موتور مگنتوهیدرودینامیکی برای کشتی‌های آینده

موتور بی‌پروانه‌ی بی‌صدا، رؤیایی است که سال‌ها طراحان نیروی دریایی را به ویژه در زمینه‌ی ساخت زیردریایی بی‌صدا و اژدر بی‌پروانه، به خود مشغول داشته است. گرچه هنوز هم زمان استفاده از این موتورها به صورت تجاری و در سطحی وسیع، آن هم در اندازه و قدرت‌های بالا، نرسیده است، اما با استفاده از سیستم پیشران بی‌پروانه و بی‌صدای MHD، یعنی موتور مگنتو هیدرودینامیکی، ژاپنی‌ها در این زمینه گام بلندی برداشتند.
در نیمه‌ی نخست ژوئن سال 1992، یک کنسرسیوم پژوهشی ژاپنی، کشتی صد فوتی یاموتو-1 را برای یک سفر بی‌سابقه به آب انداخت. این کشتی از سیستم پیش‌ران بی‌پروانه و بی‌صدای MHD استفاده کرد که ممکن است سرانجام کشتی‌های بزرگ را با سرعت صد و شصت کیلومتر در ساعت (یا حتی بیش‌تر) به حرکت درآورد. موتور انقلابی «مگنتو هیدرودینامیکی 1» یا MHD یاماتو-1 هیچ قطعه‌ی متحرکی ندارد. ساختمان این سیستم که نخست غیرعادی جلوه می‌کند، بر اصلی بسیار ساده متکی است که در همه‌ی موتورهای الکتریکی کاربرد دارد: نیروی لورنتس.
واژه ی «مگنتو هیدرودینامیکی» با وجود سنگینی آن در گوش، گویای مفهومی نسبتاً ساده است که از یک اصل ساده‌ی بنیادی الکتریسیته و مغناطیس مشتق می‌شود. این اصل می‌گوید: هنگامی که الکتریسیته با زاویه ای نسبت به جهت میدان مغناطیسی جریان یابد، نیرویی عمود بر جهت جریان به وجود خواهد آمد که بر جهت میدان مغناطیسی نیز عمود است. این نیرو به افتخار هنریک لورنتس، فیزیک‌دان و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل 1904، نیروی لورنتس نامیده شده است. این پدیده‌ی فیزیکی بنیانی، در همه‌ی موتورهای برقی کاربرد یافته است. در مدلی نمونه‌وار، جریانی که از «پیچه‌ی میدان» می‌گذرد میدانی مغناطیسی ایجاد می‌کند. میدان مغناطیسی نیز به نوبه‌ی خود، نیروی جدیدی را به هر سیمی که در مجاورتش حامل جریان الکتریکی باشد القا می‌کند. در موتور، این سیم (به صورت آرمیچر) به محوری مرکزی متصل است و هنگامی که جریان در مدار برقرار شود نیروی لورنتس، محور را به چرخش وا می‌دارد. همین نیرو و همین چرخش است که گونه‌های بسیاری از ماشین‌ها، از تنظیم کننده‌ی ضربان قلب گرفته تا لوکوموتیوهای پرقدرت را به حرکت در می‌آورد.
از ده‌ها سال پیش دانشمندان می‌دانستند که نیروی لورنتس را می‌توان برای بیرون راندن سیالی رسانا از درون یک لوله به کار گرفت؛ بدین سان که هرگاه پیچه‌ای الکترومغناطیسی در اطراف یک لوله (برای ایجاد میدان مغناطیسی) قرار داده شود، عبور جریان بین دو الکترود نصب شده در دو طرف لوله، سبب خواهد شد که آن‌چه که بین دو الکترود هست باردار شده و ذرات آن به حرکت درآید.
جهت نیروی لورنتس که بدین گونه به وجود می‌آید عمود بر جهت جریان ذرات باردار شده و نیز عمود بر جهت میدان مغناطیسی خواهد بود و سیال را از دهانه‌ی دیگر لوله با فشار بیرون خواهد راند. این فرایند در مارد بسیاری مانند پمپ فلزات مذاب و افشاننده‌های بسیار کوچک که در چاپگرهای «اینک جت» به کار می‌روند کاربرد یافته است.
