Motor, hèlix i lema, a punt de superar-se

1992/03/01 Sarriegi Eskisabel, Andoni Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Garraioak

L'energia electromagnètica de l'aigua de la mar ja no és ficció que els bussejadors molt silenciosos i ambiciosos es realitzin sense motors ni peces mòbils. Encara no ho està, però estudis molt avançats i en molts països. Al cap d'uns anys, els descobriments sobre l'impuls magneto-hidro-dinàmic (MHD) han cobrat gran rellevància. El principi físic en si mateix és molt senzill i ja porta segle i mig explicant-ho en els Ensenyaments Mitjans.

Figura . Busseig de reacció. El
silenci, la rapidesa i la lleugeresa d'ús són els avantatges d'un busseig d'impuls magneto-hidro-dinàmic. Dins de cada impulsor tubular (1) dos elèctrodes (2 i 3) des del contacte, creen un camp elèctric transversal (fletxes grogues), per la qual cosa també el corrent, i en l'aigua salada de la mar dins del tub. La bobina superconductor (4), mentre està alimentada per un corrent (5), forma un camp magnètic vertical en l'aigua (fletxes verdes), perpendicular al camp elèctric. La interacció d'aquests dos camps, encara que feblement conductor en aigües marines, genera la força de Laplace/Lorenz (6) (associació simultània del camp elèctric i magnètic respecte a) i aquesta força electromagnètica és la que impulsa l'aigua cap endarrere. Per reacció, el busseig s'impulsa cap endavant. Aquest impuls tipus MHD funciona amb "conductivitat i circulació interna". Conductivitat, ja que gràcies als elèctrodes genera corrent elèctric en l'aigua de la mar, i per trànsit intern, aquests camps elèctrics i magnètics s'accionen internament en les aigües marines.

Si s'agafa un conductor elèctric com el fil de coure i se li aplica un camp elèctric, el fil el travessa un corrent elèctric. Ara, anem a murgar en un camp magnètic creat per un imant i associat al camp elèctric: la influència d'aquests dos camps entre si fa que el conductor, d'acord amb la llei de Laplace/Lorenz, generi força electromagnètica, on la direcció de la força és, a més, associada al camp electromagnètic i al camp elèctric. Si el fil de coure és lliure, aquesta força pot provocar un desplaçament.

El valor d'aquest efecte també és aplicable a conductors líquids o gasosos, i especialment a l'aigua de mar. De fet, en ser aigua salada, és conductor de l'electricitat a diferència de l'aigua dolça. En conseqüència, si un vaixell té equip amb dispositiu d'aplicació simultània de camp magnètic i camp elèctric en aigües marines, l'aigua sofrirà la força de Laplace/Lorenz i el vaixell es desplaçarà, és a dir, serà capaç de moure's cap endavant! El sistema d'impuls denominat MHD és per tant un sistema d'impuls reactiu. La força exercida en l'aigua actua de reacció en el vaixell.

Així que també penses: Si és una cosa tan simple, per què no s'ha pensat i posat en marxa abans? Sí. S'ha pensat, però el propi estudi l'esmentava en la seva publicació cap a 1960. De fet, els seus resultats van ser capaços de desesperar a qualsevol persona en aquells temps. El primer treball d'estudi sobre l'impuls magneto-hidro-dinàmic per als vaixells va ser escrit en 1962 per un americà anomenat Phillips, i entre altres, va expressar:

1. Amb els actuals mitjans d'inducció magnètica, el sistema més adequat impulsaria el busseig de 600 peus a una velocitat de 10 nusos amb un rendiment elèctric del 8%. Per a aconseguir majors rendiments i velocitats es necessiten zones molt majors.
2. Aquest pobre resultat es deu a la baixa conductivitat de l'aigua de la mar.
   
3. El mal rendiment i els impulsos febles d'aquest sistema fan incapaç d'utilitzar-lo com a sistema d'impuls.

L'aigua de la mar és en realitat un mal conductor de l'electricitat. La seva conductivitat és deu milions de vegades menor que la del coure i, com ha destacat Phillips, per a compensar aquest inconvenient, es necessiten zones de gran força, però els mitjans d'aquella època no els oferien. A causa d'aquestes manques tècniques i al seu caràcter conserver, les recerques es van prolongar fins a 1967.

