Accélérateur MHD

Un accélérateur MHD est un convertisseur MHD qui met en mouvement un fluide conducteur, grâce à un champ électrique et un champ magnétique combinés.



Catégories :

Mécanique des fluides - Machine électrique - Production de l'énergie électrique - Électrotechnique - Plasma - Propulsion alternative

Un accélérateur MHD (magnétohydrodynamique) est un convertisseur MHD qui met en mouvement un fluide conducteur, grâce à un champ électrique et un champ magnétique combinés.

Le principe de base est le même que celui d'un moteur électrique. Tous deux possèdent un inducteur (électroaimant) générant un champ magnétique dans un induit.

Les accélérateurs MHD n'utilisent par conséquent pas de pièce mécanique mobile, contrairement aux moteurs électriques respectant les traditions, ils convertissent directement l'énergie électromagnétique en énergie cinétique. Un fluide est mis en mouvement dans un champ magnétique, par un champ électrique débitant un courant électrique aux limites d'électrodes immergées dans le fluide.

Principe

Sans champ magnétique, la présence d'un champ électrique (électrostatique) accélère les particules chargées du fluide par la force électrique (selon la loi de Coulomb)  :

\vec F_e \ = \ q \; \vec E \,

  • Fe est la force électrique, en newton
  • q est la charge de la particule, en coulomb
  • E est le champ électrique, en volt par mètre

Le sens de cette force est inverse pour les particules positives (accélérées du + vers le -) et les particules négatives (accélérées du - vers le +). Le fluide reste globalement inerte.


Les particules chargées, accélérées par un champ électrique et en mouvement dans un champ magnétique, subissent une force électromagnétique dite force de Lorentz selon l'équation :

 \vec F_{em} \ = \ q \, \vec E \ + \ q \, \vec v \wedge \vec B \,

  • Fem est la force électromagnétique ou force de Lorentz, en newton
  • q est la charge de la particle, en coulomb
  • E est le champ électrique, en volt par mètre
  • v est la vitesse de la particule, en mètre par seconde
  • B est le champ magnétique, en tesla

Fréquemment simplifiée en :

 \vec F \ = \ \vec I \wedge \vec B \,

  • I est le courant électrique, en ampère

Les vecteurs F, I et B sont perpendiculaires les uns aux autres et forment un trièdre dans l'espace selon la règle de la main droite (= trièdre direct).

Le sens de cette force dépend de la charge q, il est par conséquent inverse pour les particules positives et les particules négatives.


Un fluide conducteur possède en son sein des atomes neutres mais aussi des charges positives (ions positifs) et des charges négatives (ions négatifs, plus des électrons libres s'il s'agit d'un plasma). Le champ électrique accélère les particules chargées vers les électrodes en sens opposé selon leur charge ; et le champ magnétique dévie ces particules chargées, durant leur accélération, aussi en sens opposé selon leur charge. Cette double inversion "accélération électrique + déviation magnétique" résulte en une distribution des forces de Lorentz toutes parallèles et de même sens :
Le fluide est mis en mouvement uniforme, car l'ensemble des particules, quelle que soit leur charge (positives et négatives, de même que les neutres par le jeu des collisions) sont entraînées dans le même sens.

Typologie

Champs électromagnétiques

On peut distinguer les accélérateurs MHD :

Écoulement du fluide

Géométries

Les convertisseurs MHD fonctionnant sans pièce mécanique mobile, il peuvent prendre une grande variété de formes :

Tuyères de Faraday à électrodes planes ou segmentées, tuyères de Hall à électrodes décalées.

Applications

Les accélérateurs MHD sont essentiellement utilisés dans l'industrie sous forme de pompes électromagnétiques mais aussi dans les aspects propulsifs de véhicules de haute technologie ; et pour certains types d'armes militaires.

Pompes électromagnétiques

Les pompes électromagnétiques se divisent en quatre grandes catégories :

  • à courant continu
  • à courant alternatif monophasé
  • plates (à barres de court-circuit, FLIP en anglais)
  • annulaires (dites aussi cylindriques, ALIP en anglais)

Les pompes à conduction à courant continu se rapprochent de la roue de Barlow. Deux électrodes injectent un courant continu lorsqu'un électroaimant (ou un aimant permanent) crée le champ magnétique. Leur grand désavantage est qu'il faut mettre en œuvre des intensités particulièrement élevées pour des tensions particulièrement faibles, d'où des pertes joules phénoménales (dans la pompe, dans l'arrivée du courant et dans le dispositif redresseur de courant). Leurs deux avantages fondamentaux sont leur compacité et leur capacité à supporter de hautes températures sans refroidissement. Occasionnellemen spécifique pour des pompes de petite taille, il a été fait appel à des bobinages en argent donnant la possibilité un fonctionnement à des températures pouvant atteindre 600 °C.

