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Résumé du projet : Notre projet s'intitule S.M.E.D.R.A ( Submarine Magneto Electro Dynamique Research Agency ). L'objectif étant d'améliorer et de perfectionner un système de propulsion par magnétohydrodynamisme (MHD), nous nous sommes lancés dans une démarche de recherche purement scientifique. En effet, pourquoi se contenter de présenter un principe déjà généralement acquis, alors que son potentiel reste encore très incertain ? Après avoir cerné le principe et les limites de ce concept généralement admis en réalisant de nombreux réacteurs MHD, parfois même adaptés à des esquifs, nous avons entamé notre étude. Tout en essayant d'améliorer la configuration de notre prototype, nous avons étudié le rendement énergétique, la pollution engendrée, ainsi que l'influence de l'eau de mer et le rendement dynamique. Pour finir, nous avons obtenu le meilleur prototype en déterminant les paramètres à affecter au réacteur MHD pour le rendre plus performant, répondant ainsi à la question : Comment améliorer le concept généralement acquis de la technologie MHD ?

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Submarine Magneto Electro Dynamique Research Agency*

*Agence de recherche en magnétohydrodynamique sous marine

OLYMPIADES NATIONALES DE LA PHYSIQUE Édition 2009-2010

Buewaert Thibaut – Allender Quentin

LYCÉE SAINT-JACQUES – HAZEBROUCK

Professeur responsable Mr Jean Sébastien THIBAUT

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Sommaire :

Introduction p3

I] Genèse du projet p4 1) Première expérience originale p4

2) Explication succincte du phénomène p4

3) Premiers prototypes p5

4) Les premiers esquifs p6

5) Premiers tests p7

6) Conclusions et problèmes posés par le concept p8

II] Etudes relatives à l’amélioration du concept p9 1) Accélérateur amélioré p9

2) Rendement énergétique pour différentes électrodes p11

3) Etude de la pollution en fonction des matériaux des électrodes p13

4) Etude relative à l’eau de mer p14

5) Etude de forces p17

III] Conclusion générale p20

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Introduction : • Le monde est jalonné de petites et de grandes inventions. Certaines d’entre elles ont

modifié considérablement notre Histoire. Depuis l’invention de la machine à vapeur, les hommes ont continué de créer des moyens de propulsion de plus en plus avancés en passant par le moteur à explosion, le moteur à hélice, le turboréacteur, le statoréacteur et la fusée à poudre. Des scientifiques de génie et d’astuces ont cherché à repousser des limites préétablies et, par une créativité sans égale, ont réussi à révolutionner le monde et à le faire avancer.

Qu’en est-il en hydronautique ? • Si l’on se base sur les technologies du monde actuel, en matière d’hydronautique, la

résistance de l’eau induisant des fronts d’ondes va réduire considérablement la vitesse d’un esquif propulsé dans ce milieu, car celui-ci dépensera une grande partie de son énergie à produire ces fronts d’ondes.

• On se rend donc compte que les technologies de propulsion du monde actuel sont limitées, par ce que nous considérons comme des faits acquis et inévitables que sont la création de fronts d’ondes au voisinage d’un esquif en hydronautique.

• La magnétohydrodynamique est l'étude des mouvements des fluides conducteurs de l'électricité en présence de champs magnétique et électrique. En combinant champ magnétique et champ électrique, il est possible de créer des forces de Lorentz-Laplace. Ces forces sont capables d’agir sur l’eau de mer et ainsi de propulser un navire. Cette technologie qui a commencé à être étudiée dans les années 60 et qui est à ce jour émergente, pourrait représenter un nouveau moyen de propulsion pour l’avenir plus ou moins proche.

Quand à la SMEDRA… • La S.M.E.D.R.A, dont nous sommes les membres majoritaires, a été fondé en 2008 et a

pour objectif principal l’amélioration et le perfectionnement d’un moyen de propulsion par magnétohydynamisme. En effet, pourquoi se contenter de présenter un principe déjà généralement acquis, alors que son potentiel reste encore très incertain.

