LA PROPULSIONE MAGNETO-IDRO-DINAMICA (M.H.D.) PER AEROMOBILI, NAVI E NAVICELLE SPAZIALI: realtà o fantascienza?
La propulsione MHD è stata considerata come il sistema di propulsione principale sia per le navi marine che per le navi spaziali in quanto non c'è bisogno di produrre portanza per contrastare la gravità della Terra in acqua (per galleggiamento) o nello spazio (per assenza di peso), cosa che è esclusa nel caso di volo nell’atmosfera. Si potrebbe immaginare futuri aerei di nuova concezione, alimentati silenziosamente da acceleratori MHD, in grado di ionizzare e dirigere l'aria verso il basso a sufficienza per sollevare diverse tonnellate.
Un azionamento magnetoidrodinamico o acceleratore MHD è un metodo per la propulsione di veicoli che utilizza solo campi elettrici e magnetici senza parti in movimento, accelerando un propellente elettricamente conduttivo (liquido o gas) con magnetoidrodinamica. Il fluido è diretto verso la parte posteriore e, come reazione, il veicolo accelera in avanti.
I primi studi sull'MHD nel campo della propulsione navale risalgono ai primi anni ’60.
Sono stati costruiti pochi prototipi funzionanti su larga scala, poiché la propulsione MHD marina rimane impraticabile a causa della sua bassa efficienza, limitata dalla bassa conducibilità elettrica dell'acqua di mare.
L'aumento della densità di corrente è limitato dal riscaldamento Joule e dall'elettrolisi dell'acqua in prossimità degli elettrodi, e l'aumento dell'intensità del campo magnetico è limitato dal costo, dalle dimensioni e dal peso (nonché dalle limitazioni tecnologiche) degli elettromagneti e dalla potenza disponibile per alimentarli.
Più forti limitazioni tecniche si applicano alla propulsione MHD (dove l'aria ambiente è ionizzata) che è ancora limitata ai concetti teorici e ai primi esperimenti.
Sono stati attivamente studiati anche i motori di propulsione al plasma che utilizzano la magneto-idro-dinamica per l'esplorazione dello spazio, in quanto tale propulsione elettromagnetica offre una spinta elevata e un impulso specifico elevato allo stesso tempo, e il propellente durerebbe molto più a lungo dei razzi chimici.
Principio
Il principio di funzionamento consiste nell'accelerazione di un fluido elettricamente conduttivo (che può essere un liquido o un gas ionizzato chiamato plasma) da parte della forza di Lorentz, risultante dal prodotto incrociato di una corrente elettrica (movimento di portatori di carica accelerato da un campo elettrico applicato tra due elettrodi) con un campo magnetico perpendicolare.
La forza di Lorentz accelera tutte le particelle cariche (specie positive e negative) nella stessa direzione, qualunque sia il loro segno, e l'intero fluido viene trascinato attraverso le collisioni. Come reazione, il veicolo viene messo in movimento nella direzione opposta.
Questo è lo stesso principio di funzionamento di un motore elettrico (più esattamente un motore lineare), tranne che in un azionamento MHD, il rotore solido in movimento è sostituito dal fluido che agisce direttamente come propellente.
Come tutti i dispositivi elettromagnetici, un acceleratore MHD è reversibile: se il fluido di lavoro ambientale si muove relativamente al campo magnetico, la separazione della carica induce una differenza di potenziale elettrico che può essere sfruttata con gli elettrodi: il dispositivo agisce quindi come una sorgente di potenza senza alcuna parte mobile che trasforma l'energia cinetica del fluido in ingresso in elettricità, chiamata generatore MHD.
Poiché la forza di Lorentz in un convertitore MHD non agisce su una singola particella di carica isolata né su elettroni in un solido filo elettrico, ma su una distribuzione di carica continua in movimento, si tratta di una forza "volumetrica" (corpo), una forza per unità di volume:
- dove f è la densità di forza (forza per unità di volume),
- ρ la densità di carica (carica per unità di volume),
- E il campo elettrico,
- J la densità di corrente (corrente per unità di superficie) e
- B il campo magnetico.
Tipologia
I propulsori MHD sono classificati in due categorie a seconda delle modalità di funzionamento dei campi elettromagnetici:
- Dispositivi di conduzione quando una corrente continua fluisce nel fluido a causa di una tensione applicata tra coppie di elettrodi, essendo il campo magnetico costante.
