Une voile électromagnétique est-elle possible ?

[Daumic]

Une série d’articles publiés récemment (1) (2) décrit un blindage efficace contre un champ magnétique. Cet effet est obtenu en associant deux coques concentriques, l’une faite d’un matériau supraconducteur, l’autre faite d’un matériau ferromagnétique. Le blindage permet de masquer un volume à un champ magnétique externe ou de dissimuler un champ magnétique au monde extérieur. Il peut notamment éloigner un pole magnétique de son opposé et donc de simuler artificiellement un monopole magnétique.

Ce blindage magnétique permettrait peut-être de créer une voile électromagnétique, c’est-à-dire un système de propulsion qui utiliserait les champs magnétiques naturels, notamment le champ magnétique terrestre. Imaginez un anneau de courant électrique placé dans ce champ magnétique. Les forces de Laplace qui s’exercent sur le conducteur électrique s’annulent : aucune translation de l’anneau n’est possible. Par contre, si une partie de cet anneau est revêtue du blindage magnétique décrit plus haut, l’action du champ magnétique sur le courant électrique de la section masquée est annulée. Les forces de Laplace qui s’exercent sur l’ensemble du conducteur ne s’annulent plus : l’anneau peut se mettre en mouvement. Si le conducteur électrique est fait d’un matériau supraconducteur, la seule énergie consommée par la mise en mouvement de l’anneau est fournie par le champ magnétique.

Ce type de voile électromagnétique est-il possible ?

(1) Gomory, F. et al. Experimental realization of a magnetic cloak. Science 335, 1466 (2012)

(2) Prat-Camps, J. et al. A Magnetic Wormhole. Sci. Rep. 5, 12488; doi: 10.1038/
srep12488 (2015)
-----

[phys4]

Bonsoir,
Un supraconducteur de grande taille est très léger pourrait s'appuyer sur le champ magnétique terrestre et donc servir de véhicule aérien.
La technologie des supraconducteurs ne permet pas d'imaginer une tel dispositif : il faudrait des supraconducteurs très efficaces et fonctionnant de préférence à température ambiante.


Pour la source d'énergie, il faut remarquer qu'un champ magnétique statique, comme le champ terrestre, ne fournit aucune énergie, l'énergie de propulsion viendrait de l'énergie nécessaire pour créer le champ du supraconducteur.

[Daumic]

Bonjour phys4,

Un supraconducteur de grande taille est très léger pourrait s'appuyer sur le champ magnétique terrestre et donc servir de véhicule aérien.

Je vois plutôt une voile électromagnétique comme système de lancement spatial. Le champ magnétique terrestre varie peu jusqu’à quelques centaines de kilomètres d’altitude. Il pourrait donc fournir une force propulsive constante à une voile électromagnétique jusqu’en orbite basse. Le site (1) permet de calculer les paramètres du champ magnétique terrestre n’importe où sur le globe terrestre. Par exemple, à Kourou (5°N, 52°W) :
- altitude 0 km, composante horizontale du champ 28 µT,
- altitude 100 km, composante horizontale du champ 27 µT,
- altitude 200 km, composante horizontale du champ 25 µT.

La technologie des supraconducteurs ne permet pas d'imaginer une tel dispositif : il faudrait des supraconducteurs très efficaces et fonctionnant de préférence à température ambiante.

La technologie des supraconducteurs évolue assez vite en ce moment. Pour qu’un supraconducteur puisse servir à la construction d’une voile électromagnétique, la condition minimale est que la force de Laplace qui lui est appliquée soit supérieure à son poids. Un calcul simple montre que deux paramètres sont importants pour satisfaire ce critère : le courant critique que peut supporter le supraconducteur et sa masse volumique.

