II y a aujourd'hui un peu plus de cent quatre-vingt ans, le Danois Christian Oersted découvrait l'existence du champ magnétique créé par un courant électrique. Peu après, l'Anglais Michael Faraday mettait en évidence le phénomène réciproque : une variation de champ magnétique induit un courant dans un conducteur.

Or, le magnétisme se caractérise essentiellement par des forces d'attraction ou de répulsion, donc, en fait, par des mouvements. Du coup, le courant électrique, se trouvant associé au magnétisme, devenait lui aussi capable de créer des forces et des déplacements : l'invention des moteurs électriques et des dispositifs électromécaniques allait suivre les découvertes d'Oersted et de Faraday. Réciproquement, la dynamo due à Gramme permettait de transformer le mouvement en courant électrique.

Schématiquement, les deux processus sont simples à observer : si on pose une boussole près d'un fil de fer et qu'on branche une pile sur le fil, l'aiguille de la boussole se déplace ; le courant a donc créé un champ magnétique autour du fil. On retire ensuite la pile et la boussole, et on approche un aimant du fil : un courant y circule.

Dans le premier cas, nous avons pris un fil de fer ; il aurait aussi bien pu être en cuivre, en zinc, en aluminium ou en mercure. Le phénomène reste le même quelle que soit la nature du conducteur, qui peut être solide, liquide - comme le mercure ou les électrolytes (sels fondus ou solutions de sels, d'acides, de bases, dans l'eau ou dans certains liquides isolants) -, ou même gazeux. Dans tous les cas, le passage du courant s'accompagne de la création d'un champ magnétique.

D'une manière plus générale encore, le courant n'étant qu'un mouvement de charges électriques dans un conducteur, tout déplacement de charges crée du magnétisme : des électrons parcourant un tube à vide, des ions (molécules chargées) mobiles dans un liquide ou un gaz engendrent un champ magnétique. L'intensité de ce champ est d'autant plus grande que les charges en mouvement sont plus nombreuses et plus rapides.

Réciproquement, toute variation de champ magnétique au voisinage d'un conducteur engendre un courant. On peut difficilement parler de mouvement d'un champ puisque celui-ci est immatériel ; mais si on le considère comme un ensemble de lignes de force, on peut dire que tout déplacement de ces lignes par rapport à un conducteur y fait circuler un courant. Et comme précédemment, si on veut généraliser, tout mouvement des lignes de force déplace les charges électriques mobiles.

II faudrait toutefois se garder de pousser l'analogie plus loin, car, malgré la similitude de certaines lois et de certains phénomènes, il existe des différences importantes entre électricité et magnétisme.
Ainsi, de même que le champ électrique attire ou repousse les charges selon leur signe, le champ magnétique attire ou repousse les corps ferromagnétiques ; dans les deux cas, le mouvement se fait dans l'axe du champ agissant.

Mais quand le champ magnétique agit sur une charge électrique mobile, le déplacement ne se fait pas dans l'axe du champ, mais perpendiculairement à lui - de là la règle des trois doigts d'Ampère (Champ, Chemin, Courant).
II y a à cela une *raison importante* pour la compréhension des phénomènes électromagnétiques : un aimant n'agit pas sur la charge électrique elle-même, mais sur le champ magnétique qu'elle crée en se déplaçant. Or, les champs de même signe se repoussent, et ceux de signe contraire s'attirent.

Ces déplacements de charges ou de conducteurs sont donc des interactions de champs magnétiques. L'action mécanique (puisqu'elle se traduit par un mouvement) d'un champ magnétique sur un conducteur s'explique donc assez bien. En revanche, nul ne sait pourquoi une charge électrique en mouvement engendre un champ magnétique - ce qui n'empêche pas de mesurer le phénomène avec une grande précision ni de l'utiliser dans une immense variété de dispositifs, dont le plus courant est le moteur électrique.

