Propulsión electromagnética

Propulsión electromagnética (EMP) es el principio de acelerar un objeto mediante la utilización de una corriente eléctrica que fluye y campos magnéticos. La corriente eléctrica se utiliza para crear un campo magnético opuesto o para cargar un campo que luego puede ser repelido. Cuando una corriente fluye a través de un conductor en un campo magnético, una fuerza electromagnética conocida como fuerza de Lorentz empuja al conductor en una dirección perpendicular al conductor y al campo magnético. Esta fuerza de repulsión es la que provoca la propulsión en un sistema diseñado para aprovechar el fenómeno. El término propulsión electromagnética (EMP) puede describirse por sus componentes individuales: electromagnético (utilizar electricidad para crear un campo magnético) y propulsión (el proceso de impulsar algo). Cuando se emplea un fluido (líquido o gas) como conductor en movimiento, la propulsión puede denominarse accionamiento magnetohidrodinámico. Una diferencia clave entre EMP y la propulsión lograda por motores eléctricos es que la energía eléctrica utilizada para EMP no se utiliza para producir energía de rotación para el movimiento; aunque ambos utilizan campos magnéticos y una corriente eléctrica que fluye.

La ciencia de la propulsión electromagnética no tiene orígenes en ningún individuo y tiene aplicación en muchos campos diferentes. La idea de utilizar imanes para la propulsión continúa hasta el día de hoy y se ha soñado desde al menos 1897, cuando John Munro publicó su historia de ficción "Un viaje a Venus". Las aplicaciones actuales se pueden ver en trenes maglev y cañones de riel militares. Otras aplicaciones que aún no se utilizan ampliamente o aún están en desarrollo incluyen propulsores de iones para satélites de órbita baja y propulsores magnetohidrodinámicos para barcos y submarinos.

Historia

Uno de los primeros descubrimientos registrados sobre la propulsión electromagnética fue en 1889 cuando el profesor Elihu Thomson hizo público su trabajo con ondas electromagnéticas y corrientes alternas. Unos años más tarde, Emile Bachelet propuso la idea de un vagón de metal levitado en el aire sobre los rieles de un ferrocarril moderno, que presentó a principios de la década de 1890. En la década de 1960, Eric Roberts Laithwaite desarrolló el motor de inducción lineal, que se basó en estos principios e introdujo la primera aplicación práctica de la propulsión electromagnética. En 1966, James R. Powell y Gordon Danby patentaron el sistema de transporte superconductor Maglev y, después de esto, ingenieros de todo el mundo se apresuraron a crear el primer tren de alta velocidad. De 1984 a 1995, el primer sistema comercial automatizado de levitación magnética funcionó en Birmingham. Era un transbordador Maglev de baja velocidad que iba desde el Aeropuerto Internacional de Birmingham hasta el Sistema Ferroviario Internacional de Birmingham. En la URSS, a principios de 1960, en el Instituto de Hidrodinámica de Novosibirsk, Rusia, el prof. V.F. Minin sentó las bases experimentales de la aceleración electromagnética de cuerpos a velocidad hipersónica.

Usos

Trenes

La propulsión electromagnética se utiliza en los sistemas de transporte para minimizar la fricción y maximizar la velocidad en largas distancias. Esto se ha implementado principalmente en sistemas ferroviarios de alta velocidad que utilizan un motor de inducción lineal para propulsar trenes mediante corrientes magnéticas. También se ha utilizado en parques temáticos para crear montañas rusas y atracciones acuáticas de alta velocidad.

Maglev

En un tren maglev, el conjunto de la bobina primaria se encuentra debajo de la placa de reacción. Hay un espacio de aire de 1 a 10 cm (0,39 a 3,93 pulgadas) entre ellos que elimina la fricción y permite velocidades de hasta 500 km/h (310 mph). Se suministra una corriente eléctrica alterna a las bobinas, lo que crea un cambio en la polaridad del campo magnético. Esto empuja el tren hacia adelante desde el frente y lo empuja hacia adelante desde atrás.

