Возможен ли двигатель — без двигателя?

Жизнь человечества невозможно представить без двигателей, которые сопровождают нас и применяются во множестве областей человеческой деятельности. Однако зададимся вопросом: а бывает ли «двигатель без двигателя»?

Согласно Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) — «самый лучший механизм, это тот, который отсутствует, но, тем не менее, его функция выполняется».

Если бы подобный двигатель существовал, то он был бы идеальным устройством в своём классе! Как ни странно, подобный двигатель существует и называется «магнитогидродинамическим двигателем» (МГД), и именно об этом мы и поговорим в нашей статье.

▍ Теория

Говоря об отсутствии двигателя, мы здесь конечно немножко лукавим, так как, если под «двигателем» понимать некую общность элементов, собранную для осуществления некоторой функции, то данная общность здесь присутствует. Однако, в отличие от обычных двигателей, двигатель не содержит никаких движущихся частей и, уже поэтому, превосходит их на голову в части механического износа трущихся элементов, а также снижения эффективности за счёт силы трения.

Принцип действия подобного двигателя основан на электромагнитной индукции, которая подразумевает, что если линии магнитного тела пересекают проводник, то в нём возникает электрический ток, так как магнитное поле, как бы, «сортирует» электроны. Однако это касается только режима работы подобного двигателя в качестве генератора, но, двигатель является обратимой машиной и может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя.

В нашем же случае, если к проводнику прикладывается электрический ток, а сам проводник находится в магнитном поле — проводник начинает своё движение.

В качестве рабочего тела используется ряд возможных вариантов:

• жидкости;
• нагретые газы;
• жидкие металлы;
• плазма.

Достаточно интересным является использование плазмы в качестве рабочего тела. Однако работа в таком режиме достаточно проблемна, так как термическая ионизация требует нагрева до примерно 10000 К. Для того чтобы понизить эту температуру до 2000-3000 К, в нагретый газ добавляют присадки, которые содержат щелочные металлы.

Картинка studme.org

Обычно устройство представляет собой канал, сквозь который протекает рабочее тело, к которому прикладывается внешнее магнитное поле, для чего могут использоваться как постоянные магниты, так и электромагниты.

Эффективность функционирования устройства зависит от того, насколько проводник хорошо проводит электрический ток, какова скорость проводника и насколько напряжённое магнитное поле.

Огромным плюсом подобного двигателя/генератора является возможность его функционирования в очень широком диапазоне скоростей рабочего тела, вплоть до сверхзвуковых.

Кроме того, так как в двигателе отсутствуют механические компоненты вроде турбины и сопутствующих элементов (лопаток и т.д.), прочность которых определяется свойствами используемых материалов — магнитогидродинамический двигатель может работать на более высоких температурах.

Также, теоретически, становится возможным создание очень мощных устройств, так как имеется неограниченная возможность по увеличению размеров электромагнитов.

Говоря об основных проблемах этого устройства, и почему оно не нашло широкое распространение на данный момент, можно отметить:

• существует ряд проблем с высокотемпературными материалами стенок камеры рабочего тела, которые могли бы долгое время работать без разрушения при высоких температурах (здесь, видимо, имеется в виду, что инженеры, разрабатывающие подобные устройства, стремятся к его максимальной эффективности, достижение которой подразумевает работу на предельных режимах; что, однако, не отменяет его возможность работы при меньших температурах, с соответствующим снижением эффективности);
• ещё одной проблемой этого устройства является то, что если его использовать в качестве генератора, то он будет давать только постоянный ток, поэтому потребуется преобразование его в переменный.

Как гласит само название двигателя, он предназначен для работы с жидкими рабочими телами (хотя, лично для меня это несколько странно, так как двигатель предназначен, в том числе и для работы с плазмой; видимо подразумевается, что плазма ведёт себя на определённых режимах как жидкость, или же это просто исторически сложившееся название) и теоретическая концепция подобной работы была предложена ещё М.Фарадеем, в 1832 году (правда в тот момент, он не задавался идеей двигателя, а рассматривал генератор).

Однако построение подобного генератора стало возможно только в 1950-х годах, после того как была проработана теория подобной системы.

Основными направлениями применения подобного устройства являются:

• реализация двигателя;
• реализация генератора;
• измерение скорости потоков проводящих жидкостей, газов, плазмы.

▍ Примеры реализации

Хорошим примером использования подобного устройства в качестве двигателя является следующий, где в качестве рабочего тела используется вода, с пониженным и повышенным добавлением соли. Наглядно видно, как происходит ускорение потока обычной воды и повышенной проводимости:

В этом видео дальше видно, как на базе этого эффекта делается небольшая лодочка, содержащая канал для протекания воды.

Однако, эффект является настолько явным, что не обязательно делать даже канал — достаточно закрепить на дне кораблика плоские проводники, а в качестве источника питания использовать аккумулятор, наподобие форм-фактора 18650. Подобный опыт, кстати, является довольно занятным способом времяпрепровождения с детьми:

Причём, некоторые люди рекомендуют, для увеличения тяги — соединить между собой полюса магнитов, обращённые в обратную сторону от канала протекания воды, хотя бы с помощью обмотки их сверху полоской жести, чтобы образовалось некое подобие статора электродвигателей (однако здесь требуется комментарий знающих).

Было бы ошибкой считать, что подобное устройство останется только в области самоделок. Так, в начале 1990-х годов компания Mitsubishi Heavy Industries разработала футуристичного вида корабль, длиной 30 метров, весом в 143 тонны и получивший название «Yamato 1», который проводился в действие с помощью МГД-двигателя.