Les pompes à conduction à courant alternatif font appel aux deux phénomènes que sont la conduction et l'induction. Leur fonctionnement rappelle celui de certains transformateurs à entrefer. Leur principal défaut, outre leur particulièrement faible rendement, est la cavitation. La pression à l'entrée de la pompe doit par conséquent à tout instant être suffisante (le plus fréquemment supérieure à un bar).

Les pompes à induction se rapprochent des moteurs asynchrones. Le rendement de ces machines est de l'ordre de 15 à 45 %. Il y a plusieurs causes à la limitation du rendement : les métaux liquides sont le plus fréquemment véhiculés par des conduits eux-mêmes métalliques, qui sont le siège de courants électriques parasites induits et de courants de dérivation dans le cas des pompes plates, la totalité provoquant des pertes joules particulièrement importantes. Les effets d'extrémités (c'est-à-dire les phénomènes ayant lieu à l'entrée ainsi qu'à la sortie de la pompe) génèrent des courants parasites diminuant de 15% à 35% la puissance d'une pompe et par la même son rendement. L'épaisseur de l'entrefer est particulièrement importante, à cause d'une part de l'épaisseur du conduit et d'autre part de l'épaisseur des isolants thermiques à mettre en œuvre (sodium, aluminium, magnésium, zinc... ). A cet entrefer physique s'ajoute un entrefer magnétique supplémentaire, dit entrefer de Carter, lié aux effets de denture de l'inducteur. Ces entrefers centimétriques génèrent des problèmes de fuites magnétiques. Dans la majorité des cas ces champs magnétiques de fuite sont plus importants que les champs magnétiques utiles. Les bobinages devant produire les champs magnétiques inducteurs sont par conséquent particulièrement volumineux et sont le siège de pertes par effet Joule importantes. Ils doivent par conséquent être refroidis par de puissants dispositif de ventilation.

Tous ces types de pompes ont été particulièrement utilisés dans les circuits secondaires et de secours du réacteur nucléaire Superphénixpour faire circuler le sodium liquide, mais aussi dans certaines fonderies d'aluminium pour doser ou transférer l'aluminium liquide.

Propulsion spatiale

Les accélérateurs MHD dans l'espace sont le plus souvent nommés propulseurs électromagnétiques à plasma (le plasma est un gaz ionisé). Ils s'inscrivent dans le futur proche de l'exploration spatiale au XXIe siècle[1].

Un gaz ionisé peut être accéléré grâce aux forces de Lorentz, interaction de courants électriques, émis à travers ce gaz, avec des champs magnétiques soit directement induits par ces courants (self-field accelerators) soit générés par des solénoïdes externes (applied-field accelerators). Les propulseurs équipés de solénoïdes peuvent d'ailleurs être conçus pour fonctionner sans décharge électrique dans le gaz (et par conséquent sans électrode), par induction. Dans ce cas, c'est un champ magnétique rapidement variable qui induit des courants électriques dans le gaz, la combinaison des deux générant les forces de Lorentz. La propulsion électromagnétique est la sous-catégorie la plus évoluée de la propulsion électrique[2], qui en compte trois :

  1. Propulsion électrothermique. De telles interactions peuvent servir, dans une première approche, à compresser un arc électrique de grande intensité dans une colonne d'hydrogène, pour chauffer ce gaz et de l'éjecter en expansion à travers une tuyère divergente : on parle alors de propulseur électrothermique, dont une réalisation est l'arcjet.
  2. Propulsion ionique électrostatique. On envisage ensuite d'utiliser ces forces pour contraindre magnétiquement un plasma à l'intérieur d'une enceinte dont on extrait seulement des ions, accélérés par un champ électrique, ou encore pour contrôler magnétiquement la direction de diffusion de ces ions une fois sortis de l'enceinte : c'est un moteur ionique (à forces électrostatiques) où le champ magnétique joue un rôle de confinement. Ces moteurs ioniques électrostatiques permettent de grandes vitesses d'éjection (en moyenne, 40 km/s) mais génèrent de faibles poussées (à cause de la faible densité du flux ionique) et sont utilisés pour le contrôle fin de l'orbite de satellites et la propulsion de sondes spatiales où la durée de voyage n'est pas critique.
  3. Propulsion plasmique électromagnétique. Ces forces peuvent enfin être elles-mêmes de nature propulsive, en accélération directement le plasma. On parle alors de propulseurs électromagnétiques à plasma.


