Motor, hélice e lema, a piques de superarse

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

• Ingeniaritza
• Garraioak

A enerxía electromagnética da auga do mar xa non é ficción que os mergulladores moi silenciosos e ambiciosos realícense sen motores nin pezas móbiles. Aínda non o está, pero estudos moi avanzados e en moitos países. Ao cabo duns anos, os descubrimentos sobre o impulso magneto-hidro-dinámico (MHD) cobraron gran relevancia. O principio físico en si mesmo é moi sinxelo e xa leva século e medio explicándoo nos Ensinos Medios.

Figura . Mergullo de reacción. O
silencio, a rapidez e a lixeireza de uso son as vantaxes dun mergullo de impulso magneto-hidro-dinámico. Dentro de cada impulsor tubular (1) dous electrodos (2 e 3) desde o contacto, crean un campo eléctrico transversal (frechas amarelas), polo que tamén a corrente, e na auga salgada do mar dentro do tubo. A bobina superconductor (4), mentres está alimentada por unha corrente (5), forma un campo magnético vertical na auga (frechas verdes), perpendicular ao campo eléctrico. A interacción destes dous campos, aínda que debilmente condutor en augas mariñas, xera a forza de Laplace/Lorenz (6) (asociación simultánea do campo eléctrico e magnético con respecto a) e esta forza electromagnética é a que impulsa a auga cara atrás. Por reacción, o mergullo impúlsase cara adiante. Leste impulso tipo MHD funciona con conductividad "e circulación interna". Conductividad, xa que grazas aos electrodos xera corrente eléctrica na auga do mar, e por tráfico interno, estes campos eléctricos e magnéticos acciónanse internamente nas augas mariñas.

Se se colle un condutor eléctrico como o fío de cobre e aplícaselle un campo eléctrico, o fío atravésao una corrente eléctrica. Agora, imos a murgar nun campo magnético creado por un imán e asociado ao campo eléctrico: a influencia destes dous campos entre si fai que o condutor, de acordo coa lei de Laplace/Lorenz, xere forza electromagnética, onde a dirección da forza é, ademais, asociada ao campo electromagnético e ao campo eléctrico. Se o fío de cobre é libre, esta forza pode provocar un desprazamento.

O valor deste efecto tamén é aplicable a condutores líquidos ou gaseosos, e especialmente á auga de mar. De feito, ao ser auga salgada, é condutor da electricidade a diferenza da auga doce. En consecuencia, se un barco ten equipo con dispositivo de aplicación simultánea de campo magnético e campo eléctrico en augas mariñas, a auga sufrirá a forza de Laplace/Lorenz e o barco desprazarase, é dicir, será capaz de moverse cara adiante! O sistema de impulso denominado MHD é por tanto un sistema de impulso reactivo. A forza exercida na auga actúa de reacción no barco.

Así que tamén pensas: Si é algo tan simple, por que non se pensou e posto en marcha antes? Si. Pensouse, pero o propio estudo mencionábao na súa publicación cara a 1960. De feito, os seus resultados foron capaces de desesperar a calquera persoa naqueles tempos. O primeiro traballo de estudo sobre o impulso magneto-hidro-dinámico paira os barcos foi escrito en 1962 por un americano chamado Phillips, e entre outros, expresou:

1. Cos actuais medios de indución magnética, o sistema máis adecuado impulsaría o mergullo de 600 pés a unha velocidade de 10 nós cun rendemento eléctrico do 8%. Paira conseguir maiores rendementos e velocidades necesítanse zonas moito maiores.
2. Este pobre resultado débese á baixa conductividad da auga do mar.
   
3. O mal rendemento e os impulsos débiles deste sistema fan incapaz de utilizalo como sistema de impulso.

A auga do mar é en realidade un mal condutor da electricidade. O seu conductividad é dez millóns de veces menor que a do cobre e, como destacou Phillips, paira compensar este inconveniente, necesítanse zonas de gran forza, pero os medios daquela época non os ofrecían. Debido a estas carencias técnicas e ao seu carácter conserveiro, as investigacións prolongáronse até 1967.