- Dispositivi di induzione quando le correnti alternate sono indotte da un campo magnetico a rapida variazione, come le correnti parassite. In questo caso non sono necessari elettrodi.
Poiché gli acceleratori MHD ad induzione sono senza elettrodi, non presentano i problemi comuni relativi ai sistemi di conduzione (in particolare il riscaldamento Joule, bolle e redox da elettrolisi), ma necessitano di campi magnetici di picco molto più intensi per funzionare. Poiché uno dei maggiori problemi con tali propulsori è la limitata energia disponibile a bordo, gli azionamenti MHD ad induzione non sono stati sviluppati fuori dal laboratorio.
Entrambi i sistemi possono mettere in movimento il fluido di lavoro secondo due progetti principali:
- Flusso interno quando il fluido viene accelerato all'interno e spinto indietro da un ugello di sezione trasversale tubolare o ad anello, essendo l'interazione MHD concentrata all'interno del tubo (analogamente ai motori a razzo o a reazione).
- Flusso esterno quando il fluido viene accelerato intorno all'intera area bagnata del veicolo, i campi elettromagnetici che si estendono intorno al corpo del veicolo. La forza di propulsione è il risultato della distribuzione della pressione sul guscio (come il sollevamento su un'ala, o come i ciliatemicroorganismi come il paramecium muovono l'acqua intorno a loro).
I sistemi a flusso interno concentrano l'interazione MHD in un volume limitato, preservando le caratteristiche stealth. I sistemi di campo esterno, al contrario, hanno la capacità di agire su una distesa molto ampia di volume d'acqua circostante con maggiore efficienza e la capacità di ridurre la resistenza aerodinamica, aumentando ulteriormente l'efficienza.
Propulsione navale
La propulsione MHD è molto indicata per le applicazioni militari subacquee perché non ha parti in movimento, il che significa che un buon design può essere silenzioso, furtivo, affidabile ed efficiente. Inoltre, il design MHD elimina molti dei pezzi di usura e di attrito della trasmissione con un'elica azionata direttamente da un motore. Il problema principale dell'MHD è che con le tecnologie attuali è più costoso e molto più lento di un'elica azionata da un motore. La spesa extra è dovuta al grande generatore che deve essere azionato da un motore. Un generatore così grande non è necessario quando un motore aziona direttamente un’elica.
Il primo prototipo, un sottomarino lungo 3 metri chiamato EMS-1, fu progettato e testato nel 1966 da Stewart Way, professore di ingegneria meccanica presso la University of California, Santa Barbara. Way, in congedo dal suo lavoro alla Westinghouse Electric, diresse i suoi studenti universitari dell'ultimo anno per costruire l'unità operativa. Questo sottomarino MHD funzionava con batterie che fornivano energia agli elettrodi e agli elettromagneti, che producevano un campo magnetico di 0,015 tesla. La velocità di crociera è stata di circa 0,4 metri al secondo durante il test nella baia di Santa Barbara, California, tutto secondo le previsioni teoriche.
Successivamente, un prototipo giapponese, il "ST-500", lungo 3,6 metri, raggiunse nel 1979 velocità fino a 0,6 m/s.
Nel 1991, il primo prototipo al mondo di Yamato 1 è stato completato in Giappone dopo 6 anni di ricerca e sviluppo da parte della Ship & Ocean Foundation (in seguito conosciuta come Ocean Policy Research Foundation). La nave ha trasportato con successo un equipaggio di più di dieci passeggeri a velocità fino a 15 km/h nel porto di Kobe Harbour nel giugno 1992.
Modelli di navi di piccole dimensioni furono poi costruiti e studiati a fondo in laboratorio, portando a confronti di successo tra le misurazioni e la previsione teorica delle velocità dei terminali delle navi.
La ricerca militare sulla propulsione subacquea MHD comprendeva siluri ad alta velocità, veicoli subacquei telecomandati (ROV), veicoli subacquei autonomi (AUV), fino a quelli più grandi come i sottomarini.