• Tout a commencé en 2007, avec la découverte de la Magnétohydrodynamique (MHD). Cette technologie nous a paru capable de révolutionner les moyens de propulsion actuels dans le domaine aquatique. Après une année de recherche, de tests et la conception de nombreux prototypes, nous nous sommes rendus à l’évidence que le concept généralement proposé ne tenait pas réellement ses promesses et que les résultats étaient bien piètres. Cependant, nous avons décidé de nous lancer dans une démarche de recherche purement scientifique. Et c’est alors que la S.M.E.D.R.A est née…

Problématique :

Comment améliorer le concept généralement acquis de la technologie MHD ?

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I] Genèse du projet : 1) Première expérience originale Nous avons découvert en 2007 une bande dessinée de magnétohydrodynamique (MHD) de Monsieur Jean-Pierre PETIT, ancien Directeur de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), spécialiste en physique des plasmas, mécanique des fluides et en magnétohydrodynamique. Dans cette bande dessinée, nous avons décidé de réaliser une expérience originale qui s’intitule : « Comment construire votre accélérateur à MHD ». Le but de cette expérience est de mettre en évidence le pompage d’un fluide conducteur en présence de forces électromagnétiques.

2) Explication succincte du phénomène

* Explications détaillées de ces forces en annexe.

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• Après avoir réalisé 2 expériences, l’une avec le rail de Laplace, et la seconde avec un faisceau d’électrons soumis à un champ magnétique mettant en évidence la force de Lorentz, nous avons constaté que la force de Laplace et la force de Lorentz étaient des forces complémentaires, c'est-à-dire que si l’une était présente, l’autre l’était forcément aussi, car elles sont toutes deux dues à l’électromagnétisme, mais les forces de Laplace se manifestent à l’échelle macroscopique, tandis que les forces de Lorentz se manifestent à l’échelle microscopique. On en conclut donc que les forces en présence sont à la fois des forces de Lorentz et des forces de Laplace.

3) Premiers prototypes • On a pu observer, lors de notre première manipulation intitulée « expérience originale »,

que lorsqu’un fluide conducteur était soumit à des forces électromagnétiques, il subissait des forces accélératrices. Nous avons donc cherché à créer d’autres formes de cet accélérateur MHD conformes à la configuration classique. Voici un des différents prototypes que nous avons réalisé :

aimant

anode cathode

Déplacement du fluide constaté.

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4) Les premiers esquifs • En vue des résultats précédents, nous avons décidé de nous engager dans la conception

d’esquifs à MHD propulsés par des réacteurs avec une configuration semblable aux prototypes précédemment présentés:

Le premier, L’Intrépide :

Nous avons ensuite déterminé la vitesse et la poussée de L’Intrépide : v = 10.45 cm/s Fp = 0.023 N (* Le calcul de la force de poussée est détaillé en annexe) Le second, Le Hercule :

Puis nous avons à nouveau déterminé la poussée et la vitesse : v = 11.6 cm/s Fp = 0.025 N

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5) Premiers tests Après avoir exposé de façon succincte les différentes étapes qui nous ont conduits à poser notre problématique, et après avoir cerné de façon globale le principe généralement acquis de la MHD (réacteur classique), nous allons maintenant rentrer dans le vif du sujet en essayant de perfectionner et d’améliorer ce moyen de propulsion. Pour ce faire, nous avons commencé par une étude comparative dans différentes mers du globe de notre esquif Hercule. Puis nous avons réalisé des courbes d’étude de la vitesse de l’esquif en fonction du champ magnétique, de la concentration en sel de l’eau et de l’intensité du courant électrique avec le logiciel scientifique Généris de Jeulin.