Pasados uns anos, retomouse o tema e continuou estudando, a superconductividad deu un gran avance. Por certo, os superconductores son materiais que apenas contrapoñen resistencia á circulación eléctrica e que admiten densidades de corrente miles de veces superiores ás aceptadas polo propio cobre. O núcleo da clave era, por tanto, material.

Neste sentido, una bobina superrconductora é capaz de xerar un campo magnético cento por cento máis grande que o electroimán normal, e ademais sen grandes gastos de calefacción e electricidade por efecto Joule. Este gran campo magnético provocou a revisión do sistema de impulso tipo MHD.

Figura . A auga arrefríase nos extremos. Nuns
minutos a presión baixa e a auga se evapora por baixo dos 100º. A baixa presión, a evaporación tamén se produce a baixas temperaturas. É o que una hélice inflúe sobre a súa superficie ao virar a alta velocidade na auga. A presión diminúe o suficiente como para que as burbullas de vapor fórmense en frío. É o que se coñece como baleiro ou cavitación. Estas burbullas incrementan o son natural da hélice e xeran un ruído especial. O silencio imprescindible do submarinismo vese afectado.

Os americanos foron os primeiros en iniciar a principios dos anos 80 os traballos teóricos sobre este tipo de impulso. As súas investigacións, entre as que destacan as do laboratorio Argonpe de Illinois, son custeadas polo Departamento de Defensa e queren ser utilizadas no submarinismo. Os mergulladores militares, por exemplo, enfróntanse nestes momentos a un problema decisivo: o silencio.

As súas pezas mecánicas giratorias (motores, hélices, eixos motrices, etc.) producen ruídos que os sistemas de detección poden identificar. Por exemplo, o xiro da hélice produce una redución de presión nunha zona próxima e a auga se evapora. Este fenómeno sen carga produce un ruído especial, importante e identificable, que se ve obstaculizado co sistema de impulsión tipo MHD; o interese dun submarinismo, por suposto, é un funcionamento totalmente silencioso, sen hélices nin pezas móbiles.

O silencio non é a única calidade do sistema de impulso tipo MHD. Este modo de impulso permite, teoricamente, circular a velocidades moi altas e obter rendementos enerxéticos moi altos. Ofrece a posibilidade teórica de eliminar calquera peza mecánica móbil, incluíndo a lema, así como mellorar os rendementos hidrodinámicos dos buques.

O sistema de impulso tipo MHD non debería limitarse a actividades militares. Neste ámbito é moi importante a iniciativa xaponesa. E é que nos últimos tempos, financiados por grandes sociedades privadas, metéronse moi intensamente nun programa experimental civil. A Universidade de Kobe conta cunha maqueta dun novo equipo de impulsores deste tipo.

Os antigos soviéticos, pola súa banda, traballaron durante moito tempo no Riga (Letonia) nun centro de investigación moi importante dedicado á área de impulso de líquidos MHD. Agora todo isto, coa independencia de Letonia e a profunda crise económica das repúblicas soviéticas, sábese, pero polo menos o apreso.

Francia tampouco anda detrás. Un pequeno grupo leva máis de dous anos traballando no Instituto de Mecánica de Grenoble e, entre outros, no campo das necesidades espaciais (avión espacial Hermes), a industria nuclear, Madylam, fusión termonuclear, aplicacións metalúrxicas (plasma), superconductores, electroquímica, etc. Paira iso contan co apoio do gran industrial Jeumont-Schneider, do norte de Francia. Inicialmente, este equipo de Grenoble estaba a realizar traballos de síntese teórica, que consistía nunha análise exhaustiva dos diferentes tipos de impulsos paira MHD.

Pero volvendo ao tema, o chamado impulso conductual, en función da orixe descrita ao principio do artigo –combinación do campo eléctrico máis o campo magnético, igual que a creación da forza asociada a Laplace/Lorenz–, non é a única posibilidade e existe una segunda vía, o impulso inductivo.