Passats uns anys, es va reprendre el tema i va continuar estudiant, la superconductivitat ha donat un gran avanç. Per cert, els superconductors són materials que a penes contraposen resistència a la circulació elèctrica i que admeten densitats de corrent milers de vegades superiors a les acceptades pel propi coure. El nucli de la clau era, per tant, material.

En aquest sentit, una bobina superrconductora és capaç de generar un camp magnètic cent per cent més gran que l'electroimant normal, i a més sense grans despeses de calefacció i electricitat per efecte Joule. Aquest gran camp magnètic ha provocat la revisió del sistema d'impuls tipus MHD.

Figura . L'aigua es refreda en els extrems. En
uns minuts la pressió baixa i l'aigua s'evapora per sota dels 100è. A baixa pressió, l'evaporació també es produeix a baixes temperatures. És el que una hèlix influeix sobre la seva superfície en girar a alta velocitat en l'aigua. La pressió disminueix prou com perquè les bombolles de vapor es formin en fred. És el que es coneix com a buit o cavitació. Aquestes bombolles incrementen el so natural de l'hèlix i generen un soroll especial. El silenci imprescindible del submarinisme es veu afectat.

Els americans van ser els primers a iniciar a principis dels anys 80 els treballs teòrics sobre aquesta mena d'impuls. Les seves recerques, entre les quals destaquen les del laboratori Argonpe d'Illinois, són costejades pel Departament de Defensa i volen ser utilitzades en el submarinisme. Els bussejadors militars, per exemple, s'enfronten en aquests moments a un problema decisiu: el silenci.

Les seves peces mecàniques giratòries (motors, hèlixs, eixos motrius, etc.) produeixen sorolls que els sistemes de detecció poden identificar. Per exemple, el gir de l'hèlix produeix una reducció de pressió en una zona pròxima i l'aigua s'evapora. Aquest fenomen de buit produeix un soroll especial, important i identificable, que es veu obstaculitzat amb el sistema d'impulsió tipus MHD; l'interès d'un submarinisme, per descomptat, és un funcionament totalment silenciós, sense hèlixs ni peces mòbils.

El silenci no és l'única qualitat del sistema d'impuls tipus MHD. Aquesta manera d'impuls permet, teòricament, circular a velocitats molt altes i obtenir rendiments energètics molt alts. Ofereix la possibilitat teòrica d'eliminar qualsevol peça mecànica mòbil, incloent el lema, així com millorar els rendiments hidrodinàmics dels vaixells.

El sistema d'impuls tipus MHD no hauria de limitar-se a activitats militars. En aquest àmbit és molt important la iniciativa japonesa. I és que en els últims temps, finançats per grans societats privades, s'han ficat molt intensament en un programa experimental civil. La Universitat de Kobe compta amb una maqueta d'un nou equip d'impulsors d'aquest tipus.

Els antics soviètics, per part seva, han treballat durant molt de temps al Riga (Letònia) en un centre de recerca molt important dedicat a l'àrea d'impuls de líquids MHD. Ara tot això, amb la independència de Letònia i la profunda crisi econòmica de les repúbliques soviètiques, se sap, però almenys l'après.

França tampoc camina darrere. Un petit grup porta més de dos anys treballant en l'Institut de Mecànica de Grenoble i, entre altres, en el camp de les necessitats espacials (avió espacial Hermes), la indústria nuclear, Madylam, fusió termonuclear, aplicacions metal·lúrgiques (plasma), superconductors, electroquímica, etc. Per a això compten amb el suport del gran industrial Jeumont-Schneider, del nord de França. Inicialment, aquest equip de Grenoble estava fent treballs de síntesi teòrica, que consistia en una anàlisi exhaustiva dels diferents tipus d'impulsos per a MHD.

Però tornant al tema, l'anomenat impuls conductual, en funció de l'origen descrit al principi de l'article –combinació del camp elèctric més el camp magnètic, igual que la creació de la força associada a Laplace/Lorenz–, no és l'única possibilitat i existeix una segona via, l'impuls inductiu.