Etude comparative dans différentes mers de la vitesse du Hercule :

V(B)

V(C)

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6) Conclusions et problèmes posés par le concept Cette genèse nous a permis d’explorer le concept généralement acquis de la technologie MHD et ses particularités. Pour la vitesse en fonction du champ magnétique, nous remarquons que comme nous ne pouvons pas à notre échelle augmenter les champs magnétiques employés et qui atteignent déjà 0.1 Tesla, nous allons devoir optimiser l’agencement du prototype de manière à exploiter au maximum les champs magnétiques, sans devoir augmenter la puissance de l’aimant. Pour la vitesse en fonction de la concentration, nous remarquons que la vitesse augmente avec la concentration. Mais nous serons limités par la concentration en sel de l’eau de mer, c'est-à-dire environ 35g/L. De plus, pour réaliser nos tests, nous avons reproduit en laboratoire de l’eau de mer à partir d’eau du robinet et de sel. Or l’eau de mer a une composition bien différente, ce qui nous amène à devoir tester avec de la véritable eau de mer, tout en ayant étudié préalablement celle-ci. Pour la vitesse en fonction de l’intensité, la conclusion est la suivante : L’intensité est un facteur déterminant pour la vitesse. En effet, la courbe croit très rapidement, ce qui signifie, qu’une faible variation d’intensité peut avoir une grande répercussion sur la vitesse. Mais nous somme limités par notre source d’alimentation qui ne dépasse pas 6 Ampères. Donc nous devons rechercher une optimisation de l’agencement de notre prototype de manière à économiser l’énergie qui est en grande partie perdue à chauffer l’eau. Autres problèmes : Il se crée une pollution de l’environnement à la fois atmosphérique de par l’émanation de gaz comme le dichlore avec l’emploi d’électrodes de carbone, et à la fois aquatique par le dégagement d’ions métalliques lors de l’électrolyse.

V(I)

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II] Etudes relatives à l’amélioration du concept Préliminaires des différentes études : Jusqu’à présent, nos expérimentations et tous nos prototypes ont été réalisés ou étudiés dans une eau du robinet à laquelle nous avons rajouté une quantité en sel correspondant à la concentration en sel de l’eau de mer étudiée. Afin de réaliser les études relatives à l’amélioration du concept, nous devons étudier différents paramètres indépendamment ; pour ce faire il nous est nécessaire de travailler avec une concentration en sel fixe, afin de réduire le nombre de variables. Nous avons donc choisi une concentration moyenne s’élevant à 35g/L. De plus, toutes nos études seront réalisées dans un but comparatif entre le type de réacteur déjà étudié précédemment lors de la genèse et dont nous avons fixé les principales limites, et un nouveau concept d’accélérateur amélioré. 1) Accélérateur amélioré

Comme on peut le constater sur le schéma, l’agencement de l’accélérateur amélioré consiste à diminuer la hauteur des électrodes. Ceci nous a paru intéressant à étudier du fait qu’il exploite au mieux le champ magnétique dégagé par l’aimant. En effet après avoir conclu qu’on ne pouvait pas travailler avec un champ magnétique plus important, nous avons eu l’idée d’aménager l’agencement du réacteur. Pour ce faire, nous avons déterminé le champ magnétique effectif en fonction de la distance à l’aimant, voici la courbe obtenue :

Électrodes

Aimants

Réacteur classique Accélérateur amélioré

Schéma d’un réacteur classique et d’un accélérateur amélioré

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On observe que la valeur du champ magnétique reste maximale jusqu’à une distance de 1 cm de l’aimant. Au-delà, la valeur champ chute considérablement, au point d’être divisé par deux à environ 3 cm. Si nous voulons exploiter le potentiel maximum de l’aimant, nous devons donc raccourcir les électrodes jusqu’à une hauteur de 1 cm pour exploiter au mieux notre champ magnétique, d’où la configuration d’accélérateur amélioré. Chaque matériau utilisé en tant qu’électrode ayant ses propres caractéristiques, son utilisation dans un réacteur, engendrera des résultats différents au niveau énergétique, c’est pourquoi nous avons voulu déterminer celui qui nous conviendrait le mieux.

