Un propulsor magnetohidrodinámico o acelerador MHD es un método para propulsar vehículos utilizando solo campos eléctricos y magnéticos sin partes móviles , acelerando un propulsor eléctricamente conductor ( líquido o gas ) con magnetohidrodinámica . El líquido se dirige hacia atrás y, como reacción , el vehículo acelera hacia adelante. [1] [2]
Los primeros estudios que examinan el MHD en el campo de la propulsión marina se remontan a principios de la década de 1960. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
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 fuerza 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. [13] [14]
Se aplican limitaciones técnicas más estrictas a la propulsión MHD con respiración de aire (donde el aire ambiente está ionizado) que todavía se limita a conceptos teóricos y experimentos iniciales. [15] [16] [17]
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 . [18]
Principio
El principio de funcionamiento implica 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 los portadores de carga acelerado 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 la misma dirección sea cual sea su signo, y todo el fluido es arrastrado a través de colisiones [ cita requerida ] . Como reacción , el vehículo se pone en movimiento en la dirección opuesta.
Este es el mismo principio de funcionamiento que un motor eléctrico (más exactamente un motor lineal ) excepto que en un accionamiento MHD, el rotor sólido en movimiento es reemplazado 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 se puede aprovechar con electrodos : el dispositivo actúa como una fuente de energía sin movimiento partes, transformando la energía cinética del fluido entrante en electricidad , llamado generador MHD .
Como la fuerza de Lorentz en un convertidor MHD no actúa sobre una sola partícula cargada aislada ni sobre electrones en un cable eléctrico sólido , sino sobre una distribución de carga continua en movimiento, es una fuerza "volumétrica" (del cuerpo), una fuerza por unidad volumen:
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 . [ aclaración necesaria ]
Tipología
Los propulsores MHD se clasifican en dos categorías según la forma en que operan los campos electromagnéticos:
- Dispositivos de conducción cuando fluye una corriente continua en el fluido debido a un voltaje aplicado entre pares de electrodos, siendo el campo magnético constante.
- Los dispositivos de inducción cuando las corrientes alternas son inducidas por un campo magnético que varía rápidamente, como corrientes parásitas . En este caso, no se requieren electrodos.
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 el redox de la electrólisis), pero necesitan campos magnéticos de pico mucho más intensos para funcionar. Dado que uno de los mayores problemas con estos propulsores es la energía limitada disponible a bordo, los accionamientos MHD de inducción no se han desarrollado fuera del laboratorio.
Ambos sistemas pueden poner en movimiento el fluido de trabajo según dos diseños principales:
- Flujo interno cuando el fluido se acelera dentro y se propulsa hacia atrás desde una boquilla de sección transversal tubular o en forma de anillo , y la interacción MHD se concentra dentro de la tubería (de manera similar a los motores a reacción o cohetes ).
- Flujo externo cuando el fluido se acelera alrededor de toda el área mojada del vehículo, los campos electromagnéticos se extienden alrededor de la carrocería del vehículo. La fuerza de propulsión resulta de la distribución de la presión en el caparazón (como la elevación de un ala o cómo los microorganismos ciliados como Paramecium mueven el agua a su alrededor).
