Μπορούν τα πλοία να χρησιμοποιούν μαγνήτες για να κινούνται στο νερό;

Οι Μαγνητοϋδροδυναμικοί ή MHD κινητήρες είναι μια θεωρητική λύση για την προώθηση οχημάτων τοποθετώντας τα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Εάν τοποθετήσετε δύο μαγνήτες με τους όμοιους πόλους τους να αντικρίζουν, πιέζοντας τον έναν προς τον άλλο προκαλείται η απόκρουση του δεύτερου. Ενώ τα βασικά στοιχεία του μαγνητισμού έχουν ενσταλάξει μέσα μας από την παιδική ηλικία, συχνά παραβλέπουμε τις επιπτώσεις και τα πιθανά οφέλη του. Πάρτε για παράδειγμα την περίπτωση των πλοίων.

Οι συμβατικές πρακτικές περιλαμβάνουν τη χρήση μηχανισμών με πτερύγια, όπως έλικες και τουρμπίνες, για να κινηθούν. Τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι θα μπορούσατε να μετακινήσετε πλοία στο νερό μόνο με μαγνήτες και λίγο ηλεκτρισμό; Το μυστικό βρίσκεται στις μονάδες MHD.

Μαγνητο-υδροδυναμικοί δίσκοι (Μονάδες MHD)

Είναι μια μπουκιά για όνομα!

Ωστόσο, οι μαγνητο-υδροδυναμικοί ή MHD δίσκοι είναι μια απλή εφαρμογή του ηλεκτρομαγνητισμού. Όταν ένα αγώγιμο ρευστό υποβάλλεται τόσο σε ηλεκτρικό όσο και σε μαγνητικό πεδίο, το ρευστό βιώνει κίνηση που είναι κάθετη στα δύο πεδία. Αυτό είναι γνωστό ως δύναμη Lorentz και μπορεί να προκαλέσει κίνηση χωρίς την ανάγκη για κινούμενα εξαρτήματα. Ας εξετάσουμε λεπτομερώς αυτήν την έννοια.

Η δύναμη του Λόρεντς και ο κανόνας του αριστερού χεριού του Φλέμινγκ

Διαπιστώθηκε ότι μια δύναμη δρα σε ένα φορτισμένο σωματίδιο που βρίσκεται σε αμοιβαία κάθετα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Αυτή η δύναμη ωθεί το σωματίδιο προς μια κατεύθυνση που μπορεί να προβλεφθεί από τον κανόνα του αριστερού χεριού του Φλέμινγκ.

Ο κανόνας του αριστερού χεριού του Φλέμινγκ δείχνει έναν τρισδιάστατο χώρο, όπου ο τεντωμένος αντίχειρας, ο δείκτης και το μεσαίο δάχτυλο αντιπροσωπεύουν αμοιβαία κάθετες κατευθύνσεις.

Οι κανόνες του αριστερού και του δεξιού χεριού είναι αποτελεσματικοί για την επίδειξη των κατευθύνσεων των μεταβλητών σε διάφορες ηλεκτρομαγνητικές συνθήκες (Photo Credit :Pepermpron/Shutterstock)

Υποθέτοντας ότι το μαγνητικό πεδίο καθορίζεται από τον δείκτη και το ηλεκτρικό πεδίο από το μεσαίο δάχτυλο, η δύναμη του Lorentz θα ενεργήσει κατά μήκος του αντίχειρα.

Αυτή η δύναμη Lorentz μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προώθηση πλοίων, όπως θα δείξουμε περαιτέρω.

Σχεδίαση και κατασκευή μονάδων δίσκου MHD

Για να επιτευχθεί πρόωση με τη δύναμη του Lorentz, το αγώγιμο ρευστό πρέπει να υπόκειται συνεχώς σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αυτό το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση ηλεκτρομαγνητών και υπεραγωγών. Η δύναμη του Λόρεντς δρα σε αυτό το ρευστό, το οποίο με ίση και αντίθετη αντίδραση ωθεί τον μαγνήτη προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή της δύναμης του Λόρεντς.

Οι κινήσεις MHD βασίζονται στην κίνηση των αγώγιμων ρευστών παρουσία ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. (Φωτογραφία :Fouad A. Saad/Shutterstock)

Τα πλοία που προωθούνται με MHD είναι ευνοϊκά λόγω της παρουσίας θαλασσινού νερού, το οποίο είναι μεγάλος αγωγός του ηλεκτρισμού και των μαγνητικών δυνάμεων. Ωστόσο, τα συμβατικά πλοία πλέουν «πάνω από το νερό». Εξαιτίας αυτού, δεν είναι δυνατό να υποβληθεί το θαλασσινό νερό σε ένα σύνολο δύο αμοιβαία κάθετων δυνάμεων που θα προκαλούσαν πρόωση προς μια τρίτη κατεύθυνση. Αυτό θα ήταν δυνατό μόνο εάν το νερό έρεε «μέσα» από το πλοίο, παρά κάτω από αυτό.

Οι αγωγοί θαλάσσιου νερού είναι ενσωματωμένοι στο κύτος του πλοίου για να παράγουν τη δύναμη του Lorentz που απαιτείται για την πρόωση (Photo Credit :Mbarratt/wikimedia)

Έτσι, τα πλοία μπορούν να σχεδιαστούν με αγωγούς νερού που διοχετεύουν το νερό μέσω του κύτους του πλοίου, όπου υπόκειται τόσο σε ηλεκτρικό όσο και σε μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα πεδία δημιουργούνται μέσω ισχυρών ηλεκτρομαγνητών και υπεραγωγών που είναι ενσωματωμένοι στο κύτος του πλοίου.

