Propulsion électrocinétique
Thomas Townsend Brown, né aux Etats-Unis en 1905, est le premier scientifique à réaliser des travaux reliant l’électromagnétisme et la théorie de la gravitation...
Thomas Townsend Brown, né aux Etats-Unis en 1905, est le premier scientifique à réaliser des travaux reliant l’électromagnétisme et la théorie de la gravitation développée par Einstein, dont il était un des camarades.
1. Thomas Townsend Brown
La publication la plus intéressante de T. T. Brown concernant la compréhension du fonctionnement des lifters est la brevet qu’il déposa en 1960 (Brevet US2949550A1) intitulé « Electrokinetic apparatus » (Les appareils électrocinétiques). Dans celui-ci, il présente à la fois ses observations concernant le phénomène de mise en mouvement par imposition d’une différence de potentielle, des appareils de son invention utilisant ce phénomène, et une première théorie sur les phénomènes mis en jeu.
1.1. Les observations
1.1.1. Le phénomène électrocinétique
« L’invention utilise un phénomène électrocinétique inconnu jusqu’à alors que j’ai découvert ; c’est-à-dire que lorsqu’une paire d’électrodes de forme appropriée sont attachées mutuellement selon une position spatiale spécifique et immergées dans un milieu diélectrique et ensuite chargées de manière opposée à un degré suffisant, une force est produite tendant à mettre en mouvement la paire d’électrodes au sein du milieu. »
1.1.2. La conversion d’énergie
« Pour la première fois, un appareil électrocinétique est employé pour convertir une énergie électrique en énergie mécanique, puis pour convertir l’énergie mécanique en la force requise. »
1.1.3. Synthèse
T. T. Brown présente ici la découverte d’un mode de conversion d’énergie qui, à partir de l’imposition d’un champ électrique, à travers l’application d’une différence de potentielle suffisante, amène à la création d’une énergie mécanique déployant une force permettant une mise en mouvement de son appareil.
Il vient d’inventer l’électrocinétique.
1.2. Les appareils
« Il est donc de mon invention de fournir un appareil permettant de convertir l’énergie d’un potentiel électrique directement en une fore mécanique suffisante pour causer un mouvement relatif entre la structure et le milieu environnant. Il est aussi de mon invention de fournir un nouvel appareil permettant de convertir un potentiel électrique directement en une énergie cinétique utile. Il est aussi de mon invention de fournir un nouvel appareil permettant de convertir une énergie électrostatique directement en une énergie cinétique. Il est aussi de mon invention de fournir un véhicule mu par une énergie électrostatique sans l’utilisation de parties mobiles. Il est également de mon invention de fournir un véhicule auto propulsé sans l’utilisation de parties mobiles. »
T. T. Brown pressent donc déjà les nombreuses applications du phénomène observé. On peut sentir les prémices des théories d’une nouvelle source pour la mise en mouvement de véhicules et notamment les prémices de la conception d’appareils à lévitation.
1.3. La théorie
T.T. Brown développe une théorie selon laquelle l’application d’un gradient de potentiel suffisant créerait un plasma dans le milieu entourant le système, par l’arrachement d’électrons libres par l’électrode positive, plasma chargé positivement naturellement attiré de ce fait vers l’électrode négative placée en deçà de l’électrode positive, ce qui entraînerait un déplacement général du système à travers le milieu environnant. Il développe également la théorie selon laquelle deux mouvement contraires seraient en présence, celui des électrons et celui des atomes, et que, par des considérations massiques et par la prise en compte de la théorie de la relativité, le mouvement des atomes seraient prédominant sur celui des électrons ce qui expliquerait la résultante mécanique globale sur le système. Il est à noter également que T. T. Brown explique également les deux phases du mouvement de l’air autour du système : première attraction du plasma vers l’électrode négative, puis répulsion ensuite lorsque celui-ci s’est chargé négativement en contact avec l’électrode négative. Il explique d’ailleurs que « l’appareil eut être considéré par analogie comme une pompe ou un ventilateur » et pressent l’idée d’un « vent électrique ».
