Un acelerador magnetohidrodinámico o MHD es un método para propulsar vehículos que utiliza únicamente 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. [1] [2]
Los estudios que examinan el MHD en el campo de la propulsión marina comenzaron a fines de la década de 1950. [3] [4] [5] [6] [7]
Se han construido pocos prototipos marinos a gran escala, limitados 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 coste, el tamaño y el peso (así como las limitaciones tecnológicas) de los electroimanes y la energía disponible para alimentarlos. [8] [9] En 2023, DARPA lanzó el programa PUMP para construir un motor marino utilizando imanes superconductores que se espera que alcancen una intensidad de campo de 20 Tesla . [10]
Se aplican limitaciones técnicas más fuertes a la propulsión MHD con respiración de aire (donde el aire ambiente está ionizado), que aún está limitada a conceptos teóricos y experimentos iniciales. [11] [12] [13]
Los motores de propulsión de plasma que utilizan magnetohidrodinámica para la exploración espacial también se han estudiado activamente, ya que la propulsión electromagnética ofrece un alto empuje y un alto impulso específico al mismo tiempo, y el propulsor duraría mucho más que en los cohetes químicos . [14]
El principio de funcionamiento implica la aceleración de un fluido conductor de electricidad (que puede ser un líquido o un gas ionizado llamado plasma ) por la fuerza de Lorentz , resultante del producto vectorial 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 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 cargas induce una diferencia de potencial eléctrico que se puede aprovechar con electrodos : el dispositivo actúa entonces como una fuente de energía sin partes móviles, transformando la energía cinética del fluido entrante en electricidad , llamada 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 electrones en un cable eléctrico sólido , sino sobre una distribución de carga continua en movimiento, es una fuerza "volumétrica" (corporal), una fuerza por unidad de 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 ]
Los propulsores MHD se clasifican en dos categorías según la forma en que funcionan los campos electromagnéticos:
Como los aceleradores de inducción MHD 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 de estos propulsores es la energía limitada disponible a bordo, los propulsores de inducción MHD no se han desarrollado fuera del laboratorio.
Ambos sistemas pueden poner en movimiento el fluido de trabajo según dos diseños principales:
Los sistemas de flujo interno concentran la interacción MHD en un volumen limitado, preservando las características de sigilo . Los sistemas de campo externo, 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 aún más la eficiencia. [15]
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 de transmisión con una hélice impulsada directamente por un motor. Los problemas con las tecnologías actuales incluyen el costo y la baja velocidad en comparación con una hélice impulsada por un motor. [8] [9] 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 en Santa Bárbara . Way, de licencia en su trabajo en Westinghouse Electric , asignó a sus estudiantes de último año de licenciatura 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 teslas. 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. [16] [17] [18] [15]
Más tarde, un prototipo japonés, el "ST-500", de 3,6 metros de largo, alcanzó velocidades de hasta 0,6 m/s en 1979. [19]
En 1991, tras seis años de investigación y desarrollo (I+D) a cargo de la Ship & Ocean Foundation (más tarde conocida como Ocean Policy Research Foundation), se completó en Japón el primer prototipo de tamaño real del mundo , el Yamato 1. El barco transportó con éxito una tripulación de más de diez pasajeros a velocidades de hasta 15 km/h (8,1 nudos) en el puerto de Kobe en junio de 1992. [2] [20]
Posteriormente se construyeron modelos de barcos a pequeña escala y se estudiaron exhaustivamente en el laboratorio, lo que condujo a comparaciones exitosas entre las mediciones y la predicción teórica de las velocidades terminales de los barcos. [8] [9]
La investigación militar sobre la propulsión submarina MHD incluyó torpedos de alta velocidad , vehículos submarinos operados a distancia (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV) y hasta otros más grandes como los submarinos . [21]
Los primeros estudios de la interacción de plasmas con flujos hipersónicos alrededor de vehículos datan de finales de los años 50, con el concepto de un nuevo tipo de sistema de protección térmica para cápsulas espaciales durante la reentrada a alta velocidad . Como el aire de 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 ablativos térmicos 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 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 del 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. [22] [23]
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 los motores del estrés, permitiendo el vuelo hipersónico . Es un campo de magnetohidrodinámica también llamado magnetogasdinámica , magnetoaerodinámica o aerodinámica magnetoplasmática , 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 altitud (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 , descarga luminiscente electromagnética de RF ( microondas ) , láser , haz de electrones o betatrón , fuente radiactiva ... con o sin siembra de sustancias alcalinas de bajo potencial de ionización (como el cesio ) en el flujo. [24] [25]
