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accionamiento magnetohidrodinámico

El Yamato 1 en exhibición en Kobe , Japón. El primer buque MHD a escala real en funcionamiento. Un propulsor magnetohidrodinámico o acelerador MHD es un método para impulsar veh...

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El Yamato 1 en exhibición en Kobe , Japón. El primer buque MHD a escala real en funcionamiento.

Un propulsor magnetohidrodinámico o acelerador MHD es un método para impulsar vehículos utilizando únicamente campos eléctricos y magnéticos, sin partes móviles , acelerando un propulsor conductor de electricidad ( líquido o gas ) mediante magnetohidrodinámica . El fluido se dirige hacia atrás y, como reacción , el vehículo acelera hacia adelante. [ 1 ] [ 2 ]

Los estudios que examinan la MHD en el campo de la propulsión marina comenzaron a finales 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 costo, 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 que utiliza imanes superconductores que se espera alcancen una intensidad de campo de 20 Tesla . [ 10 ]

Se aplican mayores limitaciones técnicas a la propulsión MHD de respiración de aire (donde el aire ambiente se ioniza), que aún se limita a conceptos teóricos y experimentos iniciales. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

También se han estudiado activamente los motores de propulsión de plasma que utilizan magnetohidrodinámica para la exploración espacial , 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 ]

Principio

Ilustración de la regla de la mano derecha para la fuerza de Lorentz, producto vectorial de una corriente eléctrica por un campo magnético.

El principio de funcionamiento se basa en la aceleración de un fluido conductor de electricidad (que puede ser un líquido o un gas ionizado llamado plasma ) mediante 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 , tanto positivas como negativas (en direcciones opuestas). Si predominan las cargas positivas o negativas, el vehículo se mueve en la dirección opuesta a la carga neta.

Este principio de funcionamiento es el mismo que el de un motor eléctrico (más precisamente, un motor lineal ), con la diferencia de que en un accionamiento MHD, el rotor sólido móvil se sustituye por el fluido que actúa directamente como propulsor . Al igual que todos los dispositivos electromagnéticos , un acelerador MHD es reversible: si el fluido de trabajo ambiente se mueve con respecto al 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 partes móviles, transformando la energía cinética del fluido entrante en electricidad , lo que se denomina generador MHD .

Convertidores magnetohidrodinámicos de campo cruzado (tipo Faraday lineal con electrodos segmentados). A: Modo generador MHD. B: Modo acelerador 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 continua de carga en movimiento, es una fuerza "volumétrica" ​​(de cuerpo), una fuerza por unidad de volumen:

F=ρmi+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 en los que fluye una corriente continua a través del fluido debido a la aplicación de un voltaje entre pares de electrodos, manteniéndose el campo magnético constante.
  • Dispositivos de inducción que generan corrientes alternas mediante un campo magnético que varía rápidamente, conocidas como corrientes parásitas . En este caso , no se requieren electrodos.

Dado que los aceleradores MHD de inducción no tienen electrodos, no presentan los problemas comunes de los sistemas de conducción (especialmente el calentamiento Joule, las burbujas y las reacciones redox derivadas de la electrólisis), pero requieren campos magnéticos máximos mucho más intensos para funcionar. Debido a que uno de los mayores problemas de estos propulsores es la energía limitada disponible a bordo, los sistemas de propulsión 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 expulsa de nuevo a través de una boquilla de sección transversal tubular o anular , concentrándose la interacción MHD dentro del tubo (de forma similar a los motores de cohetes o a reacción ).
  • El flujo externo se produce cuando el fluido se acelera alrededor de toda la superficie mojada del vehículo, extendiéndose los campos electromagnéticos alrededor de la carrocería. La fuerza de propulsión resulta de la distribución de la presión sobre la carcasa (como la sustentación en un ala o cómo microorganismos ciliados como el 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 externo, por el contrario, tienen la capacidad de actuar sobre una extensión muy grande de volumen de agua circundante con mayor eficiencia y la capacidad de disminuir la resistencia , aumentando aún más la eficiencia. [ 15 ]

propulsión marina

Vista a través de un tubo en el propulsor del Yamato I, en el Museo de Ciencias Navales de Tokio. Se aprecian las placas de los electrodos en la parte superior e inferior.
Vista del extremo de la unidad de propulsión del Yamato I, en el Museo de Ciencias Navales de Tokio.

