espaciales se basan en la magnetohidrodinámica. Como este tipo de propulsión MHD implica fluidos comprimibles en forma de plasmas (gases ionizados), también se denomina magnetogasdinámica o magnetoplasmadinámica.
En dichos propulsores electromagnéticos, el fluido de trabajo es la mayor parte del tiempo hidracina, xenón o litio ionizados. Según el propulsor utilizado, se puede sembrar con álcali como el potasio o el cesio para mejorar su conductividad eléctrica. Todas las especies cargadas dentro del plasma, desde los iones positivos y negativos hasta los electrones libres, así como los átomos neutros por el efecto de las colisiones, son aceleradas en la misma dirección por el 'cuerpo' de Lorentz. fuerza, que resulta de la combinación de un campo magnético con un campo eléctrico ortogonal (de ahí el nombre de "acelerador de campo cruzado"), estos campos no están en la dirección de la aceleración. Esta es una diferencia fundamental con los propulsores de iones que dependen de la electrostática para acelerar solo iones positivos utilizando la fuerza de Coulomb a lo largo de un campo eléctrico de alto voltaje.
Los primeros estudios experimentales con aceleradores de plasma de campo cruzado (canales cuadrados y toberas de cohetes) se remontan a finales de la década de 1950. Dichos sistemas proporcionan un mayor empuje y un mayor impulso específico que los cohetes químicos convencionales e incluso los impulsores de iones modernos, a costa de una mayor densidad de energía requerida.
Algunos dispositivos que también se estudian hoy en día, además de los aceleradores de campo cruzado, incluyen el propulsor magnetoplasmadinámico, a veces denominado acelerador de fuerza de Lorentz (LFA), y el propulsor inductivo pulsado sin electrodos (PIT).
Incluso hoy, estos sistemas no están listos para ser lanzados al espacio ya que todavía carecen de una fuente de energía compacta adecuada que ofrezca suficiente densidad de energía (como los hipotéticos reactores de fusión) para alimentar los electroimanes voraces de energía, especialmente los inductivos pulsados. La rápida ablación de los electrodos bajo el intenso flujo térmico también es motivo de preocupación. Por estas razones, los estudios siguen siendo en gran parte teóricos y los experimentos se siguen realizando en el laboratorio, aunque han pasado más de 60 años desde las primeras investigaciones en este tipo de propulsores.
Ficción
Oregon, un barco de la serie de libros Oregon Files del autor Clive Cussler, tiene un impulso magnetohidrodinámico. Esto permite que el barco gire muy bruscamente y frene instantáneamente, en lugar de planear unas pocas millas. En Valhalla Rising, Clive Cussler escribe el mismo impulso en el encendido del Nautilus del Capitán Nemo.
La adaptación cinematográfica de La caza del Octubre Rojo popularizó el impulso magnetohidrodinámico como un "impulsor de oruga" para los submarinos, un "impulso silencioso" destinado a lograr el sigilo en la guerra submarina. En realidad, la corriente que viaja a través del agua crearía gases y ruido, y los campos magnéticos inducirían una firma magnética detectable. En la película, se sugirió que este sonido podría confundirse con la actividad geológica. En la novela de la que se adaptó la película, la oruga que usó Octubre Rojo era en realidad una bomba de chorro del llamado "tunnel drive" tipo (los túneles proporcionaron camuflaje acústico para la cavitación de las hélices).
En la novela de Ben Bova The Precipice, la nave donde tuvo lugar parte de la acción, Starpower 1, se construyó para demostrar que la exploración y minería del cinturón de asteroides era factible y potencialmente rentable, tenía un accionamiento magnetohidrodinámico acoplado a una planta de energía de fusión.