Propulsione di aeromobili
Controllo passivo del flusso
I primi studi sull'interazione dei plasma con i flussi ipersonici intorno ai veicoli risalgono alla fine degli anni '50, con il concetto di un nuovo tipo di sistema di protezione termica per capsule spaziali durante il rientro ad alta velocità. Poiché l'aria a bassa pressione è naturalmente ionizzata a velocità e altitudine così elevate, si pensava di utilizzare l'effetto di un campo magnetico prodotto da un elettromagnete per sostituire gli scudi ablativi termici con uno "scudo magnetico". Il flusso ionizzato ipersonico interagisce con il campo magnetico, inducendo correnti parassite nel plasma. La corrente si combina con il campo magnetico di Lorentz; le forze che si oppongono al flusso staccano l'onda d'urto di prua più avanti del veicolo, abbassando il flusso di calore che è dovuto alla brutale ricompressione dell'aria dietro il punto di ristagno. Tali studi di controllo passivo del flusso sono ancora in corso, ma un dimostratore su larga scala è già in costruzione.
Controllo attivo del flusso
Il controllo attivo del flusso tramite campi di forza MHD comporta invece un'azione diretta e imperiosa delle forze per accelerare o rallentare localmente il flusso d'aria, modificandone velocità, direzione, pressione, attrito, parametri di flusso di calore, al fine di preservare i materiali e i motori dalle sollecitazioni, permettendo il volo ipersonico. Si tratta di un campo di magnetoidrodinamica detto anche magnetogasdinamica, magnetoaerodinamica o aerodinamica magnetoplasma, in quanto il fluido di lavoro è l'aria (un gas invece di un liquido) ionizzata per diventare elettricamente conduttivo (un plasma).
La ionizzazione dell'aria si ottiene ad alta quota (la conducibilità elettrica dell'aria aumenta man mano che la pressione atmosferica si riduce secondo la legge di Paschen) utilizzando varie tecniche: scarica ad arco elettrico ad alta tensione, RF (microonde), scarica elettromagnetica, laser, e-beam o betatron, sorgente radioattiva..... con o senza la semina di sostanze alcaline a bassa ionizzazione potenziale (come il cesio) nel flusso.
Gli studi MHD applicati all'aeronautica cercano di estendere il dominio dei piani ipersonici a regimi di Mach più elevati:
Azione sullo strato limite per evitare che il flusso laminare diventi turbolento.
Attenuazione delle onde d'urto per il controllo termico e la riduzione della resistenza aerodinamica delle onde e della resistenza aerodinamica delle forme. Alcuni studi teorici suggeriscono che la velocità del flusso potrebbe essere controllata ovunque sull'area bagnata di un aereo, quindi le onde d'urto potrebbero essere totalmente annullate quando si utilizza una potenza sufficiente.
Controllo del flusso in ingresso.
Riduzione della velocità del flusso d'aria a monte per alimentare uno scramjet mediante l'uso di un generatore MHD combinato con un acceleratore MHD a valle dell'ugello di scarico, alimentato dal generatore attraverso un sistema di bypass MHD.
Il progetto russo Ayaks (Ajax) è un esempio del concetto di aereo ipersonico controllato dall'MHD.
Esiste anche un programma statunitense per progettare un sistema di bypass MHD ipersonico, l'Hypersonic Vehicle Electric Power System (HVEPS).
Un prototipo funzionante è stato completato nel 2017, in fase di sviluppo da parte di General Atomics e dell'University of Tennessee Space Institute, sponsorizzato dal laboratorio di ricerca dell'aviazione militare statunitense. Questi progetti hanno lo scopo di sviluppare generatori MHD che alimentano gli acceleratori MHD per una nuova generazione di veicoli ad alta velocità. Tali sistemi di bypass MHD sono spesso progettati intorno ad un motore a getto a scramjet, ma si considerano anche turboreattori più facili da progettare, così come i ramjet subsonici.
Tali studi coprono un campo di MHD resistivo con numero di Reynolds magnetico ≪ 1 utilizzando gas non termici debolmente ionizzati, rendendo lo sviluppo di dimostratori molto più difficile da realizzare rispetto al MHD nei liquidi. I "plasmi freddi" con campi magnetici sono soggetti all'instabilità elettro-termica che si verifica in un parametro critico di Hall, il che rende difficile lo sviluppo su larga scala.
Prospettive future
Come già riferito, la propulsione MHD è stata considerata come il sistema di propulsione principale sia per le navi marine che per le navi spaziali in quanto non c'è bisogno di produrre portanza per contrastare la gravità della Terra in acqua (per galleggiamento) o nello spazio (per assenza di peso), cosa che è esclusa nel caso di volo nell'atmosfera.