Soit un circuit conducteur de forme carrée placé au niveau de l’équateur terrestre. Le circuit est orthogonal au champ magnétique terrestre orienté nord-sud. Le sens du courant électrique est tel que les forces de Laplace sont orientées vers l’extérieur du circuit. Les forces appliquées sur les parties ouest et est du circuit s’annulent. La partie basse du circuit est enrobée d’un blindage magnétique et ne devrait donc pas subir de force de Laplace. La partie haute du circuit subit une force de Laplace qui n’est pas compensée. Que devrait être cette force de Laplace pour supporter le poids de l’ensemble du circuit ?

F = I . B . L
avec F : force de Laplace appliquée sur la partie supérieure du circuit,
I : intensité du courant électrique,
B : composante horizontale du champ magnétique terrestre,
L : longueur de la partie supérieure du circuit.

P = 4 . d . V . g
avec P : poids de l’ensemble du circuit,
d : masse volumique du conducteur,
V : volume de la partie supérieure du circuit,
g : accélération de la pesanteur terrestre.

Il faut que : F > P

Soit encore : I . B . L > 4 . d . V .g

Avec s : section du conducteur,
j : densité du courant électrique.

On peut encore écrire :

j . s . B . L > 4 . d . g . s . L

j . B > 4 . d . g

Finalement, pour que la force de Laplace soit supérieure au poids, il faut que :

j > 4 . d . g / B

Parmi tous les matériaux supraconducteurs connus actuellement, il me semble que le diborure de magnésium présente les caractéristiques les plus intéressantes : une faible masse volumique de 2.57 g/cm3 et un courant critique élevé de l’ordre de 10000 A/mm2 (2). Le MgB2 semble satisfaire la condition minimale pour constituer une voile électromagnétique. Par exemple, dans un champ magnétique horizontal de 30 µT, la densité de courant nécessaire pour que la force de Laplace égale le poids d’un circuit carré fait de MgB2 est de 3400 A/mm2, chiffre très inférieur au courant critique du matériau.

Mais il reste à comptabiliser la masse du blindage magnétique et surtout la masse du système de réfrigération car le diborure de magnésium ne devient supraconducteur qu’en dessous de 40 K.

Pour la source d'énergie, il faut remarquer qu'un champ magnétique statique, comme le champ terrestre, ne fournit aucune énergie, l'énergie de propulsion viendrait de l'énergie nécessaire pour créer le champ du supraconducteur.

C’est le point le plus important. D’où vient l’énergie ? La satellisation d’un objet nécessite 32 MJ d’énergie pour chaque kg lancé. Si l’énergie est fournie par le courant électrique, la voile magnétique perd de son intérêt car le véhicule qu’elle propulse devra emporter non seulement le blindage magnétique, le système de réfrigération et le supraconducteur mais aussi un système de production d’énergie d’une masse considérable. Vous avez raison lorsque vous dites qu’on ne peut pas prélever d’énergie d’un champ magnétique statique. Mais est-on dans ce cas ? Il me semble que le fait de pouvoir masquer le champ magnétique terrestre avec le blindage nous ramène dans le cas d’un champ variable, c’est-à-dire un champ dont on peut prélever de l’énergie.

(1) http://www.geomag.bgs.ac.uk/data_ser...grf_form.shtml
(2) http://iopscience.iop.org/article/10...261AE163683.c1

[phys4]

F = I . B . L
avec F : force de Laplace appliquée sur la partie supérieure du circuit,
I : intensité du courant électrique,
B : composante horizontale du champ magnétique terrestre,
L : longueur de la partie supérieure du circuit.

C’est le point le plus important. D’où vient l’énergie ? La satellisation d’un objet nécessite 32 MJ d’énergie pour chaque kg lancé. Si l’énergie est fournie par le courant électrique, la voile magnétique perd de son intérêt car le véhicule qu’elle propulse devra emporter non seulement le blindage magnétique, le système de réfrigération et le supraconducteur mais aussi un système de production d’énergie d’une masse considérable. Vous avez raison lorsque vous dites qu’on ne peut pas prélever d’énergie d’un champ magnétique statique.

