Un accionamiento magnetohidrodinámico o acelerador MHD es un método para propulsar vehículos utilizando únicamente campos eléctricos y magnéticos sin partes móviles , acelerando un propulsor eléctricamente conductor ( líquido o gaseoso ) con magnetohidrodinámica . El líquido 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 finales de los años cincuenta. [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 costo, el tamaño y el peso (así como las limitaciones tecnológicas) de los electroimanes y la potencia disponible para alimentarlos. [8] [9] En 2023, DARPA lanzó el programa PUMP para construir un motor marino utilizando imanes superconductores que se espera alcance una intensidad de campo de 20 Tesla . [10]
Se aplican limitaciones técnicas más fuertes a la propulsión MHD por respiración de aire (donde el aire ambiente está ionizado), que todavía se limita 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 dicha 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 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 , de especies positivas y negativas (en direcciones opuestas). Si dominan 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 motor MHD, el rotor móvil sólido se reemplaza por el fluido que actúa directamente como propulsor . Como ocurre 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 entonces como una fuente de energía sin movimiento. piezas, transformando la energía cinética del fluido entrante en electricidad , llamado generador MHD .
.svg/1280px-MHD_converters_(generator_and_accelerator).svg.png)
Como la fuerza de Lorentz en un convertidor MHD no actúa sobre una sola partícula cargada aislada ni sobre los electrones en un cable eléctrico sólido , sino sobre una distribución de carga continua en movimiento, es una fuerza "volumétrica" (corporal), 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 . [ se necesita aclaración ]
Los propulsores MHD se clasifican en dos categorías según la forma en que operan 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 máximos mucho más intensos para funcionar. Dado que uno de los mayores problemas con este tipo de propulsores es la limitada energía disponible a bordo, los motores MHD de inducción 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 sigilosas . Por el contrario, los sistemas de campo externos 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]
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 gasto 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. Un generador tan grande no es necesario cuando un motor acciona 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 permiso de su trabajo en Westinghouse Electric , asignó a sus estudiantes universitarios de último año para construir 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. [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, se completó en Japón el primer prototipo de tamaño real del Yamato 1 del mundo , después de 6 años de investigación y desarrollo (I+D) por parte de 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 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 remotamente (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), hasta vehículos más grandes como los submarinos . [21]
Los primeros estudios sobre la interacción del plasma con los flujos hipersónicos alrededor de los vehículos se remontan a finales de los años 50, con el concepto de un nuevo tipo de sistema de protección térmica para las 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 parásitas 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 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 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 sus parámetros de velocidad, dirección, presión, fricción y 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 llamada magnetogasdinámica , magnetoaerodinámica o aerodinámica del magnetoplasma , 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 según la ley de Paschen ) utilizando diversas técnicas: descarga de arco eléctrico de alto voltaje , descarga luminosa electromagnética de RF ( microondas ) , láser , haz electrónico o betatrón , fuente radiactiva . … con o sin siembra de sustancias alcalinas de bajo potencial de ionización (como cesio ) en el flujo. [24] [25]
Los estudios de 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 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 . [36] [37] [38] Estos proyectos tienen como objetivo desarrollar generadores MHD que alimenten aceleradores MHD para una nueva generación de vehículos de alta velocidad. Estos sistemas de derivación MHD a menudo se diseñan alrededor de un motor scramjet , pero también se consideran turborreactores más fáciles de diseñar, [39] [40] [41], así como estatorreactores subsónicos . [42]
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 el desarrollo 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 es necesario 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 .
Sin embargo, una vez resuelto el problema actual de la fuente de energía eléctrica (por ejemplo, con la disponibilidad de un reactor de fusión compacto de varios megavatios que todavía falta ), se podría imaginar un futuro avión de un nuevo tipo propulsado silenciosamente por aceleradores MHD, capaces de ionizar y dirigir suficiente aire hacia abajo para levantar varias toneladas . Como los sistemas de flujo externos 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 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 . [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, dichos aviones MHD serían preferiblemente aplanados para tomar la forma de una lente biconvexa . Al no tener alas ni motores a reacción que respiren aire , no tendría ninguna similitud con los aviones convencionales, pero se comportaría como un helicóptero cuyas palas habrían sido sustituidas por un "rotor puramente electromagnético" sin ninguna parte móvil, que aspiraría el aire hacia abajo. Estos conceptos de discos MHD voladores han sido desarrollados en la literatura revisada 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. Vehículo (WEAV). [51] [52] [53]
Estas visiones futuristas han sido anunciadas en los medios de comunicación, aunque todavía están 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 comprimibles en forma de plasmas (gases ionizados), también se la conoce como 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 le puede sembrar con álcali 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 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"), no estando estos campos en la dirección de la aceleración. Ésta es una diferencia fundamental con los propulsores de iones que se basan en la electrostática para acelerar sólo 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 los años cincuenta. Estos sistemas proporcionan un mayor empuje y un mayor impulso específico que los cohetes químicos convencionales e incluso los modernos motores de iones, a costa de una mayor densidad de energía requerida. [56] [57] [58] [59] [60] [61]
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 en día, estos sistemas no están listos para ser lanzados al espacio, ya que todavía carecen de una fuente de energía compacta y adecuada que ofrezca suficiente densidad de energía (como 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 motivo de preocupación. Por estas razones, los estudios siguen siendo en gran medida teóricos y todavía se realizan experimentos en el laboratorio, aunque han pasado más de 60 años desde las primeras investigaciones sobre este tipo de propulsores.
Oregon, un barco de la serie de libros Oregon Files del autor Clive Cussler , tiene un propulsor magnetohidrodinámico. Esto permite que el barco gire muy bruscamente y frene instantáneamente, en lugar de deslizarse durante unas pocas millas. En Valhalla Rising , Clive Cussler escribe el mismo impulso en la alimentación del Nautilus del Capitán Nemo .
La adaptación cinematográfica de La caza del Octubre Rojo popularizó el propulsor magnetohidrodinámico como un "propulsor de oruga" para submarinos , un "propulsor 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 película se sugirió que este sonido podría confundirse con actividad geológica. En la novela de la que se adaptó la película, la oruga que utilizaba Octubre Rojo era en realidad una bomba de chorro del tipo llamado "impulsión de túnel" (los túneles proporcionaban un camuflaje acústico para la cavitación de las hélices).
En la novela de Ben Bova El Precipicio , la nave donde tuvo lugar parte de la acción, Starpower 1, construida para demostrar que la exploración y extracción del Cinturón de Asteroides era factible y potencialmente rentable, tenía un propulsor magnetohidrodinámico acoplado a una planta de energía de fusión .