Voici les principaux moteurs électromagnétiques à plasma, par puissance croissante :

Propulsion maritime

Les premières études sur la propulsion MHD en milieu océanique datent de la fin des années 1950 aux États-Unis[9]. En 1958, l'ingénieur Stewart Way, du département R&D de Westinghouse à Pittsburgh, publie un premier rapport officiel[10] sur le sujet. En 1961, Warren A. Rice dépose le premier brevet[11], en parallèle aux travaux des américains James B. Friauf[12] et O. M. Phillips[13]. Un second rapport de Stewart Way[14] est publié en 1964 par l'ASME (American Society of Mechanical Engineers). En 1966, S. Way teste avec succès le premier modèle-réduit de submersible à propulsion MHD pourvu de deux électrodes, long de 3 mètres et pesant 400 kilos, dans la baie de Santa Barbara en Californie. Ces recherches sont stoppées durant la décennie suivante, à cause de l'impossibilité de fabriquer les bobines produisant de très forts champs magnétiques nécessaires à un rendement MHD correct. Les Soviétiques continuent cependant les recherches militaires sur la propulsion MHD des sous-marins, pour rendre ceux-ci silencieux et par conséquent furtifs.

La disponibilité d'électroaimants supraconducteurs, capables de produire les champs magnétiques nécessaires (plusieurs teslas), relance ensuite ces études. Aux USA, celles-ci sont destinées en priorité aux submersibles de l'US Navy[15]. Dans les années 1990, l'Université de Pennsylvanie mène des expériences au FBNML (Francis Bitter National Magnet Laboratory) du MIT (Massachusetts Institute of Technology) en circuit fermé une configuration hélicoïdale, et obtient des vitesses d'écoulement de 3, 7 mètres par seconde et un rendement de 10 % avec un champ magnétique de 8 teslas[16]. En parallèle à ces recherches universitaires, l'US Navy ne commente pas les éventuelles réalisations effectives, mais publie à la même époque plusieurs brevets[17] décrivant des sous-marins à propulsion MHD ainsi qu'à diminution de la traînée par contrôle de la couche limite en poupe.

Les Japonais mènent des recherches civiles sur la propulsion MHD depuis les années 1970. L'université de la marine marchande de Kobé réalise en 1976, sous la direction du physicien Yoshiro Saji, une première maquette suivie d'une seconde de 3, 6 mètres de long pesant 700 kilos en 1979, et envisage à cette époque la future construction d'un brise-glace sans hélices propulsé par MHD[18]. Le premier véritable navire à propulsion MHD, le Yamato 1 (utilisant 12 accélérateurs linéaires de Faraday) navigue pour la première fois en 1992.

La Chine teste aussi à la fin des années 1990 un prototype de bateau à propulseur MHD hélicoïdal pourvu d'un électroaimant de 5 teslas, le HEMS-1[19], et entreprend un partenariat avec le Japon pour tester la propulsion MHD en laboratoire avec des champs magnétiques de grande intensité (15 teslas) [20].

En France, le physicien Jean-Pierre Petit du CNRS réalise, à l'IMFM (Institut de Mécanique des Fluides de Marseille) en 1976, l'annihilation de la vague d'étrave et de la turbulence de sillage autour d'un profil cylindrique, immergé dans un courant d'eau acidulée dans un champ magnétique de 4 teslas, par les forces de Lorentz en écoulement externe[21]. Dans les années 1990, la Marine nationale passe un contrat avec l'Université Grenoble-1, afin d'effectuer au LEGI (Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels) une veille technologique sur la propulsion MHD.

Propulsion atmosphérique

L'action MHD sur l'air est aussi envisageable si cet air est rendu conducteur de l'électricité, par une ionisation qui le transforme en plasma.

Les applications propulsives de la MHD-gaz en milieu atmosphérique visent à vaincre le mur de la chaleur à vitesse hypersonique. Diverses études sont concernées, par ordre de difficulté technique croissant :

Ce cas spécifique de la magnétohydrodynamique appliquée au milieu atmosphérique est la magnétoaérodynamique (MAD).

Armes

Canons à plasma

Certains canons électromagnétiques accélèrent un plasma par les forces de Lorentz, soit pour la propulsion directe des particules chargées à vitesse relativiste, soit pour la poussée d'un obus matériel :

Controverse

Le spécialiste en MHD Jean-Pierre Petit (directeur de recherche au CNRS actuellement à la retraite) défend la thèse non confirmée selon laquelle les militaires américains (et, dans une moindre mesure, les militaires russes) disposeraient d'engins exploitant la MHD-liquide depuis les années 1980 avec des submersibles et des torpilles MHD hypervéloces ; et la MHD-gaz depuis les années 1990 avec des aéronefs secrets hypersoniques : avion espion Aurora (à turboréacteurs conventionnels associés à un pontage MHD pariétal), bombardier antipodal issu du programme B-2 (à contrôle MHD de l'écoulement), drone discoïdal à propulsion MHD. L'évocation d'un prototype d'avion appelé Ajax par les autorités russes, utilisant une propulsion MHD, conforterait cette thèse.

