¿Pueden los barcos usar imanes para moverse en el agua? ¿Qué son las unidades MHD?

Los accionamientos magnetohidrodinámicos o MHD son una solución teórica para propulsar vehículos colocándolos en campos electromagnéticos.

Si colocas dos imanes con sus polos iguales uno frente al otro, al empujar uno hacia el otro, el segundo se repele. Si bien los conceptos básicos del magnetismo nos han sido inculcados desde la infancia, a menudo pasamos por alto sus implicaciones y beneficios potenciales. Tomemos, por ejemplo, el caso de los barcos.

Las prácticas convencionales implican el uso de artilugios con palas, como hélices y turbinas, para que se muevan. ¿Qué pasaría si te dijera que puedes mover barcos en el agua con nada más que imanes y algo de electricidad? El secreto está en las unidades MHD.

Accionamientos magnetohidrodinámicos (MHD Drives)

¡Eso es todo un bocado para un nombre!

Sin embargo, los accionamientos magnetohidrodinámicos o MHD son una simple aplicación del electromagnetismo. Cuando un fluido conductor está sujeto a campos eléctricos y magnéticos, el fluido experimenta un movimiento que es perpendicular a los dos campos. Esto se conoce como fuerza de Lorentz y puede generar movimiento sin necesidad de componentes móviles. Examinemos este concepto en detalle.

Fuerza de Lorentz y regla de la mano izquierda de Fleming

Se encontró que una fuerza actúa sobre una partícula cargada colocada en campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares. Esta fuerza empuja a la partícula en una dirección que puede predecirse mediante la regla de la mano izquierda de Fleming.

La regla de la mano izquierda de Fleming demuestra un espacio tridimensional, donde el pulgar, el índice y el dedo medio extendidos representan direcciones mutuamente perpendiculares.

Fleming's Left right hand rule flujo motor bobina alambre planta DC AC Ley de Faraday alternando John pulgar línea Tornillo curl Maxwell's Coulomb's

Las reglas de mano izquierda y mano derecha son efectivas para demostrar las direcciones de las variables en varias condiciones electromagnéticas (Crédito de la foto: Pepermpron/Shutterstock)

Suponiendo que el campo magnético está determinado por el dedo índice y el campo eléctrico está determinado por el dedo medio, la fuerza de Lorentz actuará a lo largo del pulgar.

Esta fuerza de Lorentz se puede utilizar para propulsar barcos, como demostraremos más adelante.

Diseño y construcción de unidades MHD

Para lograr la propulsión utilizando la fuerza de Lorentz, el fluido conductor debe estar constantemente sujeto a un campo electromagnético. Este campo electromagnético se puede generar mediante el uso de electroimanes y superconductores. Sobre este fluido actúa la fuerza de Lorentz, que por reacción igual y opuesta, empuja el imán en sentido contrario al de la fuerza de Lorentz.

La magnetohidrodinámica es el estudio físico de la interacción entre el movimiento de fluidos

Los accionamientos MHD se basan en el movimiento de fluidos conductores en presencia de campos electromagnéticos. (Crédito de la foto: Fouad A. Saad/Shutterstock)

Los barcos propulsados ​​por MHD son favorables debido a la presencia de agua de mar, que es un gran conductor de electricidad y fuerzas magnéticas. Sin embargo, los barcos convencionales navegan ‘sobre’ el agua. Por ello, no es posible someter el agua de mar a un conjunto de dos fuerzas perpendiculares entre sí que provoquen la propulsión en una tercera dirección. Esto sería posible solo si el agua fluyera “a través” del barco, en lugar de debajo de él.

Los conductos de agua de mar están integrados en el casco del barco para generar la fuerza de Lorentz necesaria para la propulsión.