Au sujet de l'énergie, je vous propose de reprendre simplement le calcul de la force
F = B.I.L
si le circuit se déplace à la vitesse v, il apparaitra une tension
V = B.L.v et donc pour maintenir le courant il faudra une énergie électrique P = I.V = (F/B.L) * B.L.v = F.v
La puissance électrique à fournir est exactement la puissance mécanique ascensionnelle.

Il faut considérer le champ magnétique comme un point d'appui : à l'aide d'un point d'appui, vous pouvez changer la direction d'une force ou la multiplier. Cependant vous devrez toujours fournir toute l'énergie. Le champ magnétique joue un rôle similaire, il permet de transformer l'énergie, mais ne l'amplifie pas. Et si vous faites varier le champ il faudra aussi fournir l'énergie indispensable pour cette variation.

Il existe de nombreux inventeurs qui prétendent générer de l'énergie à partir du champ magnétique, les machines présentées ce sont toujours révélées être des trucages.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Daumic]

Bonjour phys4.

Hum, réflexion faite, vous avez raison. L’énergie de la propulsion ne peut pas venir du champ magnétique. L’énergie nécessaire à la propulsion doit être fournie au véhicule équipé de la voile électromagnétique.

Votre rappel de l’expression de la puissance mécanique (P = F . v) me suggère une solution que je n’avais pas remarquée : la voile électromagnétique pourrait être utilisée comme lanceur spatial lent. Si on se contente d’une faible et constante vitesse ascensionnelle, de l’ordre de 10 m/s, la puissance à fournir pour maintenir le courant électrique de la voile devient très modérée.

La puissance à fournir serait suffisamment modérée pour être fournie par des panneaux photovoltaïques ou une pile à combustible. Les panneaux solaires à usage spatial les plus efficaces fournissent actuellement 500 W/kg. Une tonne de ces panneaux peut fournir l’énergie pour propulser un véhicule d’une masse totale de 5 tonnes à une vitesse de 10 m/s. Mais ces deux sources d’énergie électrique ont chacune un problème : l’alternance jour/nuit va gêner la production électrique des panneaux photovoltaïques, la pile à combustible doit être alimentée par de l’hydrogène et de l’oxygène embarqués à bord du véhicule qui est alors soumis au même problème de rapport de masse des fusées actuelles.

La voile électromagnétique me semble par contre adaptée à un nouveau système de propulsion étudié depuis quelques années : la propulsion par faisceaux. Ce mode de propulsion consiste à fournir au véhicule spatial l’énergie nécessaire par un faisceau d’énergie, laser ou micro-onde. Pour reprendre l’exemple précédent, un faisceau micro-onde de 500 kW pourrait alimenter en énergie électrique la voile électromagnétique d’un véhicule de 5 tonnes pourvu qu’on se contente d’une vitesse ascensionnelle de 10 m/s.

Un lancement avec faisceau micro-onde se passerait de la façon suivante :
- le véhicule à lancer est équipé d’une voile électromagnétique, d’une antenne micro-onde, d’un moteur de manœuvre orbitale et de la charge utile,
- une antenne micro-onde au sol alimente en énergie le véhicule,
- la trajectoire du véhicule est verticale, la vitesse du véhicule reste à 10 m/s,
- avec l’altitude, le champ magnétique terrestre diminue plus vite que l’attraction gravitationnelle ; le courant circulant dans le supraconducteur de la voile doit augmenter pour compenser la diminution du champ géomagnétique mais ne doit pas atteindre l’intensité critique ; la puissance du faisceau micro-onde doit augmenter dans les mêmes proportions,
- la voile électromagnétique est arrêtée lorsqu’une altitude de l’ordre de 3000 km est atteinte, l’énergie potentielle du véhicule à cette altitude équivaut à l’énergie cinétique d’une satellisation à basse altitude ; l’augmentation de puissance du faisceau micro-onde entre le sol et cette altitude est de 70%,
- le lanceur électromagnétique composé de la voile et de l’antenne se sépare de la charge utile et de son moteur de manœuvre,
- le lanceur électromagnétique, toujours alimenté par le faisceau micro-onde revient sur Terre à faible vitesse selon la même trajectoire verticale,
- le moteur fusée de manœuvre orbitale est allumé pour ajuster l’orbite de la charge utile.

