Sezione trasversale di un condotto MHD con campo magnetico, elettrodi corrosi e bolle di idrogeno, in un ambiente sottomarino futuristico.
Il dominio del mare ha da sempre preteso lo scotto dell'attrito e del rumore meccanico. La propulsione magnetoidrodinamica si propone come un balzo evolutivo paragonabile al passaggio dalla vela al vapore, obliterando albero, elica e timone e rimpiazzandoli con un condotto dove correnti elettriche e campi magnetici spingono l'acqua di mare. Ma l'acqua salata si oppone ferocemente all'estrazione di forza magnetica tramite la sua stessa chimica degradativa. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO
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I principi fisici della propulsione MHD
La propulsione magnetoidrodinamica, nota anche con l'acronimo MHD, si fonda su principi fisici ben consolidati che risalgono ai lavori fondamentali del fisico svedese Hannes Alfvén, premio Nobel per la fisica nel 1970 per i suoi studi sui magnetoidrodinamica. Questa tecnologia innovativa oblitera completamente gli organi di propulsione tradizionali come albero, elica e timone, rimpiazzandoli con un condotto nel quale l'interazione tra correnti elettriche di intensità industriale e possenti campi magnetici, generati da elettromagneti superconduttori, spinge l'acqua salata in base alla rigida matematica della Forza di Lorentz. La Forza di Lorentz, descritta dall'equazione F = q(E + v×B) in cui F è la forza agente sulla particella carica, q è la carica elettrica della particella, E è il campo elettrico, v è la velocità della particella e B è il campo magnetico, agisce sugli ioni presenti nell'acqua di mare, principalmente ioni sodio a carica positiva e ioni cloro a carica negativa, accelerandoli lungo la direzione del condotto. Il movimento degli ioni trascina per attrito viscoso l'intera massa d'acqua circostante, generando un getto propulsivo che spinge l'imbarcazione nella direzione opposta, in perfetta analogia con il principio di azione e reazione della terza legge di Newton. Il fascino del silenzio operativo e del movimento stealth, privi delle vibrazioni e del rumore caratteristico delle eliche tradizionali, ha spinto esperimenti decennali in diverse nazioni, con particolare intensità in Giappone, Stati Uniti, Russia e Cina. Il picco storico di questo programma di ricerca è rappresentato dalla Yamato-1, un'imbarcazione sperimentale giapponese di trenta metri di lunghezza, varata nel 1992 e sviluppata dal Ship & Ocean Foundation con la collaborazione di Mitsubishi Heavy Industries. La Yamato-1 era equipaggiata con due magneti superconduttori raffreddati da elio liquido, capaci di generare campi magnetici di intensità pari a quattro Tesla, sufficienti per accelerare l'acqua di mare nel condotto e sviluppare una velocità massima di circa sei virgola sei nodi. Tuttavia, l'efficienza propulsiva complessiva del sistema si arenò a un misero trenta per cento, un valore troppo basso per rendere la tecnologia competitiva con i sistemi di propulsione tradizionali, che raggiungono facilmente efficienze dell'ottanta per cento o superiori. Nonostante gli sforzi notevoli e i consistenti investimenti finanziari, il progetto Yamato-1 fu accantonato dopo alcuni anni di test, dimostrando le difficoltà pratiche di tradurre un principio fisico elegante in una tecnologia marinara affidabile ed efficiente.
Le nuove frontiere dei superconduttori ad alta temperatura
Oggi, il progetto PUMP, acronimo di Principles of Undersea Magnetohydrodynamic Pumps, supervisionato dalla prestigiosa agenzia governativa statunitense DARPA, sta rivitalizzando l'interesse per la propulsione MHD sfruttando le recenti scoperte e i progressi tecnologici nei materiali superconduttori ad alta temperatura critica. I nuovi magneti sono realizzati con nastri superconduttori basati su REBCO, acronimo di Rare-Earth Barium Copper Oxide, una famiglia di materiali ceramici che diventano superconduttori a temperature molto più alte rispetto ai precedenti superconduttori a bassa temperatura come il niobio-titanio o il niobio-stagno. I nastri REBCO, composti da strati alternati di ossido di rame, bario, terre rare come l'ittrio o il gadolinio, e materiali di buffer, possono trasportare correnti elettriche di densità enormi senza dissipazione energetica per effetto Joule, anche in presenza di campi magnetici molto intensi. La capacità di operare a temperature accessibili con criogenia più semplice, tipicamente intorno ai settantasette gradi Kelvin, temperatura dell'azoto liquido, anziché ai quattro gradi Kelvin richiesti dall'elio liquido, semplifica drasticamente l'ingegneria criogenica necessaria per mantenere lo stato superconduttore. I magneti REBCO sono in grado di generare impressionanti barriere magnetiche da venti Tesla, cinque volte più intense di quelle utilizzate sulla Yamato-1, e di sostenere densità di corrente superiori a mille ampere per millimetro quadrato di sezione trasversale. A queste potenze magnetiche, l'efficienza teorica del getto propulsivo potrebbe sfiorare il settanta-novanta per cento, valori finalmente competitivi con i sistemi di propulsione tradizionali e tali da giustificare un rinnovato interesse industriale e militare per la tecnologia MHD. I possibili vantaggi della propulsione MHD includono l'assenza di parti mobili soggette a usura meccanica, l'eliminazione del rumore di cavitazione prodotto dalle eliche tradizionali, la riduzione della firma acustica del sottomarino con conseguente miglioramento della stealthness, e la possibilità di manovrare senza timone variando l'intensità e la direzione dei campi magnetici nei diversi condotti. Tuttavia, proprio mentre i fisici e gli ingegneri sembrano aver risolto il problema delle prestazioni energetiche e criogeniche, un nuovo e insidioso ostacolo emerge dalla chimica dell'acqua di mare, un problema che i materiali superconduttori da soli non possono risolvere.