Картинка wikipedia.org — Автор: 663highland

Принцип действия привода корабля хорошо понятен из картинки ниже:

Картинка youtube-канал Skill Lync

У корабля не было приводного винта, вместо этого он использовал для движения струи воды, которые ускорялись и с силой выбрасывались назад из 6 труб, диаметром в 10 дюймов (25,4 см), расположенных по кругу:

Картинка wikipedia.org, Автор: Mbarratt

Двигатель содержал в своей конструкции катушки-сверхпроводники седловидной формы, изготовленные из сплава титана/ниобия, охлаждаемые с применением жидкого гелия, до температуры в — 268,96 С.

Корабль мог двигаться со скоростью порядка 15 км/ч, и практически доказал теоретическую возможность создания судов на подобном принципе действия.

Для самодельщиков же, подобный принцип может быть интересной идеей для создания развлекательного «кораблика выходного дня», чтобы поразвлечься с детьми.

Ещё одним интересным способом применения этого двигателя является использование его в качестве насоса, в тех случаях, когда иные способы невозможны или затруднительны.
Наиболее яркий случай такого применения — использование его для перекачки расплавленного металла, например, магния.

Следующее видео показывает (и подтверждает предыдущий тезис о возможности перекачки металлов), как хорошо растёт тяга с увеличением электропроводности, если в качестве рабочего тела используется не вода, а металл, в качестве которого использован сплав из нескольких легкоплавких металлов, подобранных таким образом, чтобы оставаться жидким при комнатной температуре. Как объясняет сам автор, металлы были подобраны таким образом, чтобы среди них не было вредных для здоровья (например, галлия) и их свойства позволяют им, когда они находятся в сплаве, сохранять жидкое состояние, несмотря на то, что каждый из них, по отдельности неспособен находиться при текущей температуре в виде жидкости, а в виде сплава — каждый из них мешает своим соседям перейти в стадию кристаллизации.

Хорошо видно, как при поднятии напряжения до порогового значения — металлический сплав с лёгкостью быстро взбирается по горке в виде жёлоба:

Однако, это всё достаточно высокие материи, с которыми обычному человеку вряд ли придётся столкнуться. Но, есть одна область применения подобного насоса (правда, в этом случае, уже без электродов), которая не оставит равнодушным никого: создание эффективного, мощного насоса для перекачки воды — без каких-либо движущихся деталей, например, на даче. Из видео ниже видно, что для создания подобного насоса достаточно всего лишь мощного электромагнита на базе дросселя от микроволновки:

В некоторых случаях, не нужен даже дроссель — достаточно всего лишь небольшого количества неодимовых магнитов, самодельной обмотки и аккумулятора, чтобы успешно качать воду из скважины:

▍ А что если...

Как все мы знаем из школьного курса и обычного жизненного опыта, что газы в обычном состоянии не проводят электрический ток. Но есть известный школьный эксперимент, когда два металлических диска заряжают разноимёнными зарядами и подключают к электрометру. Стрелка электрометра отклоняется и стоит на своём месте до тех пор, пока между двумя дисками не внесут пламя свечи или спиртовой горелки. Стрелка сразу же приходит в движение и начинает стремиться к нулю. То есть, электрометр фиксирует процесс разряда дисков.

Картинки profil.adu.by

Этот опыт показывает, что с нагревом, электропроводность воздуха увеличивается. Причиной этого является появление в нагретом газе свободных электронов и положительно заряженных ионов, таким образом, можно сказать, что происходит ионизация газа. Воздействие электрического поля вызывает упорядоченное перемещение положительных ионов в сторону отрицательного электрода и движение электронов и ионов с отрицательным зарядом — в сторону положительного электрода, то есть, в ионизированном газе возникает электрический ток.

Вообще говоря, ионизацию можно вызвать не только нагревом, она может быть вызвана, в том числе и излучениями: жёстким ультрафиолетом, рентгеновским излучением, радиацией, коронным разрядом.

Таким образом, для того чтобы вызвать ионизацию газа, не обязательно его нагревать до 2000-3000 K (наверняка, при более низкой температуре, будет отличаться и эффективность устройства, но это уже другой вопрос).

Автору этой статьи приходилось слышать об успешной реализации электрического генератора походного типа, где использовалась высокая дымовая труба (для увеличения тяги и увеличения скорости потока газов, так как не забываем, что эффективность зависит от скорости рабочего тела, в том числе), подключенных к трубе электродов и магнитов вокруг.

По слухам, устройство по эффективности превосходило известные решения для походных печей, на базе элементов Пельтье (подтверждения этого мне найти не удалось, информация о вопросе довольно скудная, так что требуется консилиум в комментариях ;-).

Ещё одним любопытным применением может быть создание реактивного двигателя, использующего для увеличения проводимости атмосферного воздуха ионизацию с помощью жёсткого ультрафиолета либо коронного разряда, а в качестве ускоряющего магнитного поля — либо неодимовые магниты, либо электромагниты. Эдакий «ионолёт+».

Завершая этот рассказ, хочется сказать, что применений магнитогидродинамического двигателя/генератора довольно много и потенциал его ещё далеко не исчерпан. На базе него можно разрабатывать как интересные самоделки, так и вполне любопытные перспективные генераторы электрического тока.

Ранее мы уже писали о способах создания сверхмощных импульсных электромагнитных полей, самых сильных на Земле.

МГД-генераторы тоже могут работать в таком режиме. При этом мощности генерации электрической энергии поражают воображение: при весьма компактном размере и весе установки — она может достигать десятков и сотен мегаватт! Более подробно об этом можно прочитать онлайн, в литературе вот здесь.

ВНИМАНИЕ: Конкурс статей от RUVDS.COM. Три денежные номинации. Главный приз — 100 000 рублей.