CONVERSÃO DIRETA DA ENERGIA-PARTE 5 - FEIRA DE CIÊNCIAS ... O Imperdível !
(Parte5 - Conversão magnetohidrodinâmica - MHD)
Uma palavra impressionante e um conceito muito simples
A conversão magnetohidrodinâmica (MHD) é muito distinta da termelétrica e da termiônica. Os geradores MHD produzem energia elétrica mediante gases condutores de cargas elétricas que se deslocam a grandes velocidades, apresentando grande afinidade com os mecanismos de conversão dinâmica. A única novidade com respeito aos sistemas anteriores de conversão está no emprego do plasma, que é a denominação que recebe o gás condutor de corrente elétrica.
Os geradores MHD estão classificados entre os conversores diretos porque substituem o turbogerador em rotação dos sistemas dinâmicos por uma 'tubulação' ou condutor em repouso; não há peças móveis. Confrontemos os tipos:
Fig.9 - (esquerda) Em um condutor MHD (a), os elétrons do plasma quente se deslocam para a direita sob a ação da força F, no campo magnético de indução B. Os elétrons acumulados na região à direita do condutor são enviados a uma carga exterior. (direita) Em um condutor de armadura de um gerador convencional (b), os elétrons se deslocam para a direita sob a ação da força de Lorentz originada pelo campo magnético de indução B. É preciso girar o condutor para obter esse deslocamento de modo contínuo.
Nos geradores dinâmicos convencionais se origina uma força eletromotriz em um condutor metálico mergulhado num campo magnético de indução, como mostramos acima em (b). A força magnética a que se encontram submetidos os elétrons do condutor tem intensidade dada por:
onde F é a intensidade da força, em newtons; q é a carga do elétron, em coulombs (1,6.10-19 C); v é a velocidade de deslocamento do condutor dentro do campo magnético, em metros por segundo e B é o módulo do vetor campo magnético de indução, em tesla (T = Wb/m2).
O movimento de elétrons ao longo do condutor estabelece uma d.d.p. entre os extremos do mesmo. Nesse tipo de gerador se utiliza dessa d.d.p. para converter em energia elétrica a energia cinética do condutor em movimento. O condutor deve ser mantido em movimento seja por uma turbina hidráulica ou a vapor.
Tentemos eliminar a parte em movimento, ou seja, a armadura do gerador. O que pretendemos é substituí-lo por um condutor móvel que não tenha eixos nem mancais ou quaisquer outras partes que possam se desgastar e, a substância que reúne todas essas condições é: o plasma.
Na ilustração acima, em (a), poderemos observar que no gerador magnetohidrodinâmico substituiu-se os condutores da armadura convencional por em gás condutor em movimento. Sob a ação de um campo magnético externo os elétrons de condução se deslocam através do plasma até um extremo do condutor, desde que a energia elétrica produzida seja conectada a uma carga externa. Os elétrons saem pela 'parede' direita, passam pela carga externa (onde entregam a maior parte da energia) e retornam ao condutor MHD pela 'parede' esquerda; dentro do MHD são novamente acelerados, da esquerda para a direita.
O gerador MHD obtém sua energia de um gás quente sob expansão porém, diferentemente do turbogerador, a máquina térmica e o gerador estão juntos em um condutor em repouso. O alargamento gradual do condutor MHD, como pode ser visto na ilustração acima, em (a), indica que o plasma se encontra em menor pressão e temperatura no final do condutor. Parte da energia térmica do plasma foi extraída pelos eletrodos do condutor MHD em forma de energia elétrica.
Para criar um plasma se necessitam de temperaturas superiores aos 2 000 K. Nestas condições, muitos átomos de gás, que se deslocam a grandes velocidades, chocam-se entre si com energia suficiente para liberar elétrons e assim deixá-los ionizados. O material originado desse modo, que na ilustração abaixo aparece como um gás brilhante, não se comporta sistematicamente como nenhum dos três clássicos estados da matéria: sólido, líquido e gasoso e, por isso, recebem o nome de quarto estado da matéria.
Fig.10 - Plasma brilhante em um aparelho experimental. O canhão de plasma em forma de T facilita a coleta de dados para a investigação da fusão termonuclear.
Como na Terra resulta muito difícil manter temperaturas tão elevadas, se recorre a um artifício que consiste em tornar condutores certos gases que normalmente são muito difíceis de ionizar, como o hélio, mediante a adição de uma pequeníssima fração de um metal alcalino como o potássio. Os átomos dos metais alcalinos têm seus elétrons externos pouco unidos ao núcleo e se ionizam rapidamente a temperaturas muito inferiores aos 2 000 K. A mistura de hélio e potássio tem suficiente condutibilidade elétrica para funcionar em um gerador MHD.
Neste plasma os elétrons se deslocam rapidamente sob a ação dos campos magnéticos aplicados, ainda que não com tanta rapidez como nos metais. Os íons positivos se deslocam em sentido contrário aos elétrons, porém, esses são muito mais leves e têm velocidade de vários milhares de vezes maior, pelo que são, os elétrons, os principais responsáveis pelos transportes de cargas na corrente elétrica que se instala.
Possibilidades da energia MHD
O condutor MHD não constitui um gerador de energia completo em si, mesmo porque quando sai a corrente de gás, este deve ser comprimido, aquecido e devolvido novamente ao condutor. Para tais aplicações se necessitam de materiais que resistam a temperaturas muito elevadas. Ademais, ainda que a base teórica do condutor MHD seja bastante simples, o aparelho deve funcionar a temperaturas muito elevadas em presença de metais alcalinos, que são enormemente corrosivos, o que leva a sérios problemas de ordem prática.