En pratique, le courant induit par une variation de champ magnétique à travers un conducteur a mené aux dynamos et aux alternateurs qui produisent du courant ; le champ magnétique des courants, lui, a conduit à tous les systèmes électromécaniques où il y a transformation de l'électricité en mouvement. Il n'y a pas de réelle séparation entre les deux classes d'appareils puisqu'ils sont réversibles : une dynamo devient moteur si on lui envoie du courant, et réciproquement.

Dynamos et moteurs comptent parmi les outils universellement connus mettant en jeu électricité et aimantation, ce sont des dispositifs "solides", où les charges circulent dans des conducteurs métalliques faciles à produire et à usiner. Mais il existe aussi des dispositifs "liquides" et même "gazeux" où les charges circulent dans des fluides.

Le cas le plus remarquable est celui de la magnéto-hydrodynamique (MHD), qui reste,même aujourd'hui, du domaine expérimental. Bien qu'on ne puisse la classer dans l'électromécanique, puisqu'il n'y a justement pas de conducteur solide, il s'agit encore d'obtenir du mouvement à partir de l'électricité, ou l'inverse. Le conducteur mis en jeu est en général un plasma, c'est-à-dire un gaz porté à très haute température :
l'agitation thermique arrache des électrons aux atomes, lesquels cessent d'être neutres pour devenir des ions positifs ; quant aux électrons, ils constituent les charges négatives.

Ayant des charges électriques libres, le plasma est conducteur ; si on y fait circuler un courant, il sera déplacé par un champ magnétique.
Inversement, un jet de plasma constitue un ensemble de charges en mouvement qui engendre un champ magnétique, lequel peut agir sur un aimant ou induire un courant dans un bobinage placé à côté, mais le courant induit est d'autant plus fort que le bobinage est plus près.

La MHD constitue l'exemple le plus spectaculaire et le plus récent de conducteurs fluides, mais à vrai dire l'idée remonte à Faraday. Vers 1830, il pensa à utiliser le mouvement de l'eau salée, qui est conductrice, pour créer du courant. Il plongea deux électrodes dans un canal où remontait la marée et utilisa comme champ magnétique celui de la Terre : un faible courant se manifesta aux bornes quand la mer remonta le canal. Pour être juste, le courant devait être vraiment très modeste, car l'eau de mer ne renferme pas une grande densité de charges électriques, et la vitesse des marées n'est pas celle d'un jet de plasma.
L'expérience inverse - également inventée par Faraday - existe : déplacer un fluide conducteur parcouru par un courant grâce à un champ magnétique. Si le dispositif permettant le déplacement du fluide est porté par un contenant, lui-même posé sur le fluide, il y aura, par réaction, déplacement du contenant, donc propulsion et, il s'agit donc dans son principe d'un réacteur MHD.

Principe de propulsion très simple et qui a été étudié de près au début des années 1960 ; mais les résultats de ces travaux étaient plutôt décourageants. Le premier rapport de " prospection sur la propulsion magnéto-hydro-dynamique pour les navires ", rédigé en 1962 par un Américain du nom de Philips, concluait ainsi :
1 - Avec l'induction magnétique - c'est-à-dire le champ magnétique - la plus élevée qu'il soit possible de créer par les méthodes actuellement disponibles, le système optimal propulserait un sous-marin de 600 pieds à une vitesse de 10 noeuds avec un rendement électrique de 8 %. Obtenir des vitesses ou des rendements appréciables nécessiterait des champs beaucoup plus élevés.
2 - La raison de cette pauvre performance est la faible conductivité de l'eau de mer (...).
3 - Le mauvais rendement et la faible puissance de ces systèmes les rend peu aptes à être utilisés comme moyen de propulsion. "

L'eau de mer est, de fait, une fort mauvaise conductrice de l'électricité : sa conductivité est environ dix millions de fois inférieure à celle du cuivre ! Et, comme le remarque Phillips, pour compenser cet inconvénient, des champs magnétiques très intenses sont nécessaires, que n'offraient pas les moyens techniques de l'époque.