B(d)

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2) Rendement énergétique pour différentes électrodes : Pour déterminer le rendement de nos prototypes avec chaque type d’électrode ( matériaux différents ), nous avons calculé l’énergie perdue pour chauffer l’eau puis l’énergie délivrée par le générateur, nous avons ensuite déterminé l’énergie utile, pour en déduire le rendement énergétique. - Energie perdue : Nous avons réalisé nos tests dans un bassin de 330 mL, soit avec 0.33 Kg d’eau. Nous voulons avoir une énergie perdue identique à chaque test, de ce fait nous avons attendu que la température de l’eau passe de 21°C à 33°C. Ainsi, la durée de fonctionnement du réacteur constitue notre variable dans cette série de tests. Sachant que la constante calorifique de l’eau est de 4180 J.K-1.Kg-1, l’énergie perdue est la suivante :

- Energie délivrée : L’énergie délivrée par le générateur correspond à la puissance délivrée par le générateur multiplié par la durée t de fonctionnement du réacteur pour chauffer l’eau de 21°C à 33°C. La puissance délivrée n’étant pas constante, le calcul ne se résume pas à une simple multiplication. En effet, il nous a fallu modéliser la courbe d’évolution de la puissance générée en fonction du temps. Puis à l’aide de la primitive de l’équation de la courbe obtenue, on réalise un calcul d’intégrale entre le temps t1 où l’eau est à 21°C, et le temps t2 où l’eau a atteint 33°C. Ce calcul nous donne l’énergie délivrée par le générateur. Exemple pour un réacteur classique :

� Veau = 330 ml - meau = 0.33 Kg � Electrodes de carbone � Distance entre les électrodes : 4.7 cm - Superficie des électrodes : 27cm² par électrode � Générateur 24V - 5A � t1 = 36 s - t2 = 205 s

P(t) : Carbone

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Calcul de la primitive F(t) de P(t), puis de l’intégrale entre t1 = 36 s et t2 = 205 s :

Calcul du rendement :

Ce rendement a été déterminé pour un réacteur classique avec une anode et une cathode en carbone. Nous avons ensuite réalisé cette même démarche pour d’autres matériaux ainsi que pour la configuration d’accélérateur amélioré.

Réacteur classique Accélérateur amélioré

Matériaux Cathode / anode

Vitesse de l’eau à l’œil

nu r (%)

Matériaux Cathode / anode

Vitesse de l’eau à l’œil

nu r (%)

C C Très rapide 27 C C Très rapide 27 C Ag rapide 20 C Ag Très rapide 28 Pb Pb rapide 15 Pb Pb Très rapide 27 Al Al moyenne 8 Inox Inox faible 8 Zn Zn faible 7 Zn Ag faible 3

Conclusion partielle : La configuration accélérateur amélioré semble privilégier une meilleur efficacité et un meilleur rendement au niveau énergétique. Nous n’avons volontairement pas calculé le rendement pour les matériaux Al, Inox, Zn et Zn/Ag au niveau amélioré car leurs rendements au niveau réacteur étaient déjà très faibles. Il est vrai qu’on pourrait nous reprocher de ne pas avoir testé ces matériaux au niveau amélioré car il pourrait y avoir une amélioration très notable, cependant, le temps nous faisant défaut, nous avons décidé de passer outre. En outre le rendement énergétique, la composition des électrodes influe aussi sur la pollution environnementale du fait de l’électrolyse de l’eau.