در موتور یاماتو-1 از نیروی لورنتس برای بیرون راندن آب دریا استفاده شده است. در زیر بدنه‌ی کشتی لوله‌های درازی نصب شده است که از آب پر می‌شوند. آهن‌رباهای الکتریکی قدرتمندی که لوله‌ها را در بر می‌گیرند میدان مغناطیسی نیرومندی به وجود می‌آورند. الکترودهای مستقر در دهانه‌ی هر یک از لوله‌ها، با گذراندن جریان برق از آب، مواد شیمیایی موجود در آن را یونیزه (باردار) می‌کنند. چون مواد باردار شده‌ی آب در میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند، تحت تأثیر نیروی لورنتس از دهانه‌ی دیگر لوله (در عقب کشتی) بیرون رانده می‌شوند و بر اثر عکس‌العمل خود به کشتی نیرو می‌دهند، نیرویی مشابه با پیشرانه‌ی جت.
کشتی مجهز به این موتور، نیاز به یک «راه‌انداز» دارد که مقدمتاً با حرکت دادن آن، آب را به درون لوله‌ها جاری می‌سازد. کشتی‌های بازرگانی آینده که مجهز به این موتور باشند احتمالاً برای آغاز حرکت، موتور معمولی کوچکی خواهند داشت. یاماتو-1 در سفر آزمایشی خود، نخست توسط یک یدک‌کش به حرکت درآمد سپس به نرمی سفر تاریخی خود با نیروی موتور مگنتو هیدرودینامیکی را آغاز کرد.
امتیازهای این گونه موتورها در مقایسه با موتورهای معمولیِ پروانه دار عبارت است از نیروی پیشرانه‌ی نرم‌تر و یکنواخت تر، بی‌صدایی، و مصرف کمِ انرژی. امتیاز مهم دیگر، از بین رفتن مسأله‌ی بحرانی حفره‌زایی (خلأ زدایی) یا تلاطم مخرب ناشی از چرخش پروانه در آب است که هم‌اکنون محدودیتی جدی برای سرعت‌های هملیاتی کشتی‌های بزرگ به شمار می‌رود. بدین سان، کشتی‌های MHD، که با این مشکل مواجه نیستند خواهند توانست با سرعت‌های زیاد صد و هشتاد کیلومتر در ساعت (صد گره) یا بیش‌تر برای نفت‌کش غول پیکر، دریانوردی کنند.
با وجود چنین امتیازهایی، تلاش‌های پیشین برای ساختن کشتی MHD با بن‌بست روبه‌رو شد (وستینگهاوس، پیشرو شرکت‌های امریکایی در این عرصه، در دهه‌ی 1960 از ادامه ی تلاش دست برداشت) زیرا بخش ایجاد کننده‌ی میدان مغناطیسی با قدرت کافی، چنان وزنی به موتور می‌داد که بیش تر کشتی‌ها را غرق می‌کرد!
اما پیش رفت های انقلابی دهه‌ی 1980 در زمینه ی ساخت مواد اَبَررسانا، شرایط را به سرعت دگرگون ساخت، زیرا این مواد عملاً هیچ‌گونه مقاومتی در برابر جریان الکتریسیته ندارند. بنابراین پیچه‌های ساخته شده از ابررسانا می‌توانند میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندی به وجود آورند بدون آن که مقدار قابل توجهی انرژی را به صورت گرما هدر دهند.
گروهی از طراحان نیروی دریایی و دانشمندان ژاپنی به سرعت دریافتند که فراهم آمدن امکان تولید پیچه‌ی مغناطیسی قدرتمند با بهره‌مندی از ابررساناها، می تواند رؤیای دیرین ساخت کشتی MHD را به واقعیتی نوین مبدل کند. برپایه‌ی این اندیشه کنسرسیومی متشکل از دانشگاه‌ها و شرکت‌های فنی بزرگ و پیش‌رفته، چهل میلیون دلار بودجه، همراه با بردباری ژاپنی را به پروژه‌ی ساخت کشتی بی‌پروانه‌ی MHD اختصاص دادند.
باید دانست که موتور بی‌پروانه‌ی بی‌صدا، رؤیایی است که سال‌ها طراحان نیروهای دریایی ا، به ویژه در زمینه‌ی ساخت زیردریایی بی‌صدا و اژدر بی‌پروانه، به خود مشغول داشته است. ناگفته نماند که هنوز هم زمان استفاده از این موتورها به صورت بازرگانی، آن هم در اندازه و قدرت‌های بالا، قابل پیش‌بینی نیست ولی از هم‌اکنون می‌توان میزان غلاقه‌مندی سازندگان تجهیزات و قدرت‌های نظامی را به کاربرهای فراوان موتور MHD حدس زد.