Arrivé là, on peut déjà se rendre compte que l'application de la propulsion MHD aux aéronefs n'est pas prête de voir le jour, ne serait-ce, dans l'état actuel de nos connaissances physique et technologique, que par la quasi non conduction électrique de l'air.

Depuis quelques années, on assiste à un redémarrage des études sur la propulsion MHD. La supraconduction a fait de grands progrès. Les supraconducteurs sont des matériaux qui ont la particularité de n'offrir pratiquement aucune résistance à l'électricité, et de laisser passer des densités de courant jusqu'à mille fois supérieures à celle admise par le cuivre.

Les Américains furent les premiers, dès le début des années 1980, à reprendre les travaux théoriques sur propulsion. Aujourd'hui leurs recherches (au laboratoire Argonne, dans l'Illinois, entre autres), soutenues par le Département de la Défense, sont consacrées à la réalisation de sous-marins, surtout pour la discrétion.

La propulsion MHD offre la possibilité théorique d'atteindre des vitesses très élevées, et d'obtenir de très bons rendements énergétiques et d'envisager la suppression de toute pièce mécanique mobile, y compris le gouvernail.

Les Japonais, qui se sont lancés très vite dans un important programme expérimental civil, financé par de grandes sociétés privées. A l'université de Kobe, ils ont déjà fabriqué une maquette de vedette équipée de propulseurs de ce type.

Les Soviétiques ont depuis longtemps à Riga (Lettonie) un des plus important centre de recherche au monde entièrement consacré à la MHD des liquides.

Depuis quelques années, la France n'est pas en reste : une petite équipe s'est constituée à l'Institut de mécanique de Grenoble, avec des chercheurs dont certains travaillaient déjà auparavant sur d'autres applications de magnéto-hydrodynamique.

Le procédé précédemment décrit - un champ électrique plus un champ magnétique perpendiculaire créant une force de Laplace-Lorenz -, qu'on appelle la propulsion « par conduction », n'est pas le seul possible : il existe une seconde voie, celle de la propulsion « par induction ».

L'induction électrique a été découverte par Faraday dans les années 1830 : un champ magnétique qui se déplace ou qui varie créé dans un corps conducteur un courant qu'on qualifie d'« induit ». Le propulseur par induction est une application de cette loi de Faraday : on génère dans de l'eau de mer un champ magnétique glissant, en faisant passer un courant alternatif dans un bobinage de forme adéquate : ce champ magnétique « ondule » le long du bobinage. Étant variable, il crée dans l'eau des courants induits, et l'interaction champ magnétique-courant induit se traduit par une force dans l'eau, capable de faire avancer un bateau.

En résumé, la différence entre les deux types de propulseur est que la propulsion à conduction utilise deux champs séparés - un champ électrique créé par des électrodes et un champ magnétique uniforme créé par une bobine -, alors que dans la propulsion à induction, le champ électrique est induit par un champ magnétique glissant, et il n'y a pas d'électrode (c'était la solution envisagée par Philips dans son rapport cité plus haut).

Outre cette alternative conduction/induction, un autre choix se présente si l'on veut construire un navire ou un sous-marin à propulsion MHD : les champs magnétique et électrique peuvent être créés soit à l'extérieur de la coque, et la force repoussera l'eau à la périphérie du bateau ; soit engendrés à l'intérieur d'un canal traversant le navire, et ils ne s'appliquent qu'à l'eau s'écoulant dans ce canal. A partir de ces deux possibilités, on peut envisager quatre types de propulseurs : à conduction avec écoulement externe, à conduction avec écoulement en canal, à induction avec écoulement externe, à induction avec écoulement en canal.

Cela dit, que ce soit pour des considérations de rendement, de simplicité d'utilisation ou de discrétion, c'est la propulsion à conduction et en canal qu'ont adoptée les Japonais pour leur vedette civile, de même que les Américains pour leur étude de sous-marin militaire.