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3) Etude de la pollution en fonction des matériaux des électrodes Nous allons étudier à la fois la pollution atmosphérique et la pollution de l’eau. Les équations d’électrolyses possibles aux anodes et aux cathodes sont les suivantes :

Anode : 2 H2O + 2 e− � H 2 + 2 HO – (aq)

2 Cl − (aq) � Cl 2 + 2 e−

Cathode : 2 H2O � O 2 + 4 H+ + 4 e−

Alors qu’aux anodes, seul le dégagement de dihydrogène est possible, aux cathodes, il peut y avoir émission de dioxygène ou de dichlore. Etant donné qu’un propulseur MHD fonctionne à de fortes densités de courant, la réaction prépondérante sera celle conduisant au dégagement de dichlore :

Théoriquement, pour éviter le dégagement de dichlore, nous devrions travailler avec une tension inférieure à 1.36 V, ce qui ne permet guère un bon rendement. Or, il nous est impossible de travailler avec une si faible tension car l’intensité ne serait alors plus suffisante pour assurer une propulsion. Nous avons donc continué sur la voie empruntée précédemment lors du rendement énergétique en étudiant cette fois le pH, le taux de Cl2 émis ainsi que les ions métalliques dégagés dans l’eau. Nous avons relevé la quantité de Cl2 dégagée « à vue de nez » (en respectant les règles de sécurité bien sûr !), et mesuré le pH à l’aide d’un pH-mètre.

Réacteur classique Accélérateur amélioré Matériaux

Cathode / anode pH

Taux de Cl2 émis

Ions/métaux en présence

pH Taux de Cl2

émis Ions/métaux en présence

C C 8.12 Très élevé HO- C 8 moyen HO- C C Ag 7.85 Très élevé HO- C Ag+ 8.10 moyen HO- C Pb Pb 9.77 Très élevé HO- Pb2+ 9 Très faible HO- Pb2+ Al Al 8 Très faible HO- Al 3+ Inox Inox 7.71 Très faible HO- ? Zn Zn 9.45 Très faible HO- Zn2+ Zn Ag 9 Très faible HO- Zn2+

Anode Cathode

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Pour analyser nos échantillons d’eau après électrolyse, nous avons fait appel à notre sponsor Suez. Il a répondu favorablement et a accepté de payer les analyses, mais leurs équipements ne permettant pas d’analyser de l’eau salée, ils nous ont alors proposé de faire analyser nos échantillons par l’institut Pasteur. Nos échantillons sont actuellement en cours d’analyse, les frais ont étés pris en charge par Suez. Conclusion partielle : Le réacteur dans sa configuration classique favorise le dégagement de dichlore pour les matériaux entrainant un meilleur rendement énergétique. En revanche, le passage à l’accélérateur amélioré permet une réduction importante des taux de dichlore émis à la cathode. Quel que soit le matériau utilisé ou la configuration du prototype, le pH reste légèrement basique, la réaction à l’anode ne varie donc pas avec le passage à la configuration améliorée. Il nous reste à savoir si les résultats des analyses vont confirmer ou infirmer ces idées. 4) Etude relative à l’eau de mer : Comme nous l’avons dit précédemment, notre étude est basée sur une eau salée, créée à partir d’eau du robinet, en laboratoire, à laquelle on ajoute du sel. Or après quelques recherches, nous avons découvert que l’eau de mer était composée d’autres minéraux que le sel, et que ceux-ci étaient potentiellement conducteurs. A fortiori, on pourrait imaginer que nos réacteurs (classiques ou améliorés) auraient un rendement différent en eau de mer. Ce qui nous amène donc à une étude des différentes eaux de mer à travers le globe.

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En vue de la composition moyenne des eaux de mer du globe, nous pouvons affirmer qu’en plus des ions chlorure et sodium, les ions sulfates sont présents en quantité non négligeable. De plus ils sont potentiellement conducteurs. En outre, ces valeurs ne représentent que des concentrations moyennes, celles-ci varient donc sensiblement en fonction des océans du globe, ce qui nous amène à envisager l’importation de différents échantillons d’eau de mer. Nous avons donc à nouveau fait appel à notre sponsor Suez qui a accepté par l’intermédiaire de ses filiales environnements, de nous faire importer différents échantillons.