2. Evgenij Barsoukov
En 2002, E. Barsoukov décide de publier des résultats quantitatifs concernant la théorie électrocinétique appliquée aux lifters. Il reprend les résultats de T. T. Brown et les quantifie, les explique et décrit complètement le vent ionique balistique.
2.1. Les interactions ioniques
E. Barsoukov explique que lorsque l’on applique un faible voltage entre deux électrodes dans un milieu diélectrique, comme l’air par exemple, on se trouve dans un cas de condensateur traditionnel, avec le stockage de + et – au niveau des électrodes. Le courant s’arrête ensuite et rien d’autre ne se produit, quelque soit la forme des électrodes. Le seul courant, faible, que l’on peut observer est dû aux quelques ions libres présents constamment dans l’air.
Si le voltage augmente, ces petits ions libres se mettent en mouvement entre les électrodes, avec une vitesse proportionelle à la force du champ électrique. Les ions acquièrent donc une célérité non négligeable et se voient accélérés. Les collisions se font alors plus nombreuses entre les ions et les atomes.
Il arrive alors un moment, lorsque le voltage est suffisant, où l’énergie de collision est telle qu’elle permet d’éjecter des électrons aux atomes environnants, créant ainsi de nouveaux ions. Tout l’air compris entre les deux électrodes devient alors conducteur, on a un mélange de cations et d’anions. Une telle avalanche est donc provoquée par un haut voltage appliqué.
2.2. Comportement des ions dans le lifter
E. Barsoukov se penche alors sur une question : que se passe-t-il si une des électrode possède une surface bien plus petite que l’autre ? C’est le cas d’un lifter possédant un fil mince de cuivre en pôle positif et une bande d’aluminium en pôle négatif. Or, si une électrode est bien plus fine que l’autre, le champ proche de sa surface est bien plus grand. Il s’avère donc que le voisinage de cette électrode est le lieu préférentiel pour l’avalanche ionique.
Que se passe-t-il donc si l’air se ionise préférentiellement autour d’une seule électrode, la positive par exemple dans notre cas ? E. Barsoukov montre que l’on obtient alors autour de cette électrode le mélange de cations et d’anions résultant de l’avalanche déclenchée par le haut voltage. Les anions se voient alors neutralisés par les charges de l’électrode positive. De leur côté, les cations n’ont pas d’autre choix que de se laisser happer par l’électrode négative, où ils se neutralisent. Par ce processus, on a alors un courant continu entre les électrodes, appelé « corona discharge ».
2.3. Mise en mouvement du lifter
E. Barsoukov met en relief le fait que, lorsque les ions se déplacent de l’électrode fine jusqu’à ce qu’il appelle le collecteur, ils ne sont pas seuls dans l’espace. Ils se trouvent entouré de quantités de molécules neutres. Les ions entrent en collision avec ces molécules près de 107 fois par seconde. Certes, l’énergie de collision n’est pas assez forte pour que les ions arrachent effectivement des électrons à ces molécules, mais quelque chose se passe néanmoins. Lorsque qu’ils heurtent les molécules, les ions se voient acquérir une vitesse dans l’autre sens, vers l’électrode fine. Il y a alors un transfert de moment mécanique qui se produit entre l’air et les ions. Mais les moments se conservant obligatoirement, on observe alors un transfert de moment réciproque de l’air vers les ions. Les ions étant intriqués avec les électrodes, c’est-à-dire le système physique du lifter, celui-ci se voit mis en mouvement dans l’autre sens.
E. Barsoukov vulgarise ce phénomène de la manière suivante : si l’on se place dans un bateau (le lifter) posé sur une mer de balles (l’air) et que l’on tient entre les mains un aviron (le champ électrique) qui à son extrémité possède une balle (un ion), lorsque l’on pousse sur l’aviron pour faire avancer la balle vers l’arrière, le contact que celle ci a avec les autres balles amène la bateau à se déplacer vers l’avant. L’ion, poussé par le champ électrique, se dirige vers le collecteur, et les interactions mécaniques qu’il subit avec les molécules neutres de l’air l’amène à acquérir un moment mécanique dans l’autre sens qui est la force motrice du lifter.