Los sistemas de flujo interno concentran la interacción MHD en un volumen limitado, preservando las características de sigilo . Los sistemas de campo externos, por el contrario, tienen la capacidad de actuar sobre una gran extensión de volumen de agua circundante con mayor eficiencia y la capacidad de disminuir la resistencia , aumentando la eficiencia aún más. [11]
Propulsión marina
El 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 gastos y velocidad lenta en comparación con una hélice impulsada por un motor. [13] [14] 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, de licencia de su trabajo en Westinghouse Electric , asignó a sus estudiantes de último año para que construyeran 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 aproximadamente 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. [19] [20] [10] [11]
Más tarde, un prototipo japonés, el "ST-500" de 3,6 metros de largo, alcanzó velocidades de hasta 0,6 m / s en 1979. [21]
En 1991, el primer prototipo de tamaño completo Yamato 1 del mundo se completó en Japón después de 6 años de I + D por la Ship & Ocean Foundation (más tarde conocida como Ocean Policy Research Foundation ). El barco transportó 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. [2] [22]
Posteriormente se construyeron modelos de barcos a pequeña escala y se estudiaron exhaustivamente en el laboratorio, lo que dio lugar a comparaciones satisfactorias entre las mediciones y la predicción teórica de las velocidades terminales del barco. [13] [14]
La investigación militar sobre la propulsión submarina MHD incluyó torpedos de alta velocidad , vehículos submarinos operados a distancia (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), hasta los más grandes como los submarinos . [23]
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 reentrada a alta velocidad . Como el aire a baja presión se ioniza naturalmente a velocidades y alturas tan elevadas, se pensó en utilizar el efecto de un campo magnético producido por un electroimán para reemplazar los escudos ablativos térmicos por un "escudo magnético". El flujo ionizado hipersónico interactúa con el campo magnético, induciendo corrientes parásitas en el plasma. La corriente se combina con el campo magnético para dar fuerzas de Lorentz que se oponen al flujo y separan la onda de choque de proa más adelante del vehículo, reduciendo el flujo de calor que se debe a la brutal recompresión de aire detrás del punto de estancamiento . Estos estudios de control de flujo pasivo aún están en curso, pero aún no se ha construido un demostrador a gran escala. [24] [25]
Control de flujo activo
El control activo del flujo mediante 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 los motores del estrés. , permitiendo el vuelo hipersónico . Es un campo de la magnetohidrodinámica también llamado magnetogasdinámica , magnetoaerodinámica o aerodinámica del magnetoplasma , ya que el fluido de trabajo es el aire (un gas en lugar de un líquido) ionizado para convertirse en conductor eléctrico (un plasma).
La ionización del aire se consigue a gran altura (conductividad eléctrica de aire aumenta la presión atmosférica reduce de acuerdo con la ley de Paschen ) utilizando diversas técnicas: alta tensión de descarga de arco eléctrico , RF ( microondas ) electromagnética de descarga luminiscente , láser , haz de electrones o de betatrón , fuente radiactiva … Con o sin siembra de sustancias alcalinas de bajo potencial de ionización (como cesio ) en el flujo. [26] [27]
Los estudios de MHD aplicados a la aeronáutica intentan extender el dominio de los aviones hipersónicos a regímenes Mach superiores:
- Acción sobre la capa límite para evitar que el flujo laminar se convierta en turbulento.
- Mitigación de ondas de choque para control térmico y reducción del arrastre de onda y arrastre de forma. Algunos estudios teóricos sugieren que la velocidad del flujo podría controlarse en todas partes en el área mojada de una aeronave, por lo que las ondas de choque podrían cancelarse por completo cuando se usa suficiente energía. [28] [29] [30]
- Control de flujo de entrada. [27] [31] [32]
- Reducción de la velocidad del flujo de aire corriente arriba para alimentar un scramjet mediante el uso de una sección de generador MHD combinada con un acelerador MHD corriente abajo en la boquilla de escape, impulsado por el generador a través de un sistema de derivación MHD. [33] [34] [35] [36]
El proyecto ruso Ayaks (Ajax) es un ejemplo del concepto de avión hipersónico controlado por MHD. [17] También existe un programa estadounidense para diseñar un sistema de derivación MHD hipersónico, el Sistema de energía eléctrica para vehículos hipersónicos (HVEPS). En 2017 se completó un prototipo funcional en desarrollo por General Atomics y el Instituto Espacial de la Universidad de Tennessee , patrocinado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE . UU . [37] [38] [39] Estos proyectos tienen como objetivo desarrollar generadores MHD que alimentan aceleradores MHD para una nueva generación de vehículos de alta velocidad. Estos sistemas de derivación MHD a menudo se diseñan en torno a un motor scramjet , pero también se consideran turborreactores más fáciles de diseñar , [40] [41] [42] así como ramjets subsónicos . [43]
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. Los "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. [44]
Prospectos
La propulsión MHD ha sido considerada 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 ), lo cual está descartado. en el caso de vuelo en la atmósfera .