Se construyen conductos de agua de mar en el casco del barco para generar la fuerza de Lorentz necesaria para la propulsión (Crédito de la foto: Mbarratt/wikimedia)

Por lo tanto, los barcos pueden diseñarse con conductos de agua que canalicen el agua a través del casco del barco, donde está sujeta tanto a campos eléctricos como magnéticos. Estos campos se generan por medio de potentes electroimanes y superconductores integrados en el casco de la nave.

Cuando se activan, la fuerza de Lorentz empuja el agua de mar hacia la popa del barco. Como estos imanes se fijan a la estructura del barco, el agua de mar lanza una fuerza igual y opuesta, impulsando el barco hacia adelante.

Ventajas y desventajas de las unidades MHD

En teoría, las unidades MHD presentan muchas ventajas que las hacen adecuadas para un uso generalizado. Para empezar, la ausencia de un sistema de hélice convencional elimina la necesidad de grandes motores necesarios para impulsarlo.

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Las unidades MHD son increíblemente silenciosas debido a la ausencia de componentes móviles, lo que las hace indispensables para aplicaciones militares (Crédito de la foto: Artur Didyk/Shutterstock)

La eliminación de la hélice y los componentes móviles asociados hace que la embarcación sea más liviana, lo que reduce las pérdidas por fricción y, por lo tanto, mejora inherentemente la eficiencia. Otra ventaja importante de una unidad MHD de este tipo es la reducción significativa del ruido, que de otro modo hace que los barcos se detecten fácilmente en los vastos océanos. Esto puede ser útil para operaciones sigilosas, ya que el movimiento del agua a través de los conductos del barco no produce ruido.

Sin embargo, la mayoría de estas ventajas se ven eclipsadas por las desventajas de dicho sistema. Los vehículos de prueba que funcionaban con unidades MHD han mostrado varios problemas que hacen que la implementación a gran escala sea poco práctica. Entre los problemas más comunes está la generación de campos electromagnéticos lo suficientemente fuertes como para impulsar grandes barcos a velocidades funcionales.

Se descubrió que generar campos tan masivos de manera constante durante largos períodos de tiempo consume mucha energía. Debido a esto, se descubrió que los barcos impulsados ​​por unidades MHD eran significativamente más lentos de lo que se prometía en los modelos teóricos.

Al mismo tiempo, el aumento de los campos magnéticos más allá de los valores umbral tuvo efectos debilitantes en los campos eléctricos, provocando fluctuaciones indeseables en el empuje. El impacto ambiental de los fuertes campos electromagnéticos también es sospechoso. Por estas razones, no podemos progresar a unidades MHD como nuestro principal modo de propulsión marina.

Aplicación de unidades MHD

La belleza de las unidades MHD radica en la ausencia de componentes móviles. De hecho, no sería incorrecto pensar en las unidades MHD como equivalentes acuáticos de los trenes de levitación magnética. Dado que la presencia de un fluido conductor es necesaria en los variadores MHD, serían muy útiles en aplicaciones marítimas, como barcos y submarinos. Se está investigando otra aplicación potencial de las unidades MHD para los vuelos espaciales.

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Las capas superiores de la atmósfera contienen plasma, que es un medio adecuado para la propulsión MHD (Crédito de la foto: Fouad A. Saad/Shutterstock)

En las capas superiores de la atmósfera, se puede encontrar una región de plasma cargado electromagnéticamente, que podría usarse para la propulsión de naves espaciales. Si tiene éxito, este sistema podría reducir en gran medida la dependencia de los cohetes impulsores para enviar naves espaciales a nuestra atmósfera exterior.

En suma

Las máquinas con componentes móviles solo pueden optimizarse para pérdidas por fricción hasta cierto punto. Los métodos tradicionales para reducir las pérdidas por fricción incluyen el uso de cojinetes y lubricantes.

Sin embargo, el electromagnetismo muestra un gran potencial para mejorar la eficiencia al eliminar por completo los componentes móviles… pero como ocurre con tantas partes de la ciencia de vanguardia, ¡solo el tiempo dirá cómo progresa esta tecnología!

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