Los estudios MHD aplicados a la aeronáutica intentan extender el dominio de los aviones hipersónicos a regímenes de Mach superiores:
El proyecto ruso Ayaks (Ajax) es un ejemplo del concepto de avión hipersónico controlado por MHD. [13] También existe un programa estadounidense para diseñar un sistema de derivación de MHD hipersónico, el Sistema de Energía Eléctrica para Vehículos Hipersónicos (HVEPS). En 2017, General Atomics y el Instituto Espacial de la Universidad de Tennessee completaron un prototipo funcional que está siendo desarrollado por ellos , patrocinado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU . [36] [37] [38] 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 estatorreactor , pero también se consideran turborreactores más fáciles de diseñar , [39] [40] [41] así como estatorreactores subsónicos . [42]
Estos estudios cubren un campo de MHD resistivo con número de Reynolds magnético ≪ 1 utilizando gases débilmente ionizados no térmicos , 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 ocurre en un parámetro Hall crítico, lo que dificulta los desarrollos a gran escala. [43]
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 que queda descartado en el caso del 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 aún desaparecido ), uno podría imaginar futuras aeronaves de un nuevo tipo impulsadas 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 sobre toda el área mojada, limitando los problemas térmicos a altas velocidades, el aire ambiente sería ionizado y acelerado radialmente por fuerzas de Lorentz alrededor de un cuerpo axisimétrico (con forma de cilindro , cono , esfera …), siendo toda la estructura del avión 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 . [44] [45] 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, dichas aeronaves MHD se aplanarían preferiblemente 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 partes móviles, que succiona el aire hacia abajo. Tales conceptos de discos MHD voladores 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 , [46] [47] [48] [49] [50] y Subrata Roy con el Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV). [51] [52] [53]
Estas visiones futuristas se han publicitado en los medios de comunicación aunque todavía permanecen fuera del alcance de la tecnología moderna. [54] [11] [55]
Varios métodos experimentales de propulsión de naves espaciales se basan en la magnetohidrodinámica. Como este tipo de propulsión MHD implica fluidos compresibles en forma de plasmas (gases ionizados), también se denomina magnetogasdinámica o magnetoplasmadinámica .
En estos 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 álcali como potasio o cesio para mejorar su conductividad eléctrica. Todas las especies cargadas dentro del plasma, desde iones positivos y negativos hasta electrones libres, así como átomos neutros por efecto de las colisiones, son aceleradas en la misma dirección por la fuerza de "cuerpo" de Lorentz, que resulta de la combinación de un campo magnético con un campo eléctrico ortogonal (de ahí el nombre de "acelerador de campos cruzados"), ya que estos campos no están en la dirección de la aceleración. Esta es una diferencia fundamental con los propulsores iónicos que se basan en 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 que utilizan aceleradores de plasma de campo cruzado (canales cuadrados y toberas de cohetes) se remontan a finales de la década de 1950. Estos sistemas proporcionan un mayor empuje y un impulso específico más alto que los cohetes químicos convencionales e incluso los modernos motores iónicos, a costa de una mayor densidad de energía requerida. [56] [57] [58] [59] [60] [61]
Algunos dispositivos que también se estudian actualmente, 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 en día, estos sistemas no están listos para ser lanzados al espacio, ya que aún carecen de una fuente de energía compacta adecuada que ofrezca suficiente densidad energética (como los hipotéticos reactores de fusión ) para alimentar los electroimanes ávidos de energía , especialmente los inductivos pulsados. La rápida ablación de los electrodos bajo el intenso flujo térmico también es un problema. Por estas razones, los estudios siguen siendo en gran parte teóricos y los experimentos aún se realizan en el laboratorio, aunque han pasado más de 60 años desde las primeras investigaciones en este tipo de propulsores.
Oregon, un barco de la serie de libros Oregon Files del autor Clive Cussler , tiene un motor magnetohidrodinámico. Esto le permite al barco girar muy bruscamente y frenar instantáneamente, en lugar de planear durante unas pocas millas. En Valhalla Rising , Clive Cussler escribe el mismo motor en el motor del Nautilus del capitán Nemo .
La adaptación cinematográfica de La caza del Octubre Rojo popularizó el motor magnetohidrodinámico como un "motor de oruga" para submarinos , un "motor silencioso" casi indetectable destinado a lograr 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 utilizó Octubre Rojo era en realidad un chorro de bomba del tipo llamado "motor de túnel" (los túneles proporcionaban camuflaje acústico para la cavitación de las hélices).
En la novela de Ben Bova , El Precipicio , la nave donde se desarrolla parte de la acción, Starpower 1, construida para demostrar que la exploración y la minería del Cinturón de Asteroides era factible y potencialmente rentable, tenía un motor magnetohidrodinámico acoplado a una planta de energía de fusión .