El sistema MHD no tiene partes móviles, lo que significa que un buen diseño puede ser silencioso, fiable y eficiente. Además, el diseño MHD elimina muchas de las piezas de desgaste y fricción del sistema de transmisión con una hélice accionada directamente por un motor. Los problemas con las tecnologías actuales incluyen el costo y la velocidad lenta en comparación con una hélice accionada por un motor. [ 8 ] [ 9 ] El costo adicional se debe al gran generador que debe ser accionado 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 baja de su trabajo en Westinghouse Electric , asignó a sus estudiantes de último año de pregrado la construcción de la unidad operativa. Este submarino MHD funcionaba con baterías que suministraban energía a electrodos y electroimanes, los cuales 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, el primer prototipo a tamaño real del mundo, el Yamato 1, se completó en Japón tras seis 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 diez personas más 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 permitió realizar comparaciones exitosas entre las mediciones y la predicción teórica de las velocidades terminales de los barcos. [ 8 ] [ 9 ]

La investigación militar sobre propulsión MHD submarina incluyó torpedos de alta velocidad , vehículos submarinos operados remotamente (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), hasta otros más grandes como los submarinos . [ 21 ]

propulsión de aeronaves

Control de flujo pasivo

Los primeros estudios sobre la interacción de plasmas con flujos hipersónicos alrededor de vehículos datan de finales de la década de 1950, con el concepto de un nuevo tipo de sistema de protección térmica para cápsulas espaciales durante la reentrada a alta velocidad . Dado que el aire a baja presión se ioniza naturalmente a velocidades y altitudes 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 hipersónico ionizado 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 frontal más adelante del vehículo, reduciendo el flujo de calor debido a la brutal recompresión del aire detrás del punto de estancamiento . Estos estudios de control pasivo del flujo aún continúan, pero todavía no se ha construido un demostrador a gran escala. [ 22 ] [ 23 ]

Control de flujo activo

Por el contrario, el control activo del flujo mediante campos de fuerza MHD implica una acción directa e imperiosa de fuerzas para acelerar o ralentizar localmente el flujo de aire , modificando su velocidad, dirección, presión, fricción y parámetros de flujo de calor, con el fin de proteger los materiales y los motores de la tensión, permitiendo el vuelo hipersónico . Se trata de un campo de la magnetohidrodinámica, también llamada magnetogasdinámica , magnetoaerodinámica o magnetoplasma aerodinámica , 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 logra a gran altitud (la conductividad eléctrica del aire aumenta a medida que disminuye la presión atmosférica según la ley de Paschen ) utilizando diversas 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 la adición de sustancias alcalinas de bajo potencial de ionización (como el cesio ) al flujo. [ 24 ] [ 25 ]

Los estudios de MHD aplicados a la aeronáutica intentan extender el dominio de los aviones hipersónicos a regímenes de Mach más elevados:

  • Acción sobre la capa límite para evitar que el flujo laminar se vuelva turbulento. [ 26 ]
  • Mitigación de ondas de choque para el control térmico y la reducción de la resistencia de onda y de forma. Algunos estudios teóricos sugieren que la velocidad del flujo podría controlarse en toda la superficie mojada de una aeronave, de modo que las ondas de choque podrían cancelarse por completo al utilizar suficiente potencia. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]
  • Control del flujo de entrada. [ 25 ] [ 30 ] [ 31 ]
  • Reducción de la velocidad del flujo de aire aguas arriba para alimentar un estatorreactor mediante el uso de una sección generadora MHD combinada con un acelerador MHD aguas abajo en la tobera de escape, alimentado por el generador a través de un sistema de derivación MHD. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

El proyecto ruso Ayaks (Ajax) es un ejemplo del concepto de aeronave hipersónica controlada 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). Un prototipo funcional 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 los Estados Unidos . [ 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 en torno a un motor scramjet , pero también se consideran turborreactores , más fáciles de diseñar, [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] así como estatorreactores subsónicos . [ 42 ]

Estos estudios abarcan un campo de MHD resistiva con número de Reynolds magnético ≪ 1 utilizando gases débilmente ionizados no térmicos , lo que dificulta mucho más el desarrollo de demostradores que en el caso de la 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. [ 43 ]

Perspectivas

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 ), lo cual se descarta en el caso de vuelos en la atmósfera .