No obstante, teniendo en cuenta el problema actual de la fuente de energía eléctrica resuelto (por ejemplo, con la disponibilidad de un reactor de fusión compacto de varios megavatios aún faltante ), uno podría imaginar un futuro avión de un nuevo tipo impulsado silenciosamente por aceleradores MHD, capaz 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 húmeda, 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 elevación y el empuje surgirían como consecuencia de una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior, inducida por el efecto Coanda . [45] [46] Para maximizar dicha 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, dichos aviones MHD se aplanarían preferiblemente para tomar la forma de una lente biconvexa . Al no tener alas ni motores a reacción con aire , no compartiría similitudes con los aviones convencionales, pero se comportaría como un helicóptero cuyas palas de rotor hubieran sido reemplazadas por un "rotor puramente electromagnético" sin parte móvil, aspirando el aire hacia abajo. Tales conceptos de discos voladores MHD han sido desarrollados en la literatura de revisión por pares desde mediados de la década de 1970 principalmente por los físicos Leik Myrabo con el Lightcraft , [47] [48] [49] [50] [51] y Subrata Roy con Wingless Electromagnetic Air. Vehículo (WEAV). [52] [53] [54]
Estas visiones futuristas se han publicitado en los medios, aunque todavía están fuera del alcance de la tecnología moderna. [55] [15] [56]
Propulsión de naves espaciales
Varios métodos experimentales de propulsión de naves espaciales se basan en la magnetohidrodinámica. Como este tipo de propulsión MHD involucra fluidos compresibles en forma de plasmas (gases ionizados), también se le conoce como magnetogasdinámica o magnetoplasmadynamics .
En tales propulsores electromagnéticos , el fluido de trabajo es la mayor parte del tiempo hidracina ionizada , xenón o litio . Dependiendo del propulsor utilizado, se puede sembrar con álcalis como potasio o 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 acelerados en la misma dirección por la fuerza del "cuerpo" de Lorentz, 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 los 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 impulso específico más alto que los cohetes químicos convencionales e incluso los impulsores de iones modernos, a costa de una mayor densidad de energía requerida. [57] [58] [59] [60] [61] [62]
Algunos dispositivos que también se estudian hoy en día, además de los aceleradores de campo cruzado, incluyen el propulsor magnetoplasmodinámico a veces denominado Acelerador de Fuerza de Lorentz (LFA) y el propulsor inductivo pulsado sin electrodos (PIT).
Incluso hoy en día, 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 reactores de fusión hipotéticos ) para alimentar los electroimanes ávidos de energía , especialmente los inductivos pulsados. La rápida ablación de electrodos bajo el intenso flujo térmico también es motivo de preocupación. Por estos motivos, los estudios siguen siendo en gran parte teóricos y aún se realizan experimentos en el laboratorio, aunque han pasado más de 60 años desde la primera investigación 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 la nave gire muy bruscamente y frene instantáneamente, en lugar de planear unas pocas millas. En Valhalla Rising , Clive Cussler escribe la misma unidad en la alimentación de Capitán Nemo 's Nautilus .
La adaptación cinematográfica de The Hunt for Red October popularizó el impulso magnetohidrodinámico como un "impulso de oruga" para submarinos , un "impulso silencioso" casi indetectable 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 novela de la que se adaptó la película, la oruga que utilizó Octubre Rojo era en realidad una bomba-chorro del tipo llamado "impulsión de túnel" (los túneles proporcionaban camuflaje acústico para la cavitación de las hélices).
En la novela de Ben Bova The Precipice , el barco donde tuvo lugar parte de la acción, Starpower 1, construido para demostrar que la exploración y la minería del Cinturón de Asteroides era factible y potencialmente rentable, tenía un impulso magnetohidrodinámico acoplado a una planta de energía de fusión .
Ver también
- Electrohidrodinámica
- Lista de artículos sobre plasma (física)
- Fuerza de Lorentz , relaciona los campos eléctricos y magnéticos con la fuerza de propulsión.
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enlaces externos
- Demuestre la propulsión magnetohidrodinámica en un minuto