Un tren Maglev típico cuesta tres centavos por pasajero-milla, o siete centavos por tonelada-milla (sin incluir los costos de construcción). Esto se compara con 15 centavos por pasajero-milla para viajes en avión y 30 centavos por tonelada-milla para viajes en camiones interurbanos. Las orugas Maglev tienen una gran longevidad debido a una fricción mínima y una distribución uniforme del peso. La mayoría dura al menos 50 años y requiere poco mantenimiento durante este tiempo. Los trenes Maglev se promocionan por su eficiencia energética, ya que funcionan con electricidad, que puede producirse a partir de carbón, energía nuclear, hidráulica, de fusión, eólica o solar sin necesidad de petróleo. En promedio, la mayoría de los trenes viajan a 483 km/h (300 mph) y utilizan 0,4 megajulios por milla de pasajero. Utilizando un automóvil de 20 millas/galón con 1,8 personas como comparación, el viaje en automóvil suele ser de 97 km/h (60 mph) y utiliza 4 megajulios por milla-pasajero. Las emisiones de dióxido de carbono se basan en el método de producción eléctrica y el uso de combustible. Muchos métodos de producción de electricidad renovable generan poco o ningún dióxido de carbono durante la producción (aunque puede liberarse dióxido de carbono durante la fabricación de los componentes, por ejemplo, el acero utilizado en las turbinas eólicas). El funcionamiento del tren es mucho más silencioso que el de otros trenes, camiones o aviones.

Montaje: Motor De Inducción Lineal

Un motor de inducción lineal consta de dos partes: el conjunto de la bobina primaria y la placa de reacción. El conjunto de la bobina primaria consta de devanados de fase rodeados por laminaciones de acero e incluye un sensor térmico dentro de un epoxi térmico. La placa de reacción consta de una placa de cobre o aluminio de 3,2 mm (0,125 pulgadas) de espesor unida a una lámina de acero laminada en frío de 6,4 mm (0,25 pulgadas) de espesor. Hay un espacio de aire entre estas dos partes que crea la propiedad sin fricción que abarca un sistema de propulsión electromagnética. El funcionamiento de un motor de inducción lineal comienza con una fuerza de CA que se suministra a los devanados de la bobina dentro del conjunto de la bobina primaria. Esto crea un campo magnético móvil que induce una corriente en la placa de reacción, que luego crea su propio campo magnético. Los campos magnéticos en el conjunto de la bobina primaria y la placa de reacción se alternan, lo que genera fuerza y movimiento lineal directo.

Nave espacial

Existen múltiples aplicaciones para las tecnologías EMP en el campo aeroespacial. Muchas de estas aplicaciones son conceptuales por el momento, sin embargo, también hay varias aplicaciones que van desde el corto plazo hasta el próximo siglo. Una de esas aplicaciones es el uso de EMP para controlar ajustes finos de satélites en órbita. Uno de estos sistemas particulares se basa en las interacciones directas del campo electromagnético del propio vehículo y el campo magnético de la Tierra. La fuerza de empuje puede considerarse como una fuerza electrodinámica de interacción de la corriente eléctrica dentro de sus conductores con el campo natural aplicado de la Tierra. Para lograr una mayor fuerza de interacción, el campo magnético debe propagarse más lejos de la nave de vuelo. La ventaja de estos sistemas es el control muy preciso e instantáneo de la fuerza de empuje. Además, las eficiencias eléctricas esperadas son mucho mayores que las de los cohetes químicos actuales que logran propulsión mediante el uso intermedio de calor; esto da como resultado bajas eficiencias y grandes cantidades de contaminantes gaseosos. La energía eléctrica en la bobina del sistema EMP se traduce en energía potencial y cinética mediante conversión de energía directa. Esto da como resultado que el sistema tenga las mismas altas eficiencias que otras máquinas eléctricas y al mismo tiempo excluye la expulsión de cualquier sustancia al medio ambiente.

Las actuales relaciones empuje-masa de estos sistemas son relativamente bajas. Sin embargo, al no requerir masa de reacción, la masa del vehículo es constante. Además, el empuje puede ser continuo con un consumo eléctrico relativamente bajo. La mayor limitación sería principalmente la conductancia eléctrica de los materiales para producir los valores necesarios de corriente en el sistema de propulsión.

Barcos y submarinos

EMP y sus aplicaciones para barcos y submarinos han sido investigados desde al menos 1958, cuando Warren Rice presentó una patente que describe la tecnología. La tecnología descrita por Rice contemplaba cargar el propio casco del barco. Posteriormente, el diseño se perfeccionó permitiendo que el agua fluyera a través de propulsores como se describe en una patente posterior de James Meng. La disposición consta de un canal de agua abierto en ambos extremos que se extiende longitudinalmente a través del barco o unido a él, un medio para producir un campo magnético en todo el canal de agua, electrodos a cada lado del canal y una fuente de energía para enviar corriente directa a través del canal en ángulos rectos con el flujo magnético de acuerdo con la fuerza de Lorentz.

Ascensores

La empresa de ingeniería alemana Thyssen Krupp ha desarrollado ascensores sin cables que utilizan EMP, capaces de moverse tanto vertical como horizontalmente, para su uso en edificios de gran altura y alta densidad.