Tuttavia, considerando l'attuale problema della sorgente di energia elettrica risolta (ad esempio con la disponibilità di un reattore a fusione compatto multi-megawatt ancora mancante ma molto vicino ad essere realizzato), si potrebbe immaginare futuri aerei di nuova concezione, alimentati silenziosamente da acceleratori MHD, in grado di ionizzare e dirigere l'aria verso il basso a sufficienza per sollevare diverse tonnellate.
Poiché i sistemi a flusso esterno possono controllare il flusso su tutta l'area bagnata, limitando i problemi termici alle alte velocità, l'aria ambiente verrebbe ionizzata e accelerata radialmente dalle forze di Lorentz attorno ad un corpo assial-simmetrico (a forma di cilindro, cono, sfera.....), dove l'intera cellula è il motore.
Sollevamento e spinta si verificherebbero come conseguenza di una differenza di pressione tra le superfici superiore e inferiore, indotta dall'effetto Coandă.
Al fine di massimizzare tale differenza di pressione tra i due lati opposti, e poiché i convertitori MHD più efficienti sono a forma di disco, tali aerei MHD sarebbero preferibilmente appiattiti per assumere la forma di una lente biconvessa. Non avendo né ali né motori a getto d'aria, non avrebbe analogie con i velivoli convenzionali, ma si comporterebbero come un elicottero le cui pale del rotore sono sostituite da un "rotore puramente elettromagnetico" senza parti in movimento, succhiando l'aria verso il basso. Queste visioni futuristiche sono state pubblicizzate dai media, anche se non sono ancora alla portata della tecnologia acquisita o sviluppata industrialmente.
Propulsione di veicoli spaziali:
Motore di propulsione al plasma o Elica magnetoplasmadinamica o elica induttiva pulsata.
Una serie di metodi sperimentali di propulsione di veicoli spaziali si basano sulla magneto-idrodinamica. Poiché questo tipo di propulsione MHD coinvolge fluidi comprimibili sotto forma di gas ionizzati, si parla anche di magneto-plasma-dinamica.
In tali propulsori elettromagnetici, il fluido di lavoro è per la maggior parte del tempo idrazina ionizzata, xenon o litio. A seconda del propellente utilizzato, può essere seminato con alcali come potassio o cesio per migliorare la sua conducibilità elettrica. Tutte le specie cariche all'interno del plasma, dagli ioni positivi e negativi agli elettroni liberi, così come gli atomi neutri per effetto delle collisioni, sono accelerati nella stessa direzione dalla forza di Lorentz "corpo", che risulta dalla combinazione di un campo magnetico con un campo elettrico ortogonale (da cui il nome di "acceleratore di campo incrociato"), questi campi non essendo nella direzione dell'accelerazione. Questa è una differenza fondamentale con i propulsori ionici che si basano sull'elettrostatica per accelerare solo gli ioni positivi utilizzando la forza di Coulomb lungo un campo elettrico ad alta tensione.
I primi studi sperimentali che coinvolgono acceleratori di plasma a campo incrociato (canali quadrati e ugelli per razzi) risalgono alla fine degli anni '50.
Tali sistemi forniscono una spinta maggiore e un impulso specifico più elevato rispetto ai razzi chimici convenzionali e persino agli azionamenti a ioni moderni, al costo di una maggiore densità di energia richiesta.
Alcuni dispositivi studiati al giorno d'oggi, oltre agli acceleratori a campo incrociato, includono la spinta magneto-plasma-dinamica, a volte indicata come l'acceleratore di forza di Lorentz e la spinta induttiva pulsata senza elettrodi (PIT).
Ancora oggi, questi sistemi non sono pronti per essere lanciati nello spazio in quanto mancano ancora di una fonte di alimentazione compatta che offra una densità di energia sufficiente (come ipotetici reattori a fusione) per alimentare gli elettromagneti avidi di potenza, specialmente quelli induttivi pulsati.
Preoccupa anche la rapida ablazione degli elettrodi sotto l'intenso flusso termico. Per questi motivi, gli studi rimangono in gran parte teorici e gli esperimenti sono ancora condotti in laboratorio, anche se sono passati oltre 60 anni dalle prime ricerche su questo tipo di propulsori.
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