Selon ce schéma, la voile électromagnétique associée à un faisceau micro-onde remplacerait les premiers étages d’une fusée classique.

[Qui]

Bonsoir,
...il faudrait des supraconducteurs très efficaces et fonctionnant de préférence à température ambiante...

Bonjour,

Un objet est supraconducteur ou ne l'est pas, je ne vois pas sur quoi repose l'efficacité d'un supraconducteur, mais je serais content de le savoir.

Merci.

[phys4]

Un supraconducteur ne peut garder son état que sous certaines conditions :
1- température : il ;cesse d'être supraconducteur au delà d'une certaine température critique
2- champ magnétique : la température critique décroit quand le champ magnétique augmente et donc il existe aussi un champ critique.

Ces deux propriétés dépendant du supraconducteur.

[Daumic]

Bonjour à tous,
j’apporte ici deux corrections à mon dernier message concernant l’utilisation d’une voile électromagnétique comme lanceur lent :

- la voile électromagnétique est arrêtée lorsqu’une altitude de l’ordre de 3000 km est atteinte, l’énergie potentielle du véhicule à cette altitude équivaut à l’énergie cinétique d’une satellisation à basse altitude,
- correction : l’altitude à atteindre pour acquérir une énergie potentielle équivalente à l’énergie cinétique d’une satellisation à basse altitude est de 7000 km (g est variable avec l’altitude),

- avec l’altitude, le champ magnétique terrestre diminue plus vite que l’attraction gravitationnelle ; le courant circulant dans le supraconducteur de la voile doit augmenter pour compenser la diminution du champ géomagnétique mais ne doit pas atteindre l’intensité critique ; la puissance du faisceau micro-onde doit augmenter dans les mêmes proportions,
- correction : la puissance du faisceau micro-onde n’a pas à augmenter ; l’énergie apportée par le faisceau ne sert qu’à contrecarrer la tension qui apparaît dans le supraconducteur, cette tension ne dépend que de la vitesse du véhicule et du champ magnétique, comme le champ magnétique diminue avec l’altitude une vitesse constante peut être maintenue avec un faisceau de moins en moins puissant.

[Daumic]

Depuis quelques années, la JAXA, l’agence spatiale japonaise, étudie un projet de centrale solaire spatiale inspirée de l’idée originale de Peter Glaser (1). Ce projet consiste à placer en orbite géostationnaire une centrale solaire produisant de l’électricité, à convertir cette énergie électrique en un faisceau micro-onde dirigé vers la Terre, et au sol à reconvertir l’énergie micro-onde en électricité à l’aide d’une antenne.

La voile électromagnétique me semble bien adaptée à la satellisation d’une centrale solaire spatiale :

1 - D’abord parce que des éléments pourraient être communs aux deux concepts : l’antenne micro-onde au sol pourrait servir au lancement de la voile et plus tard à la réception du faisceau micro-onde spatial. Si la partie supraconductrice de la voile, constituée de MgB2, est peu coûteuse à fabriquer, elle pourrait être sacrifiée à chaque lancement. Dans ce cas, l’antenne réceptrice du faisceau micro-onde du véhicule servirait d’antenne émettrice une fois en orbite géostationnaire.

2 - La voile électromagnétique pourrait remplacer le premier étage d’un lancement classique par fusée. La structure des coûts d’un lancement par fusée montre que le premier étage représente 75% du coût total de la fusée (2). Le remplacement de ce premier étage par une voile électromagnétique pourrait réduire le coût de lancement.

3 - Le lancement par voile électromagnétique devrait se faire à faible vitesse contrairement au lancement par fusée. Traverser l’atmosphère à faible vitesse pourrait permettre le lancement de la centrale solaire entièrement déployée alors que le transport par fusée obligera à la replier sous une coiffe aérodynamique.