Figura . O uso de MHD por parte dos atrevidos e submarinistas aumentou.
En Xapón xa contan co proxecto de allanador de impulso tipo MHD. A cortiza ou casco do coello é de medio cilindro con tres ou catro bobinas superrconductoras (1) separadas por ángulos de 30°. Cada bobina está montada cun par de electrodos cun ánodo (2) e un cátodo (3). Segundo a actitude das bobinas e a sucesión dos cátodos de ánodos, aliméntaselles a corrente e os electrodos crean campos eléctricos tangentes ao casco (frecha amarela). Ao mesmo tempo, os campos magnéticos creados na auga por bobinas superrconductoras (frecha verde) coñécense por raios no casco, sempre unidos a campos eléctricos. En consecuencia, dan forza á place/Lorenz (4) e estas exercen una forza colateral e direccional sobre o eixo do buque, empuxando o buque cara adiante. A diferenza do submarinismo, este caso é de impulso en MHD de tráfico externo. Este tipo de mergullo tamén está en proxecto en Xapón.

Como é sabido, a indución eléctrica foi descuberta por Faraday cara a 1830. O campo magnético que se despraza e/ou cambia de valor crea nun corpo condutor a chamada corrente inducida. Por tanto, o sistema de impulso por indución é de aplicación exclusiva desta lei. Na auga de mar prodúcese un campo magnético deslizante a través de una bobina de forma adecuada paira pasar una corrente alterna.

Este campo magnético ondula o bobinado longitudinalmente. Ao ser variable, xera correntes inducidas na auga e a interacción entre o par magnético/corrente inducida transfórmase en forza exercida na auga, chegando a ser o suficiente paira avanzar cara ao buque.

En resumo, a diferenza entre os dous tipos de impulsos é que os impulsos por condución utilizan dúas zonas separadas –o campo eléctrico xerado polos electrodos e o campo magnético xerado por unha bobina–, mentres que os impulsos por indución, o campo eléctrico é inducido por un campo magnético deslizante e a ausencia de electrodos (solución que investigou Phillips e comentou ao principio).

Outro cuestionario desta parella alternativa de condución/indución céntrase nos seguintes conceptos: se se pode facer un barco ou mergullo paira funcionar con impulsión en MHD; se o campo magnético e eléctrico pódese crear no exterior do casco e se a forza de impulso o rebota ao redor do barco; ou si pódese conseguir que a auga circule polas canles que circulan ao longo do barco nesa canle.

Por ambas as vías, os impulsores poden ser de catro tipos: condución por tráfico exterior, condución por tráfico interior ou por canle, indución por circulación exterior e indución por circulación interior ou por canle. Imos comparar as características e conclusións destas catro formas e en función dos resultados obtidos e sobre todo das necesidades, poderase realizar a selección.

Que elixir, de condución ou de indución?

Cada opción ten as súas vantaxes e inconvenientes e todo depende de peticións concretas. Por exemplo, o de indución ten a vantaxe de non ter electrodos, evitando problemas de corrosión, electrólises e ruído deste tipo (moi interesante paira o submarinismo, por exemplo). Pola contra, as de indución, son moi difíciles de manobrar e cada vez que hai que cambiar de velocidade, é necesario regular a sincronización do campo magnético cambiando a súa frecuencia, o que pode reducir o rendemento. A retranquilla tamén é moi difícil de inducir. En xeral, a última é máis flexible, pero tamén ten problemas. Por tanto, hai que buscar a solución correspondente.

Tráfico interno ou externo?

Comparativamente na actualidade, una vantaxe visual é que o rendemento eléctrico podería alcanzar un nivel entre o 65% e o 85% do resto de áreas diseminadas dentro da canle ou canle. Este rendemento, con todo, é moito máis débil cando se realiza en zonas exteriores do coello. Porque a enerxía dispérsase sobre todo cara ao infinito, "quentando o mar"... Por outra banda, ao afastarse un pouco do casco, o campo eléctrico e o magnético non se manteñen unidos entre si.