PPPrrr ooovvveeennnaaannnccceee dddeee nnnooosss dddiii fff fff ééérrr eeennnttt sss éééccchhhaaannnttt iii lll lll ooonnnsss ddd’’’ eeeaaauuuxxx dddeee mmmeeerrr :::

Eaux de la Société des eaux du Nord

Eaux de la Lyonnaise des eaux de Biarritz

Eaux de la Lyonnaise des eaux

Fréjus

Eaux de la Générale des eaux de Guyane

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Ci contre, la salinité à la surface des différentes eaux du globe. D’où nous en déduisons la concentration en sel de nos eaux reçues : Eaux de la Société des eaux du Nord (35,5 g/L) Eaux de la Lyonnaise des eaux de Biarritz (35 g/L) Eaux de la Lyonnaise des eaux Fréjus (37,5 g/L) Eaux de la Générale des eaux de Guyane (31 g/L)

Nous consacrerons les essais dans ces eaux de mer en employant le prototype finalement désigné comme étant le plus performant. Ainsi nous pourront obtenir des résultats qui pourraient être escomptés dans un milieu aqueux réel. Les résultats seront présentés lors de la finale nationale.

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5) Etude de forces Bien sûr, nous ne pouvons pas omettre la dimension dynamique dans notre étude. En ce sens, elle nous permet de déterminer la capacité d’un prototype à propulser un esquif. Ce qui, ne l’oublions pas, est notre objectif principal. Mise au point du protocole expérimental visant à mesurer une force de poussée :

L’expérience est composée d’une bassine d’eau salée à concentration moyenne en sel, dans laquelle est plongé un aimant et de 2 électrodes maintenues par des potences. La force de poussée, quant à elle, pousse une palette de 2 cm2 immergée dans la partie la plus haute du volume d’eau, et à la sortie du réacteur. Cette force est transmise par un bras coudé en aluminium non magnétisable à une balance de Roberval de précision. Ainsi, quand la palette est poussée, la balance se déséquilibre. En égalisant les deux longueurs symbolisées sur la photo, le poids servant à rééquilibrer la balance sera le même que la force de poussée.

l l

On rééquilibre ainsi la balance en posant des petites masses sur le plateau surélevé. Le poids est obtenu par la relation P = m.g avec la masse m en Kg et g, constante de gravité égale à 9.81 N/kg. La palette, mesure 2 cm de longueur et 1 cm de hauteur. En faisant un rapport avec la largeur du réacteur, on estime de façon relativement précise la force de poussée pour une bande de 1cm de hauteur et de largeur celle du réacteur.

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Pour cela, nous allons réaliser une série de mesure avec deux thématiques principales. La première consistera à étudier la hauteur des électrodes, la seconde, quant à elle, portera sur la longueur de celles-ci.

� Hauteur des électrodes. Voici notre prototype :

Nous avons fait varier la hauteur de l’eau au niveau des électrodes pour simuler des électrodes plus ou moins hautes, et ensuite mesuré la force. Voici les résultats obtenus :

h (cm) m (dg) F (2 cm²) (10-3 Newton) F (5 cm²) (10-3 Newton) 1 2.5 2.45 6.13 2 2 1.96 4.9 3 1.5 1.47 3.68 4 1 0.981 2.45 5 0.5 0.49 1.22

� Longueur des électrodes

Pour tester la longueur des électrodes, nous avons réalisé 2 prototypes :

Nous avons par la même occasion couplé le test de la variable longueur avec celui de la variable hauteur. Ainsi nous avons testé les deux prototypes schématisés ci-dessus avec une hauteur d’eau variable, à nouveau pour symboliser des électrodes plus ou moins hautes.