(1) http://spectrum.ieee.org/green-tech/...tal-solar-farm

(2) http://space.stackexchange.com/quest...alcon-9-launch

[Daumic]

Le freinage électromagnétique au lieu du freinage aérodynamique

La voile électromagnétique pourrait avoir un autre usage qu’un lanceur spatial : ce pourrait être un véhicule de rentrée spatial. Lorsqu’une voile électromagnétique suit une trajectoire descendante de l’espace vers l’atmosphère terrestre, le champ géomagnétique induit dans l’anneau supraconducteur un courant électrique. La dissipation de cette énergie électrique dans un circuit résistif permet de convertir l’énergie cinétique du véhicule en chaleur facile à évacuer par un radiateur. La voile électromagnétique agit comme un frein et devrait ainsi permettre une rentrée atmosphérique à faible vitesse.

Il me semble que ce freinage électromagnétique est préférable au freinage aérodynamique utilisé actuellement par les véhicules spatiaux. Le freinage aérodynamique utilise le frottement sur les couches les plus denses de l’atmosphère pour ralentir le véhicule. Cette opération est brutale, crée une forte décélération et un échauffement très élevé du bouclier thermique. De ce fait, c’est une phase très dangereuse pour le véhicule et ses passagers.

Le freinage électromagnétique utilise le champ géomagnétique pour freiner le véhicule. Le champ géomagnétique s’étend à plusieurs milliers de kilomètres au-delà de l’atmosphère terrestre. Le freinage électromagnétique peut ainsi commencer longtemps avant le contact avec l’atmosphère. Ce freinage avec une voile électromagnétique se fait avec une faible décélération et donc génère sur la structure du véhicule des contraintes modérées. Le contact avec l’atmosphère devrait également se faire à faible vitesse et donc permettre l’économie du bouclier thermique.

[Daumic]

Similitudes avec le concept d'ascenseur spatial

Il me semble que la voile électromagnétique présente des similitudes avec le concept de l’ascenseur spatial.

Le concept d’ascenseur spatial a été développé indépendamment dans les années 60 par des chercheurs russes et américains. Il a surtout été popularisé par le roman ‘Les fontaines du Paradis’ d’Arthur C. Clarke paru en 1978. L’ascenseur spatial consiste à déployer un câble entre un point au sol sur l’équateur terrestre et une masse en altitude. La force centrifuge appliquée sur la masse fixée au bout du câble le maintient tendu. Pour cela il faut que la masse soit à une altitude supérieure à l’altitude géostationnaire soit 36000 km. Tendre un câble d’une telle longueur nécessite un matériau d’une résistance mécanique exceptionnelle. Un tel matériau n’a pas encore été découvert. Des recherches se poursuivent car l’ascenseur spatial présenterait deux avantages considérables par rapport aux techniques de lancement par fusée :
- il permet un lancement à faible puissance alors que c’est la puissance extraordinaire des fusées, notamment au décollage, qui les rend si dangereuses,
- en cas de panne du système ascensionnel, la charge utile reste accrochée au câble alors qu’une panne sur une fusée entraîne une chute catastrophique.

Je résume le mode de lancement par voile électromagnétique présenté dans la discussion :
- le véhicule à lancer est équipé d’une voile électromagnétique, d’une antenne micro-onde, d’un moteur de manœuvre orbitale et de la charge utile,
- une antenne micro-onde au sol alimente en énergie le véhicule,
- la trajectoire du véhicule est verticale ; la vitesse initiale du véhicule est maintenue tout le long du vol, de cette manière la puissance à fournir qui a pour but de maintenir le courant dans l’anneau supraconducteur reste modérée,
- la voile électromagnétique est arrêtée lorsqu’une altitude de l’ordre de 7000 km est atteinte ; l’énergie potentielle du véhicule à cette altitude équivaut à l’énergie cinétique d’une satellisation à basse altitude, ainsi la satellisation complète de la charge utile ne nécessite plus qu’un petit moteur orbital,
- le lanceur électromagnétique composé de la voile et de l’antenne se sépare de la charge utile et de son moteur de manœuvre,
- le lanceur électromagnétique revient sur Terre à faible vitesse selon la même trajectoire verticale,
- le moteur fusée de manœuvre orbitale est allumé pour ajuster l’orbite de la charge utile.

