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. Dans le cas d'un moteur conventionnel, cet induit est solide : c'est une bobine constituée d'un enroulement de fil métallique. Dans le cas d'un accélérateur MHD, cet induit est fluide : liquide conducteur (eau salée, métal liquide) ou gaz ionisé (appelé plasma).
Les accélérateurs MHD n'utilisent donc pas de pièce mécanique mobile, contrairement aux moteurs électriques traditionnels, 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 bornes d'électrodes immergées dans le fluide.
Principe
Mouvement d'une particule chargée dans un champ électrique (loi de Coulomb)
Sans champ magnétique, la présence d'un champ électrique (électrostatique) les particules chargées d'un fluide conducteur par la force électrostatique (selon la loi de Coulomb) : Fe est la force électrostatique, en newtons q est la charge de la particule, en coulombs E est le champ électrique, en volts par mètre
Le sens de cette force est opposé pour les particules positives (accélérées du + vers le -) et les particules négatives (accélérées du - vers le +). Le fluide (par exemple un gaz ionisé ou plasma) est dans ce cas globalement neutre et reste statique. Dans le cas particulier où une seule espèce chargée est extraite d'un plasma (par exemple les électrons) et temporairement stockée, le plasma n'est plus neutre et les ions positifs restants peuvent être accélérés électrostatiquement, avec le reste du fluide par le jeu des collisions ion-ion et ion-neutre : c'est le principe du moteur ionique.
Mouvement d'une particule chargée dans des champs électrique et magnétique (force de Lorentz) Dans le cas où un champ magnétique est présent, les particules chargées accélérées par un champ électrique au sein de ce champ magnétique subissent une force électromagnétique dite force de Lorentz selon l'équation :
Fem est la force électromagnétique ou force de Lorentz, en newtons q est la charge de la particule, en coulombs E est le champ électrique, en volts par mètre v est la vitesse de la particule, en mètres par seconde B est le champ magnétique, en teslas
Le sens de cette force dépend de la charge q, il est donc inverse pour les particules positives et les particules négatives.
Cas d'un conducteur solide (force de Laplace) Cette force de Lorentz est souvent simplifiée, dans le cas d'un conducteur électrique solide tel qu'un fil électrique, en la force de Laplace : I est le courant électrique, en ampères
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).
Cas d'un conducteur fluide (MHD)
Un fluide conducteur (liquide ou gaz ionisé) possède en son sein des porteurs de charge de différents signes : ions positifs et ions négatifs ainsi que, dans le cas d'un plasma, des électrons libres (négatifs).
La force de Lorentz dans une interaction MHD n'agit pas sur une particule chargée isolée, ni sur les électrons libres parcourant le réseau atomique d'un métal conducteur. C'est une densité de force ou « force volumique » (une force par unité de volume) agissant sur une densité de charge homogène dans le volume d'un fluide en mouvement :
f est la densité de force ou force de Lorentz volumique, en newtons par mètre cube Q est la densité de charge, en coulombs par mètre cube J est la densité de courant, en ampères par mètre carré
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, également en sens opposé selon leur charge. , accélération électrique puis déviation magnétique, . Le fluide est mis en mouvement uniforme, car toutes les particules, quelle que soit leur charge (positive et négative, de même que les particules neutres par le jeu des collisions), sont entraînées .
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Typologie Champs électromagnétiques On distingue les accélérateurs MHD : à conduction : création de courants électriques dans le fluide par des électrodes, en présence d'un champ magnétique généralement uniforme ; à induction : création de courants induits dans le fluide par un champ magnétique variable (selon la loi de Lenz), sans électrode.
Écoulement du fluide Si le fluide est accéléré à l'intérieur d'un conduit dans lequel est concentrée l'interaction MHD, il s'agit d'un accélérateur MHD à écoulement interne (écoulement à la manière des tuyères des moteurs à réaction).
Si les champs électromagnétiques agissent sur le fluide environnant la paroi extérieure d'un appareil, il s'agit d'un accélérateur MHD à écoulement externe (écoulement à la manière des micro-organismes ciliés tels la paramécie).