Figura . L'ús de MHD per part dels atrevits i submarinistes ha augmentat.
Al Japó ja compten amb el projecte d'aplanador d'impuls tipus MHD. L'escorça o casc del conill és de mig cilindre amb tres o quatre bobines superrconductoras (1) separades per angles de 30°. Cada bobina està muntada amb un parell d'elèctrodes amb un ànode (2) i un càtode (3). Segons l'actitud de les bobines i la successió dels càtodes d'ànodes, se'ls alimenta el corrent i els elèctrodes creen camps elèctrics tangents al casc (fletxa groga). Al mateix temps, els camps magnètics creats en l'aigua per bobines superrconductoras (fletxa verda) es coneixen per raigs en el casc, sempre units a camps elèctrics. En conseqüència, donen força a la plau/Lorenz (4) i aquestes exerceixen una força col·lateral i direccional sobre l'eix del vaixell, empenyent el vaixell cap endavant. A diferència del submarinisme, aquest cas és d'impuls en MHD de trànsit extern. Aquest tipus de busseig també està en projecte al Japó.

Com és sabut, la inducció elèctrica va ser descoberta per Faraday cap a 1830. El camp magnètic que es desplaça i/o canvia de valor crea en un cos conductor l'anomenat corrent induït. Per tant, el sistema d'impuls per inducció és d'aplicació exclusiva d'aquesta llei. En l'aigua de mar es produeix un camp magnètic lliscant a través d'una bobina de manera adequada per a passar un corrent altern.

Aquest camp magnètic ondula el bobinatge longitudinalment. En ser variable, genera corrents induïts en l'aigua i la interacció entre el parell magnètic/corrent induïda es transforma en força exercida en l'aigua, arribant a ser prou per a avançar cap al vaixell.

En resum, la diferència entre els dos tipus d'impulsos és que els impulsos per conducció utilitzen dues zones separades –el camp elèctric generat pels elèctrodes i el camp magnètic generat per una bobina–, mentre que els impulsos per inducció, el camp elèctric és induït per un camp magnètic lliscant i l'absència d'elèctrodes (solució que va investigar Phillips i va comentar al principi).

Un altre qüestionari d'aquesta parella alternativa de conducció/inducció se centra en els següents conceptes: si es pot fer un vaixell o busseig per a funcionar amb impulsió en MHD; si el camp magnètic i elèctric es pot crear en l'exterior del casc i si la força d'impuls ho rebota al voltant del vaixell; o si es pot aconseguir que l'aigua circuli pels canals que circulen al llarg del vaixell en aquest canal.

Per totes dues vies, els impulsors poden ser de quatre tipus: conducció per trànsit exterior, conducció per trànsit interior o per canal, inducció per circulació exterior i inducció per circulació interior o per canal. Compararem les característiques i conclusions d'aquestes quatre formes i en funció dels resultats obtinguts i sobretot de les necessitats, es podrà realitzar la selecció.

Què triar, de conducció o d'inducció?

Cada opció té els seus avantatges i inconvenients i tot depèn de peticions concretes. Per exemple, el d'inducció té l'avantatge de no tenir elèctrodes, evitant problemes de corrosió, electròlisi i soroll d'aquest tipus (molt interessant per al submarinisme, per exemple). Per contra, les d'inducció, són molt difícils de maniobrar i cada vegada que cal canviar de velocitat, és necessari regular la sincronització del camp magnètic canviant la seva freqüència, la qual cosa pot reduir el rendiment. La retranquilla també és molt difícil d'induir. En general, l'última és més flexible, però també té problemes. Per tant, cal buscar la solució corresponent.

Trànsit intern o extern?

Comparativament en l'actualitat, un avantatge visual és que el rendiment elèctric podria aconseguir un nivell entre el 65% i el 85% de la resta d'àrees disseminades dins del canal o canal. Aquest rendiment, no obstant això, és molt més feble quan es realitza en zones exteriors del conill. Perquè l'energia es dispersa sobretot cap a l'infinit, "escalfant la mar"... D'altra banda, en allunyar-se una mica del casc, el camp elèctric i el magnètic no es mantenen units entre si.