No obstante, considerando que el problema actual de la fuente de energía eléctrica está resuelto (por ejemplo, con la disponibilidad de un reactor de fusión compacto de varios megavatios que aún falta ), se 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 externos pueden controlar el flujo sobre toda el área mojada, limitando los problemas térmicos a altas velocidades, el aire ambiente se ionizaría y aceleraría 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, tales aeronaves MHD se aplanarían preferiblemente para tomar la forma de una lente biconvexa . Al no tener alas ni motores a reacción de respiración de aire , no compartiría similitudes con las aeronaves convencionales, sino que se comportaría como un helicóptero cuyas palas del rotor habrían sido reemplazadas por un "rotor puramente electromagnético" sin partes móviles, que aspiraría el aire hacia abajo. Tales conceptos de discos MHD voladores se han desarrollado 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 Vehículo Aéreo Electromagnético sin Alas (WEAV). [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

Estas visiones futuristas se han publicitado en los medios de comunicación, aunque siguen estando fuera del alcance de la tecnología moderna. [ 54 ] [ 11 ] [ 55 ]

propulsión de naves espaciales

Varios métodos experimentales de propulsión espacial se basan en la magnetohidrodinámica. Dado que este tipo de propulsión MHD implica fluidos compresibles en forma de plasmas (gases ionizados), también se la conoce como magnetogasdinámica o magnetoplasmadinámica .

En estos propulsores electromagnéticos , el fluido de trabajo suele ser hidracina , xenón o litio ionizados . Dependiendo del propulsor utilizado, se le puede añadir un metal alcalino 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 los átomos neutros por efecto de las colisiones, se aceleran en la misma dirección por la fuerza 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"), 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 únicamente iones positivos mediante la fuerza de Coulomb a lo largo de un campo eléctrico de alto voltaje .

Los primeros estudios experimentales que involucran aceleradores de plasma de campo cruzado (canales cuadrados y toberas de cohete) datan de finales de la década de 1950. Dichos sistemas proporcionan mayor empuje y mayor impulso específico que los cohetes químicos convencionales e incluso que los modernos propulsores iónicos, a costa de una mayor densidad de energía requerida. [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

Además de los aceleradores de campo cruzado, otros dispositivos que se estudian actualmente incluyen el propulsor magnetoplasmático, a veces denominado acelerador de fuerza de Lorentz (LFA), y el propulsor inductivo pulsado sin electrodos (PIT).

Aún hoy, estos sistemas no están listos para ser lanzados al espacio, ya que todavía carecen de una fuente de energía compacta y adecuada que ofrezca la densidad energética suficiente (como los hipotéticos reactores de fusión ) para alimentar los electroimanes , que consumen mucha 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 los experimentos se realizan en laboratorio, a pesar de que han transcurrido más de 60 años desde las primeras investigaciones sobre este tipo de propulsores.

Ficción

El Oregon, un barco de la serie de libros « Los archivos del Oregon» del autor Clive Cussler , cuenta con un sistema de propulsión magnetohidrodinámica. Esto le permite girar bruscamente y frenar al instante, en lugar de planear durante varios kilómetros. En «Valhalla Rising» , Clive Cussler incorpora este mismo sistema de propulsión al Nautilus del Capitán Nemo .

La adaptación cinematográfica de La caza del Octubre Rojo popularizó el sistema de propulsión magnetohidrodinámica como un "propulsor oruga" para submarinos , un sistema prácticamente indetectable y silencioso diseñado para lograr el sigilo en la guerra submarina . En realidad, la corriente que viaja a través del agua generaría gases y ruido, y los campos magnéticos inducirían una señal 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, el sistema oruga que utilizaba el Octubre Rojo era en realidad un propulsor de chorro de agua del tipo "propulsor de túnel" (los túneles proporcionaban 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, la Starpower 1, construida para demostrar que la exploración y la minería del cinturón de asteroides eran factibles y potencialmente rentables, tenía un sistema de propulsión magnetohidrodinámica acoplado a una planta de energía de fusión .

Véase también

Referencias

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