Les Japonais de Kobe en sont déjà à la seconde maquette de leur vedette dotée de deux propulseurs MHD divisés chacun en 6 secteurs : chaque secteur est constitué d'un canal cylindrique de 2,50 m de long et 25 cm de diamètre, avec deux électrodes planes parallèles, si bien que le champ électrique est perpendiculaire au champ magnétique et l'eau s'écoule le long du bateau. Ce bateau a été construit en vue de démontrer la faisabilité de la propulsion MHD pour des navires de surface, mais des performances bien supérieures seront nécessaires pour le rendre économiquement intéressant.

La propulsion magnéto-hydrodynamique n'est rentable qu'à grande échelle : elle ne servira jamais à faire avancer des jouets, ou même de petits bateaux ! En effet le rapport des forces électromagnétiques propulsives aux forces visqueuses, qui freinent, est proportionnel au produit du champ magnétique par le diamètre du canal d'écoulement. Pour que ce rapport soit élevé, il faut donc un champ magnétique important et un propulseur de grande taille.

Mais on en n'est pas encore là : des problèmes techniques restent à surmonter, et d'abord dans la construction des aimants supraconducteurs, pièces maîtresses du propulseur qui doivent être non seulement puissants, mais aussi suffisamment légers et, comme tout supraconducteurs, ils doivent être maintenus à une température très basse, ce qui nécessite un circuit de refroidissement à l'hélium liquide et une isolation thermique parfaite. Mais, tout en étant isolés, les aimants doivent aussi rester très solidement liés au navire, ce qui n'est pas sans soulever des difficultés.

Aucune de ces difficultés n'apparaît en principe insurmontable, et la propulsion MHD devrait devenir une réalité d'ici à quelques années, car les vitesses et les rendements qu'on peut en attendre sont théoriquement bien meilleurs que pour une propulsion classique. Mais elle pourrait devenir encore plus intéressante techniquement et économiquement lorsque l'on saura utiliser les matériaux supraconducteurs « à haute température ».

La magnéto-hydro-dynamique est partout !

La propulsion des navires et des sous-marins n'est pas la seule application de la MHD ! Le regain d'intérêt pour la propulsion est très récent, mais la MHD fait l'objet de recherches depuis des décennies. Par définition, la magnéto-hydro-dynamique est l'étude des mouvements des fluides conducteurs de l'électricité en présence de champs magnétiques.
Bref, c'est un domaine de la physique où se mêlent l'électromagnétisme et la dynamique des fluides, et qui cumule les difficultés de ces deux disciplines.

Aujourd'hui, la MHD s'applique dans l'industrie nucléaire, où elle est utilisée au pompage du sodium liquide dans les circuits secondaires de refroidissement des surgénérateurs, et dans différents domaines de la métallurgie : le laboratoire de Grenoble qui développe ces applications, le Madylam, contribue aussi à la recherche sur la propulsion.

Dans les expériences sur la fusion thermonucléaire contrôlée, qui se poursuivent depuis des années, les difficultés rencontrées pour la stabilisation et le confinement du plasma relèvent aussi d'un problème de MHD particulièrement ardu.

Dans la nature, étoiles et planètes subissent de gigantesques phénomènes magnéto-hydro-dynamiques lorsque les plasmas chauds ou des métaux liquides rencontrent de puissants champs magnétiques : le champ magnétique terrestre et les champs magnétiques stellaires, la vitesse de rotation des étoiles, les éruptions et vents solaires, les magnétosphères les rayons cosmiques, relèvent aussi de la MHD.

Arrivé là, on se rend bien compte qu'on est à une distance incommensurable d'une application aux aéronefs et encore moins aux vaisseaux spatiaux.

Ouf... Ça va ? Vous avez suivi ?

Il y aurait encore plein de choses à dire sur la MHD, mais c'est quand même pas le sujet principal du site...