Figura . Tindrà futur el sistema d'impuls MHD?
Aquesta llanxa japonesa haurà de donar principi a la resposta. Amb 22 m de llarg, 10 m d'ample i 150 t de pes, està equipat amb les tècniques tractores de busseig d'impuls MHD "amb conducció de circulació interna". 6 canals de 0,25 cm de diàmetre amb un parell d'elèctrodes de 2,5 m de longitud cadascun. La força d'impuls anunciada és de 8.000 N i té una velocitat de 10 nusos (18 km/h) amb capacitat per a 10 passatgers. Aquests resultats encara són pitjors per als conills comercials, però el sistema pot millorar… i segurament el tindrà.

Un altre avantatge de la circulació de canals o tubs és la del silenci, molt apreciada almenys en l'àmbit militar. Els camps electromagnètics enviats a l'exterior del conill emeten un senyal massa fàcil de reconèixer. Però el trànsit interior també té inconvenients. De fet, l'aigua que impulsa el conill al circular pel canal o conducte sofreix una fricció o fregament addicional en les superfícies més importants mullades i el rendiment hidrodinàmic tampoc és tan bo en aquest sistema.

Sembla que, per consideracions de rendiment, simplicitat d'ús, etc., el sistema d'impuls per conducció de canal s'ha promogut per a l'acció civil (en la barca ràpida dels japonesos esmentats) i per contra, el de circulació exterior en les proves de busseig militar americà i en el projecte del valent de gel en la Universitat de Kobe al Japó, sense que això signifiqui que la inducció hagi estat definitivament descartada.

En l'actualitat, els japonesos de la Universitat de Kobe han exposat la segona maqueta del seu nou model de barca (figura 4) equipada amb un sistema d'impulsió tipus MHD de 6 sectors cadascun, amb una longitud de 2,5 m i un diàmetre de 25 cm formant canals o tubs cilíndrics. Té dos elèctrodes llisos paral·lels i té el camp elèctric associat al magnètic, circulant les aigües als murs del conill. L'elecció de diferents sectors permet obtenir la millor eficàcia del camp magnètic, reduint les pèrdues de camp magnètic en les ubicacions en anell (4 tesles en el centre dels canals).

Per contra, aquest avanç de l'energia electromagnètica es realitza a costa del rendiment hidrodinàmic. De fet, 6 canals multipliquen per igual el fregament amb les seves parets interiors. Aquest conill, construït per a demostrar l'efectivitat de l'impulso tipus MHD en conills flotants, haurà d'aconseguir millors resultats per a aconseguir rendiments econòmicament interessants.

Els americans encara no han estat capaços de passar per la maqueta del seu busseig. Al llarg de diversos anys s'han realitzat estudis tècnics sobre l'impuls a la conducció amb circulació interna per canals, però amb diverses figures geomètriques. Els elèctrodes, zones i circulacions presenten representacions molt complexes.

Els rendiments i resultats per a cada tipus ja estan calculats. L'impulsor per a conills grans està experimentant en túnel. Amb una longitud de 15 m, estan preparades per a recrear les característiques d'un veritable busseig, però a l'ésser l'impulsor un immoble, l'aigua és la que circula. Sembla ser que a gran escala encara no han pogut ser en Errenteria. Per exemple, un busseig de 200 m de longitud i uns 15 m de diàmetre requeriria de diverses desenes de megavats de potència per a moure's a 20 nusos, la qual cosa és impossible. Per tant, encara té molt a millorar!

Els descobriments entorn de 1986 i els nous superrconductores poden contribuir potencialment a millorar els resultats del sistema d'impuls en MHD. Aquests nous materials (ceràmiques, òxid de coure, etc.) no necessiten temperatures tan baixes com els aliatges emprats fins al moment (-269 °C) per a mantenir la superconductivitat i el seu contingut en nitrogen líquid (-196 °C) és suficient, per la seva baixa facilitat d'ús i cost.

Això explica el prestigi dels nous "super" creats en 1986. En l'actualitat sembla que es pot utilitzar de qualsevol manera aquests materials. No obstant això, els científics prefereixen esperar. I és que arribaran abans o després el que necessiten. Per tant, el desenvolupament de tot això depèn en gran manera dels superrconductores.

Mentrestant, a partir d'avui, gràcies al submarinisme en MHD i a les barques ràpides, els mateixos equips que els superrconductores clàssics refrigerats per heli passen a ser capaços de competir amb uns altres superrconductores i mètodes de refrigeració, amb embarcacions a motor.