5 cm

2 cm

h

Electrodes

Aimant (0.1 T)

Aimants (0.1 T) Electrodes

l = 6.5 cm

l = 13 cm 4 cm

4 cm

h

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F en 10-3 Newton l = 6.5 cm l = 13 cm h (cm) m (dg) F (2 cm²) F (4 cm²) m (dg) F (2 cm²) F (4 cm²)

1 3.5 3.43 6.86 5.5 5.4 10 2 1.5 1.47 2.94 3.5 3.43 6.86 3 1 0.98 1.96 2 1.96 3.92

Conclusion sur l’étude de force : La meilleure force obtenue correspond à un agencement avec des électrodes d’une hauteur de 1 cm et d’une longueur de 13 cm. Nous pouvons donc conclure que la longueur des électrodes, contrairement à leur hauteur, permet un meilleur rendement dynamique. Nous venons donc de déterminer que le amélioré est effectivement plus avantageux, dans la mesure où on détermine la hauteur des électrodes adéquates et que nous concevons une accélération du fluide sur une longue distance, pour avoir un rendement dynamique maximal. La configuration réacteur n’est pas intéressante du fait de sa taille non proportionnée par rapport au champ magnétique.

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III] Conclusion générale « Pour la vitesse en fonction du champ magnétique, nous remarquons que comme nous ne pouvons pas à notre échelle augmenter les champs magnétiques employés et qui atteignent déjà 0.1 Tesla, nous allons devoir optimiser l’agencement du prototype de manière à exploiter au maximum les champs magnétiques, sans devoir augmenter la puissance de l’aimant. » Nous venons de démontrer qu’il était effectivement possible d’optimiser l’agencement du prototype et ses performances, en déterminant la hauteur des électrodes adéquates et en concevant une accélération du fluide sur une longue distance, pour avoir un rendement dynamique maximal. En vu du meilleur aimant que nous possédons (0.1 T, longueur : 13 cm, largeur 5 cm), nous devons utiliser l’agencement amélioré avec électrodes de hauteur 1 cm et de longueur 13 cm. « Pour la vitesse en fonction de la concentration, nous remarquons que la vitesse augmente avec la concentration. Mais nous serons limités par la concentration en sel de l’eau de mer, c'est-à-dire environ 35g/L. De plus, pour réaliser nos tests, nous avons reproduit en laboratoire de l’eau de mer à partir d’eau du robinet et de sel. Or l’eau de mer a une composition bien différente, ce qui nous amène à devoir tester avec de la véritable eau de mer, tout en ayant étudié préalablement celle-ci. » En effet, l’eau de mer a bien une composition différente que l’eau du robinet, nous pouvons affirmer qu’en plus des ions chlorure et sodium, les ions sulfates sont présents en quantité non négligeable. De plus ils sont potentiellement conducteurs. En outre, ces valeurs ne représentent que des concentrations moyennes, celles-ci varient donc sensiblement en fonction des océans du globe, ce qui nous a amené à importer différents échantillons d’eau de mer. Nous avons donc fait appel à notre sponsor Suez qui a accepté par l’intermédiaire de ses filiales environnements, de nous faire importer différents échantillons. (Faute de temps les tests avec ces différents échantillons n’ont pas encore été réalisés…) « Nous devons rechercher une optimisation de l’agencement de notre prototype de manière à économiser l’énergie qui est en grande partie perdue à chauffer l’eau. » L’énergie est perdue lorsque le courant électrique passe dans l’eau en présence d’un champ magnétique trop faible. Après avoir réalisé la courbe d’évolution du champ magnétique en fonction de la distance à l’aimant, nous avons vu que le champ magnétique était le plus intense à une distance maximale de 1 cm de l’aimant. Or l’étude dynamique nous a conduit à un prototype aux électrodes hautes de 1 cm. Donc nous réalisons bien un agencement qui exploite au mieux le champ magnétique et qui évite les pertes énergétiques causées par le passage du courant dans un faible champ magnétique.