Όταν ενεργοποιούνται, η δύναμη του Lorentz σπρώχνει το θαλασσινό νερό πίσω από το πλοίο. Καθώς αυτοί οι μαγνήτες είναι στερεωμένοι στη δομή του πλοίου, το θαλάσσιο νερό ασκεί ίση και αντίθετη δύναμη, προωθώντας το πλοίο προς τα εμπρός.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μονάδων δίσκου MHD

Θεωρητικά, οι μονάδες MHD παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα που τους καθιστούν κατάλληλους για ευρεία χρήση. Αρχικά, η απουσία ενός συμβατικού συστήματος προπέλας εξαλείφει την ανάγκη για μεγάλους κινητήρες που απαιτούνται για την τροφοδοσία του.

Οι μονάδες MHD είναι απίστευτα αθόρυβοι λόγω της απουσίας κινούμενων εξαρτημάτων, γεγονός που τις καθιστά απαραίτητες για στρατιωτικές εφαρμογές (Photo Credit :Artur Didyk/Shutterstock)

Η εξάλειψη της προπέλας και των σχετικών κινούμενων εξαρτημάτων δημιουργεί ελαφρύτερα σκάφη, μειώνοντας έτσι τις απώλειες λόγω τριβής, βελτιώνοντας έτσι εγγενώς την απόδοση. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα μιας τέτοιας μονάδας MHD είναι η σημαντική μείωση του θορύβου, η οποία, κατά τα άλλα, κάνει τα πλοία να εντοπίζονται εύκολα σε απέραντους ωκεανούς. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για stealth λειτουργίες, καθώς η κίνηση του νερού μέσω των αγωγών του πλοίου δεν κάνει θόρυβο.

Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά τα πλεονεκτήματα επισκιάζονται από τα μειονεκτήματα ενός τέτοιου συστήματος. Δοκιμαστικά οχήματα που λειτουργούσαν με μονάδες MHD έχουν παρουσιάσει πολλά προβλήματα που καθιστούν την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας ανέφικτη. Μεταξύ των πιο συνηθισμένων ζητημάτων είναι η δημιουργία ηλεκτρομαγνητικών πεδίων αρκετά ισχυρών ώστε να ωθούν μεγάλα πλοία με λειτουργικές ταχύτητες.

Η δημιουργία τέτοιων ογκωδών πεδίων με συνέπεια για μεγάλες χρονικές περιόδους βρέθηκε να είναι πολύ ενεργοβόρα. Εξαιτίας αυτού, τα πλοία που τροφοδοτούνται από μονάδες MHD βρέθηκαν να είναι σημαντικά πιο αργά από ό,τι υποσχέθηκαν τα θεωρητικά μοντέλα.

Ταυτόχρονα, η αύξηση των μαγνητικών πεδίων πέρα ​​από τις τιμές κατωφλίου είχε εξουθενωτική επίδραση στα ηλεκτρικά πεδία, προκαλώντας ανεπιθύμητες διακυμάνσεις στην ώθηση. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων είναι επίσης ύποπτες. Για αυτούς τους λόγους, δεν μπορούμε να προχωρήσουμε σε μονάδες MHD ως τον κύριο τρόπο θαλάσσιας πρόωσης.

Εφαρμογή μονάδων δίσκου MHD

Η ομορφιά των δίσκων MHD έγκειται στην απουσία κινούμενων εξαρτημάτων. Στην πραγματικότητα, δεν θα ήταν λάθος να θεωρήσουμε ότι οι μονάδες MHD είναι υδάτινα ισοδύναμα τρένων maglev. Καθώς η παρουσία ενός αγώγιμου ρευστού είναι απαραίτητη σε κινητήρες MHD, θα ήταν πολύ χρήσιμα σε θαλάσσιες εφαρμογές, όπως πλοία και υποβρύχια. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή των μονάδων MHD διερευνάται για διαστημικές πτήσεις.

Τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας περιέχουν πλάσμα, το οποίο είναι κατάλληλο μέσο για την πρόωση MHD (Φωτογραφία:Fouad A. Saad/Shutterstock)

Στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, μπορεί να βρεθεί μια περιοχή ηλεκτρομαγνητικά φορτισμένου πλάσματος, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πρόωση του διαστημόπλοιου. Εάν κριθεί επιτυχές, αυτό το σύστημα θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την εξάρτηση από πυραύλους ενίσχυσης για την αποστολή διαστημικών σκαφών στην εξωτερική μας ατμόσφαιρα.

Σε άθροισμα

Οι μηχανές με κινούμενα εξαρτήματα μπορούν να βελτιστοποιηθούν για απώλειες τριβής μόνο σε κάποιο βαθμό. Οι παραδοσιακές μέθοδοι μείωσης των απωλειών λόγω τριβής περιλαμβάνουν τη χρήση ρουλεμάν και λιπαντικών.

Ωστόσο, ο ηλεκτρομαγνητισμός δείχνει μεγάλες δυνατότητες βελτίωσης της απόδοσης εξαλείφοντας εντελώς τα κινούμενα εξαρτήματα… αλλά όπως συμβαίνει με τόσα κομμάτια της επιστήμης αιχμής, μόνο ο χρόνος θα δείξει πώς θα εξελιχθεί αυτή η τεχνολογία!