Les similitudes de la voile électromagnétique avec l’ascenseur spatial sont les suivantes :
- la voile électromagnétique permet elle aussi un lancement à faible puissance,
- en cas d’arrêt de la propulsion et à condition que l’état supraconducteur du blindage magnétique et de l’anneau conducteur soit maintenu, la chute du véhicule dans le champ géomagnétique génère un courant électrique dans l’anneau conducteur, la force de Laplace appliquée à ce courant s’oppose au mouvement du véhicule : la voile électromagnétique reste « accrochée » à son support, le champ géomagnétique.

[Daumic]

La Cavorite magnétique

Vous souvenez-vous du roman de H. G. Wells ‘Les premiers hommes dans la Lune’ ? Dans ce roman, Wells imagine une substance qui fait écran à la gravité, la Cavorite.

Ce matériau ne peut pas exister car il créerait une machine à mouvement perpétuel. Imaginez une roue à axe horizontal dont une partie est protégée par un capot de Cavorite. La pesanteur terrestre n’agirait que sur la partie de la roue hors du capot et la ferait donc tourner indéfiniment. Ce mouvement perpétuel n’est pas possible et prohibe de ce fait l’existence de la Cavorite gravitationnelle.

Un matériau supraconducteur, du fait de sa susceptibilité magnétique strictement égale à -1, constitue un écran parfait à l’égard des champs magnétiques. On peut lui donner le nom de Cavorite magnétique. L’objet de cette discussion, une voile électromagnétique, est un lanceur spatial utilisant une Cavorite magnétique. Le rêve de Wells devient peut-être réalité.

[LeMulet]

La technologie des supraconducteurs ne permet pas d'imaginer une tel dispositif : il faudrait des supraconducteurs très efficaces et fonctionnant de préférence à température ambiante.

Si la voile se trouve à l'ombre et dans l'espace, quelle sera sa température ?

[phys4]

La température d'équilibre à l'ombre dépend de la position dans l'espace. Car un objet dans l'espace sera en équilibre thermique avec les températures de rayonnement des objets qui l'entourent.

A l'ombre de la Terre elle sera en équilibre avec la température de rayonnement de la haute atmosphère, entre -40°C et -60°C.

[LeMulet]

A l'ombre de la Terre elle sera en équilibre avec la température de rayonnement de la haute atmosphère, entre -40°C et -60°C.

Ce n'est donc effectivement pas assez froid pour faire fonctionner des supraconducteurs actuellement connu.(du moins par moi)

Exemple ici en 2015 :

Ce supraconducteur pulvérise le record précédent

A l'état naturel, ce matériau est un gaz, du sulfure d'hydrogène (H2S), qui sent l’œuf pourri et que les humains et animaux produisent par voie naturelle (descendante). Les chercheurs l'ont tellement comprimé, qu'il est devenu solide et a manifesté sa supraconductivité en passant sous les -70,5 °C exactement. Le record précédent était de -109 °C, atteint par un matériau céramique (un cuprate). Un sacré saut.

Mais pour cela il a fallu presser, intensément : environ 2 mégabar, soit 2 millions de fois la pression atmosphérique. La pression au centre de la Terre est à peine du double !

http://www.science-et-vie.com/galeri...errestres-6172

[Daumic]

Il me semble que l'un des meilleurs candidats supraconducteurs pour la voile électromagnétique reste le diborure de magnésium (1). Ce matériau n'est supraconducteur qu'à basse température mais sa faible masse volumique et sa haute densité de courant critique le rendent intéressant pour cet usage.

(1) https://fr.wikipedia.org/wiki/Diboru...magn%C3%A9sium