Voir aussi

Liens externes

Notes et références

  1. (en) Advanced propulsion for the XXIst century, R. H. Frisbee, JPL, AIAA-2003-2589, juillet 2003
  2. Lire à ce propos l'ouvrage de référence sur la propulsion électrique :
    (en) Physics of Electric Propulsion, R. G. Jahn, McGraw-Hill Books Co, NY, 1968
    et les développements récents :
    (en) Electric Propulsion, pp. 125-141 dans Encyclopedia of Physical Science and Technology, R. G. Jahn, E. Y. Choueiri, Princeton University, Academic Press, Vol. 5, III Ed. 2002 ; NASA Technology Investments in Electric Propulsion : New Directions in the New Millennium, J. M. Sankovic, Glenn Research Center, NASA, 2002
  3. (en) Pulsed Plasma Thrusters, NASA, Glenn Research Center, 2004
  4. (en) The PIT MkV Pulsed Inductive Thruster, CL. Dailey, R. H. Lovberg, Lewis Research Center, Contract NAS 1-19291, NASA-CR-191155, 13 juillet 1993
  5. (en) The potential of plasma ; Rapid Mars Transits With Exhaust-Modulated Plasma Propulsion, F. R. Chang-Díaz, M. M. Hsu, E. Braden, I. Johnson, T. Fang Yang, NASA Technical Paper 3539, mars 1995
  6. (en) Propagating Magnetic Wave Plasmoid Accelerator, University of Washington, Æronautics and Astronautics Department, Plasma Dynamics Lab, Seattle
  7. (en) Inductive Plasma Accelerator (IPA) , Plasma Dynamics Laboratory, University of Washington, Seattle
  8. (en) Propagating Magnetic Wave Accelerator (PMWAC) for Manned Deep Space Missions
  9. (fr) Le silence d'Octobre Rouge, article de Jean-François Augereau paru dans Le Monde du 24 juin 1992, dressant l'historique de la propulsion MHD maritime
  10. (en) Examination of Bipolar Electric and Magnetic Fields for Submarine Propulsion, S. Way, Preliminary Memorandum Communication to U. S. Navy Bureau of Ships, 15 octobre 1958
  11. (en) Propulsion system, W. A. Rice, US Patent #2, 997, 013, 22 août 1961 ; US Patent #3, 106, 058, 8 octobre 1963
  12. (en) Electromagnetic Ship Propulsion, J. B. Friauf, Journal of the American Society of Naval Engineers, pp. 139-142, février 1961
  13. (en) The Prospects for magnetohydro-dynamic ship propulsion, O. M. Phillips, Journal of Ship Research, Vol. 5, n°4, pp. 43-51, mars 1962
  14. (en) Propulsion of submarines by Lorentz forces in the surrounding sea, S. Way, ASME Paper 64 WA/ENER7, 29 novembre-4 décembre 1964
  15. Recherches effectuées surtout à l'ARL (Applied Research Laboratory) de l'Université de Pennsylvanie, à l'ANL (Argonne National Laboratory) de Chicago, et au Naval Underwater System Center de Newport (devenu le Naval Undersea Warfare Center, Newport dit "NUWC-N")
  16. (en) Studies of Helical Magnetohydrodynamic Seawater Flow in Fields up to Twelve Teslas (T. F. Lin, J. B. Gilbert), Journal of Propulsion and Power, vol. 11, n°6, pp. 1349-1355, nov-dec 1995
  17. (en) Superconducting Electromagnetic Thruster, J. C. S Meng, US Navy, brevet US #5, 333, 444, 2 août 1994 ; Seawater magnetohydrodynamic test apparatus], J. C. S. Meng, NUWC-N, brevet US #5, 369, 992, 11 février 1993 ; Bubble capture electrode configuration, A. M. Aaron, S. C. Dickinson, US Navy, brevet US #5, 685, 966, 20 octobre 1995
  18. (fr) "MHD" : La vitesse sans moteur et sans hélice, Science et Vie, n° 883, pp. 80-87, avril 1991
  19. (en) A superconducting helical MHDP experiment ship (HEMS-1)
  20. (en) Performance analysis of helical MHD thruster in 14 Tesla, AIAA 2002-2173, Chinese Academy of Sciences, 33rd Plasmadynamics and Lasers Conference, Maui, Hawaii, 20-23 mai 2002
  21. (en) Is supersonic flight without shock wave envisageable? (analogic results in hydraulics) , Jean-Pierre Petit, VIII International Conference on MHD Electrical Power Generation, Moscou, 1983. Voir aussi les pages 29 à 39 de cette note technique CNES rédigée par le physicien des plasmas Bernard Zappoli en 1981.
  22. (fr) Œuvres scientifiques, Andreï Sakharov, éd. Anthropos, Paris, 1984)

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