Il conflitto elettrochimico e l'erosione catastrofica
Ciononostante, se si oltrepassa la verniciatura avveniristica e accattivante dei rendering computerizzati e si indaga l'elettrochimica del canale di spinta a livello molecolare, si scorge un conflitto insormontabile tra la fisica della propulsione MHD e la chimica dell'acqua di mare, un problema fondamentale che nessun miglioramento dei materiali superconduttori potrà mai eliminare completamente. Quando correnti elettriche di magnitudo industriale, dell'ordine di migliaia o decine di migliaia di ampere, attraversano una soluzione elettrolitica come l'acqua di mare, ricca di ioni sodio, cloro, magnesio, calcio, solfati e bicarbonati, innescano in modo inevitabile e inarrestabile reazioni di elettrolisi che degradano sia gli elettrodi sia la composizione chimica del fluido propulsivo. Il processo di idrolisi, il nome tecnico con cui si indica la decomposizione elettrolitica dell'acqua, produce sugli elettrodi densi strati di micro-bolle gassose che si accumulano sulla superficie delle piastre metalliche. Sull'elettrodo negativo, il catodo, la reazione predominante è la riduzione dell'acqua a idrogeno molecolare e ioni ossidrile, secondo l'equazione 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. Sull'elettrodo positivo, l'anodo, la reazione è più complessa e pericolosa: in presenza di ioni cloro, che sono abbondanti nell'acqua di mare con una concentrazione di circa diciannove grammi per litro, si verifica l'ossidazione dello ione cloruro a cloro gassoso molecolare secondo l'equazione 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻, in competizione con l'ossidazione dell'acqua a ossigeno gassoso secondo l'equazione 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. Le micro-bolle di idrogeno, ossigeno e cloro aderiscono alla superficie degli elettrodi, formando uno strato isolante che aumenta drasticamente la resistenza elettrica della cella e riduce l'efficienza del trasferimento di carica dall'elettrodo al fluido. Le bolle fungono da isolante elettrico transitorio, innalzando drammaticamente l'impedenza della cella e assorbendo parte della potenza elettrica fornita al sistema, che invece di essere convertita in spinta meccanica viene sprecata nella produzione di gas. Peggio ancora, l'idrodinamica estrema del condotto MHD, con velocità del fluido potenzialmente molto elevate e turbolenza intensa, strappa queste bolle dalle piastre elettrodiche trascinandole nel flusso, dove subiscono espansioni e compressioni rapide che ne provocano il successivo e violento collasso micro-cavitazionale. Questo martellamento idraulico, costituito da onde d'urto microscopiche generate dall'improvvisa scomparsa della bolla, unito all'ossidazione acida generata dai gas clorurati disciolti che formano acido cloridrico e acido ipocloroso a contatto con l'acqua, scortica e consuma letteralmente le pareti dei condotti e le superfici degli elettrodi. Recentemente, i laboratori HRL Laboratories hanno introdotto prototipi di celle a idrogeno ricircolante che aspirano le bolle dalla superficie degli elettrodi e le riconducono in un circuito secondario dove vengono ricombinate ad acqua, abbattendo fino al novantacinque per cento l'emissione di queste bolle e dei vapori ossidativi, ma il postulato fondamentale rimane ineluttabile e irrisolvibile dalla fisica stessa: l'acqua di mare, con la sua ricca chimica ionica e la sua capacità di dissolvere gas corrosivi, si oppone ferocemente all'estrazione di forza magnetica tramite la sua stessa natura chimica degradativa. L'avanzamento tecnologico deve, paradossalmente, investire più risorse per impedire alla nave di consumare se stessa di quante ne spenda per muoverla, un bilancio energetico e materiale che rischia di rendere la propulsione MHD perennemente confinata nei laboratori di ricerca, senza mai raggiungere una maturità commerciale o operativa.
Il conflitto tra l'acqua di mare e la propulsione MHD è un conflitto irrisolvibile, una manifestazione della tendenza della natura a resistere alle forzature tecnologiche attraverso reazioni chimiche elementari quanto inarrestabili. Ogni ampere di corrente che scorre nel condotto produce inevitabilmente la sua controparte in bolle corrosive, e ogni bolla che si forma e collassa lascia dietro di sé un minuscolo cratere di erosione sulla superficie degli elettrodi, un processo lento ma inesorabile che condanna questi sistemi a una vita operativa drammaticamente breve rispetto ai motori tradizionali.
