Accélérateur MHD

On peut distinguer les accélérateurs MHD :

• à conduction : création de courants électriques dans le fluide par des électrodes, en présence d'un champ magnétique le plus souvent 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, c'est 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, c'est 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, il peuvent prendre une grande variété de formes :

• Écoulement interne, dans des canaux à veine ronde, carrée, annulaire, hélicoïdale, etc...

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 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 :

• 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 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 (autrement dit 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 Superphénix, 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). Il 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 :

• PPT : Le Pulsed Plasma Thruster^[3] utilise l'énergie électrique pour décaper un matériau solide ablatif (généralement du téflon), processus qui l'ionise. Ce plasma peu dense est ensuite accéléré électromagnétiquement par une impulsion magnétique ultra-brève, générée par un solénoïde, qui induit des courants électriques dans le plasma s'opposant au champ magnétique inducteur, et in fine leur répulsion mutuelle par induction selon la loi de Lenz. La poussée est extrêmement courte et faible (quelques micronewtons), et est par conséquent utilisée à des fins de pointage de précision ou pour remonter une orbite.

• PIT (Pulsed Inductive Thruster, propulseur à induction pulsé) ^[4] : utilise un solénoïde plat (généralement d'un mètre de diamètre) et un injecteur de gaz à valve ultra-rapide, qui injecte quelques milligrammes de propulsif au milieu de la bobine. Un banc de condensateurs se décharge dans le solénoïde en 10 microsecondes sous 30 kV, générant dans le gaz une brève impulsion de champ magnétique axial, inductif, qui ionise le gaz. Le gaz est alors repoussé vers la sortie sous l'effet des courants induits, selon la loi de Lenz. L'avantage principal de ce type de propulseur à induction est le confinement du plasma loin de la paroi, mais aussi l'absence d'électrodes et d'arc électrique, ce qui élimine l'érosion. Un autre avantage du PIT est sa polyvalence à fonctionner avec divers propulsifs, tels que l'argon, mais également l'hydrazine, l'ammoniac, le dioxyde de carbone... à des impulsions spécifiques maximales de 6000 secondes avec un rendement de 60 %, un PIT de 1 MW fonctionnerait en 200 Hz.

• Propulseur MPD ou LFA : moteur électromagnétique de haute puissance (quelques centaines de kilowatts à plusieurs mégawatts électriques par propulseur) le plus étudié depuis les années 1960 est le propulseur MPD (magnétoplasmadynamique) aussi nommé LFA (Lorentz Force Accelerator) dans ses versions perfectionnées. Les propulseurs MPD les plus performants autorisent la fois une poussée particulièrement forte (jusqu'à 200 newtons) et des vitesses d'éjection élevées (atteignant la centaine de kilomètres par seconde, avec des impulsion spécifique de l'ordre de 10 000 secondes). Voir l'article propulseur magnétoplasmadynamique.

• VASIMR : Le Variable specific impulse magnetoplasma rocket^[5] (Fusée magnétoplasma à impulsion spécifique variable) utilise une force propulsive continue, d'origine essentiellement électrothermique, avec une composante utilisant les forces électromagnétiques qui éjecte de l'hydrogène ou de l'hélium ionisé. L'appareil fait intensivement appel aux champs électromagnétiques variables (sans électrodes), à travers une série de plusieurs "cellules magnétiques". À vitesse maximale (Escape Mode, pour s'extraire de la gravité planétaire), VASIMR doit être capable d'assurer une poussée continue -quoique temporaire- de 500 newtons avec une impulsion spécifique de 6 000 secondes. À vitesse de croisière (Cruise Mode, entre deux planètes) VASIMR doit donner continuellement une poussée de 50 newtons sous l'impulsion spécifique record de 30 000 secondes. Voir l'article VASIMR.

• PMWAC (Propagating Magnetic Wave Plasma Accelerator) ^[6] ou IDA (Inductive Plasma Accelerator) ^[7] : Propulseur à induction par onde magnétique (sans électrode). De multiples solénoïdes sont positionnées en série les uns à la suite des autres autour d'une tuyère cylindrique, au sein de laquelle ils génèrent un champ magnétique axial. Ce champ est en premier lieu uniforme, il magnétise le plasma qui se retrouve accessoirement confiné loin de la paroi. Les solénoïdes subissent ensuite individuellement une élévation impulsionnelle du courant électrique les parcourant. Cette impulsion électrique est distribuée dans chaque solénoïde avec la même amplitude mais en déphasage comparé au solénoïde précédent, de telle sorte qu'une onde magnétique péristaltique se met à parcourir l'intérieur du tube. Le plasma est accéléré en suivant cette onde, entraîné par le pincement des lignes de champ générant une hausse située de la pression magnétique (le plasma est diamagnétique et fuit les régions où le champ magnétique est élevé), et expulsé par les forces de Lorentz, générées par l'interaction du champ magnétique axial avec les courant azimutaux qu'il induit dans le plasma du fait de l'élévation rapide de son intensité. Ces forces de Lorentz ont en effet à la fois une composante centripète (confinante) et axiale (propulsive). Un propulseur à onde magnétique de 5 mètres de long et d'une puissance de 2 MW propulse un plasma à la vitesse de 300 km/s (I_sp = 30 000 s) et une poussée record de 4 000 newtons. Une version de 25 mètres et 20 MW à la même poussée offre une vitesse d'éjection record de 1 000 km/s (I_sp d'un million de secondes) ^[8].

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 particulièrement 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 :

• Rentrée atmosphérique à bouclier MHD sur les capsules spatiales
• Contrôle de l'écoulement interne pour les moteurs à réaction (pontage MHD)
• Contrôle de l'écoulement externe : réduction des ondes de choc, des traînées de frottement, de sillage et d'onde
• Propulsion électromagnétique par poussée MHD

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