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2.4. Conclusion
E. Barsoukov propose donc une théorie d’échange de moments pour expliquer la transformation de l’énergie électrique en mouvement global du lifter. Il se base sur les intuitions de Brown en jonglant avec les concepts pour obtenir des résultats quantitatifs théoriques 2 à 3 fois plus grands que les résultats expérimentaux. Cela lui convient relativement bien puisque l’ordre de grandeur est là.
“La prédiction tombe presque juste avec les résultats expérimentaux pour toutes les tailles de lifters, […]. Finalement, nous avons une équation pour jauger l’efficacité du lifter et des preuves supplémentaires pour le mécanisme de la propulsion des ions.
3. Contestations actuelles
3.1. Problème du milieu environnant
De récentes expériences ont été conduites dans le vide et ont démontré une poussée persistante, bien que réduite. Des chercheurs ont donc élaboré la théorie selon laquelle la base du brevet de T. T. Brown serait fondée mais serait à revoir et affiner.
3.2. Recherches actuelles de la US Army
Voici un extrait d’un rapport publié par l’US Army le 4 novembre 2002 : « A ce jour on ne comprend pas la base physique de l’effet Biefeld-Brown. L’ordre de grandeur de la force sur le condensateur asymétrique laisse supposer qu’il y a deux mécanismes de conduction de charge différents entre ses électrodes, un de vent ionique balistique, l’autre de mouvement ionique. Pour comprendre cet effet, on doit bâtir un modèle théorique plus détaillé et qui prendra en compte les effets de plasma, l’ionisation du gaz (l’air) dans la zone de champ fortement électrisé, le transport de charge et les forces dynamiques qui en résultent sur les électrodes. Les séries d’expériences à venir pourraient déterminer si l’effet se produit dans le vide, et une étude sérieuse devrait être menée pour déterminer comment la pression du gaz, les divers gaz et le voltage appliqué sont corrélés à la force observée. »
3.3. Bibliographie récente
Une publication en 2006, rédigée par L. Zhao et K. Adamiak, présente une étude par simulation par éléments finis du fonctionnement des lifters.
La théorie part du fait que les molécules d’air recueillent la résultante des forces électriques subies par les électrodes lors de l’application du haut voltage. L’air se retrouve alors expulsé vers le bas, dans notre cas, et ce déplacement laisse derrière lui une dépression que le lifter se voit obligé de combler en effectuant un déplacement dans l’autre sens.
Cette théorie explique à la fois le vent ionique, les situations dans le vide et complète l’hypothèse électrocinétique.
CONCLUSION
Toute les théories actuelles se basent sur le brevet de T. T. Brown qui suggère que le déplacement du lifter soit d’origine purement électrocinétique, et que cette dernière soit du aux déplacements et aux collisions de ions et des électrons. Il se base donc simplement sur une balistique ionique.
Or, des expériences réalisées dans le vide amène à penser que, certes un vent ionique balistique puisse entrer en jeu dans le processus, mais que d’autres phénomènes puissent advenir également. Ainsi, l’apparition d’un courant peut suggérer la création d’un champ magnétique qui entraînerait des considérations magnétohydrodynamiques.
BIBLIOGRAPHIE
http://www.spacenews.be/dossiers/Li...
http://olympiades-physique.in2p3.fr
Brevet US2949550A1, T. T. Brown
L. Zhao, K. Adamiak. EHD gas flow in electrostatic levitation unit, 2005.
M. Jesu-Plu. Propulsion électrocinétique et Lifters, 2006.
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date de publication : 28 novembre 2004,
date de dernière mise à jour : 15 février 2013
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- EHD Gas Flow in electrostatic levitation unit - 463.7 ko - PDF
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