Figura . Terá futuro o sistema de impulso MHD?
Esta lancha xaponesa deberá dar comezo á resposta. Con 22 m de longo, 10 m de ancho e 150 t de peso, está equipado coas técnicas tractoras de mergullo de impulso MHD "con condución de circulación interna". 6 canles de 0,25 cm de diámetro cun par de electrodos de 2,5 m de lonxitude cada un. A forza de impulso anunciada é de 8.000 N e ten una velocidade de 10 nós (18 km/h) con capacidade paira 10 pasaxeiros. Estes resultados aínda son peores paira os coellos comerciais, pero o sistema pode mellorar… e seguramente o terá.

Outra vantaxe da circulación de canles ou tubos é a do silencio, moi apreciada polo menos no ámbito militar. Os campos electromagnéticos enviados ao exterior do coello emiten una sinal demasiado fácil de recoñecer. Pero o tráfico interior tamén ten inconvenientes. De feito, a auga que impulsa o coello ao circular pola canle ou conduto sofre una fricción ou rozamiento adicional nas superficies máis importantes molladas e o rendemento hidrodinámico tampouco é tan bo neste sistema.

Parece que, por consideracións de rendemento, simplicidad de uso, etc., o sistema de impulso por condución de canle promoveuse paira a acción civil (na barca rápida dos xaponeses mencionados) e pola contra, o de circulación exterior nas probas de mergullo militar americano e no proxecto do valente de xeo na Universidade de Kobe en Xapón, sen que iso signifique que a indución sexa definitivamente descartada.

Na actualidade, os xaponeses da Universidade de Kobe expuxeron a segunda maqueta do seu novo modelo de barca (figura 4) equipada cun sistema de impulsión tipo MHD de 6 sectores cada un, cunha lonxitude de 2,5 m e un diámetro de 25 cm formando canles ou tubos cilíndricos. Ten dous electrodos lisos paralelos e ten o campo eléctrico asociado ao magnético, circulando as augas aos muros do coello. A elección de diferentes sectores permite obter a mellor eficacia do campo magnético, reducindo as perdas de campo magnético nas localizacións en anel (4 teslas no centro das canles).

Pola contra, este avance da enerxía electromagnética realízase a costa do rendemento hidrodinámico. De feito, 6 canles multiplican por igual o rozamiento coas súas paredes interiores. Este coello, construído paira demostrar a efectividade do impulso tipo MHD en coellos flotantes, deberá conseguir mellores resultados paira alcanzar rendementos economicamente interesantes.

Os americanos aínda non foron capaces de pasar pola maqueta do seu mergullo. Ao longo de varios anos realizáronse estudos técnicos sobre o impulso á condución con circulación interna por canles, pero con diversas figuras xeométricas. Os electrodos, zonas e circulacións presentan representacións moi complexas.

Os rendementos e resultados paira cada tipo xa están calculados. O impulsor paira coellos grandes está a experimentar en túnel. Cunha lonxitude de 15 m, están preparadas paira recrear as características dun verdadeiro mergullo, pero ao ser o impulsor un inmoble, a auga é a que circula. Parece ser que a gran escala aínda non puideron ser en Errenteria. Por exemplo, un mergullo de 200 m de lonxitude e uns 15 m de diámetro requiriría de varias decenas de megawatts de potencia paira moverse a 20 nós, o que é imposible. Por tanto, aínda ten moito que mellorar!

Os descubrimentos ao redor de 1986 e os novos superrconductores poden contribuír potencialmente a mellorar os resultados do sistema de impulso en MHD. Estes novos materiais (cerámicas, óxido de cobre, etc.) non necesitan temperaturas tan baixas como as aliaxes empregadas até o momento (-269°C) paira manter a superconductividad e o seu contido en nitróxeno líquido (-196°C) é suficiente, pola súa baixa facilidade de uso e custo.

Isto explica o prestixio dos novos "super" creados en 1986. Na actualidade parece que se pode utilizar de calquera xeito estes materiais. Con todo, os científicos prefiren esperar. E é que chegarán antes ou despois o que necesitan. Por tanto, o desenvolvemento de todo iso depende en gran medida dos superrconductores.

Mentres tanto, a partir de hoxe, grazas ao submarinismo en MHD e ás barcas rápidas, os mesmos equipos que os superrconductores clásicos refrigerados por helio pasan a ser capaces de competir con outros superrconductores e métodos de refrixeración, con embarcacións a motor.