Géométries Les convertisseurs MHD fonctionnant sans pièce mécanique mobile, ils peuvent prendre une multitude de formes : écoulement interne, dans des canaux à veine ronde, carrée, annulaire, hélicoïdale, etc. Exemples : tuyères de Faraday à électrodes planes ou segmentées, tuyères de Hall à électrodes décalées ; écoulement externe, linéairement le long de surfaces planes ou quasi planes (tuiles MHD) ou radialement autour de formes en volume (géométries cylindrique, sphérique, coniques, discoïdales…).
Applications Les accélérateurs MHD sont principalement utilisés dans l'industrie sous forme de pompes électromagnétiques ainsi que 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 : les pompes à conduction : à courant continu, à courant alternatif monophasé ; les pompes à induction à courants polyphasés : 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 pendant qu'un électroaimant (ou un aimant permanent) crée le champ magnétique. Leur grand inconvénient est qu'il faut mettre en œuvre des intensités très élevées pour des tensions très faibles, d'où des pertes énormes par effet Joule proportionnel au carré de l'intensité (dans la pompe, dans l'alimentation en courant et dans le système redresseur). Leurs deux avantages fondamentaux sont leur compacité et leur capacité à supporter de hautes températures sans refroidissement. Dans certains cas particulier de pompes de petite taille, des bobinages en argent ont permis un fonctionnement à des températures pouvant atteindre .
Les pompes à conduction à courant alternatif font appel aux deux phénomènes de conduction et d'induction. Leur fonctionnement rappelle celui de certains transformateurs à entrefer. Leur principal défaut, hormis leur très faible rendement, est la cavitation. La pression à l'entrée de la pompe doit donc à tout instant être suffisante (le plus souvent 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 souvent 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, l'ensemble provoquant des pertes très importantes par effet Joule. Les effets d'extrémités (à l'entrée et à la sortie de la pompe) génèrent des courants parasites diminuant de 15 % à 35 % la puissance d'une pompe et donc son rendement. L'épaisseur de l'entrefer est très 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…). À 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 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 donc très volumineux et sont le siège de pertes par effet Joule importantes. Ils doivent donc être refroidis par de puissants systèmes de ventilation.
Tous ces types de pompes ont été très utilisés dans les circuits secondaires et de secours du réacteur nucléaire Superphénix pour faire circuler le sodium liquide, ainsi que dans certaines fonderies d'aluminium pour doser ou transférer l'aluminium liquide.
Propulsion spatiale Les accélérateurs MHD dans l'espace sont généralement appelés propulseurs électromagnétiques à plasma (le plasma est un gaz ionisé). Ils s'inscrivent dans le futur proche de l'exploration spatiale au R.H. Frisbee, « Advanced propulsion for the XXIst century », JPL, AIAA-2003-2589, juillet 2003..
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 donc 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 électriqueLire à ce propos l'ouvrage de référence sur la propulsion électrique : R.G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, McGraw-Hill Books Co, NY, 1968et les développements récents : R.G. Jahn, E.Y. Choueiri, « Electric Propulsion », dans Encyclopedia of Physical Science and Technology, Princeton University, Academic Press, vol. 5, III Ed. 2002 ; J.M. Sankovic, « NASA Technology Investments in Electric Propulsion: New Directions in the New Millennium », Glenn Research Center, NASA, 2002., qui en compte trois : Propulsion électrothermique. De telles interactions peuvent servir, dans une première approche, à compresser un arc électrique de grande intensité dans une colonne d'hydrogène, afin de 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 ; Propulsion ionique électrostatique. On envisage ensuite d'utiliser ces forces pour contraindre magnétiquement un plasma à l'intérieur d'une enceinte dont on extrait uniquement 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, ) 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 ; Propulsion plasmique électromagnétique. Ces forces peuvent enfin être elles-mêmes de nature propulsive, en accélérant directement le plasma. On parle alors de propulseurs électromagnétiques à plasma.
Voici les principaux moteurs électromagnétiques à plasma, par puissance croissante.