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« Mais les pertes énergétiques sont aussi dues à l’électrolyse. Autres problèmes : Il se crée une pollution de l’environnement à la fois atmosphérique de par l’émanation de gaz comme le dichlore, et à la fois aquatique par le dégagement d’ions métalliques lors de l’électrolyse. » Après de nombreuses études de rendement énergétique, nous avons déterminé un matériau, le carbone, pour lequel l’énergie perdue était la plus faible. Notre agencement amélioré permet encore de réduire cette perte, tout en réduisant de manière significative l’émission de dichlore. Ce même matériau c’est avéré aussi le moins polluant au niveau aquatique.

L’étude que nous avons réalisé s’est révélée très ardue, tant par la mise au point des manipulations, que par la compréhension des phénomènes qui se sont avérés très complexes. De plus, il faut préciser que cette étude a été menée avec des moyens techniques limités (Intensité maximale de 5A, voltage maximum de 20 V, champs magnétiques n’atteignant pas plus que 0.1 Tesla, matériaux peu nobles…). Le fait que nous avons travaillé à petite échelle nous a permis d’obtenir une configuration optimale de notre propulseur, avec nos moyens et ainsi répondre à la problématique.

Critique : Il est vrai que notre réalisation finale n’est pas encore parfaite. Nous nous heurtons toujours à des problèmes d’émission de dichlore induit par l’électrolyse de l’eau qui reste un facteur assez néfaste dans la réalisation d’un propulseur conventionnel. De plus cette électrolyse de l’eau n’est pas sans conséquence sur la pollution aquatique et entraine indubitablement une baisse du rendement énergétique de notre propulseur.

Aimant (0.1 T) Longueur : 13 cm Largeur : 5 cm Épaisseur : 0.8 cm

Electrodes en carbone

1 cm

Schémas de l’agencement final

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« Chaque progrès donne un nouvel espoir, suspendu à la solution d’une nouvelle difficulté. Le dossier n’est jamais clos. »

Claude Lévi-Strauss

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CONSEIL DE SECURITE

Allender Quentin (50%)

Buewaert Thibaut (50%)

Approuve ou Corrigent Dirigent

Aide financière et technologique

Conseillent

PARTENAIRES

GAZ DE France SUEZ Société des eaux du Nord

Lyonnaise des eaux de

Biarritz

Lyonnaise des eaux Fréjus

Générale des eaux de Guyane

ORGANIGRAMME S.M.E.D.R.A (REMERCIEMENTS)

BENEVOLES

Simon Richard

Jeremy Foster

Florian

ASSEMBLEE GENERALE

Président : Jean Sébastien Thibaut (professeur)

Membres :

Mr Podvin (professeur)

Mr Beclin (professeur)

Mr Rousseau (professeur)

Mr Michel (Polytechnicien)

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Annexes

1. Force de Laplace : � Définition :

• Un fil conducteur parcouru par un courant électrique et soumit à un champ magnétique

uniforme, subit une force électromagnétique appelée aussi force de Laplace. � Énoncé :

• Une portion MN de circuit rectiligne de longueur « l » parcourue par un courant

d’intensité « I » et placée dans un champ magnétique uniforme « B », est soumise à la force électromagnétique « F » caractérisée par :

- Sa direction perpendiculaire au plan défini par MN et « B », - Son sens déterminé par la règle de la main droite : lorsque le pouce indique le sens

du courant et l’index le sens de « B », alors le majeur montre le sens de « F ».

- Son intensité.

dF = I * l * B

ou : F = I l B│sin α│

avec F en newton (N), I en ampère (A), l en mètre (m), B en tesla (T) et la valeur « sinus alpha » qui n’intervient que lorsque l’angle est différent de 90°.

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� Expérience du rail de Laplace :

• Nous avons donc, après l’étude de la force de Laplace, décidé de réaliser l’expérience du rail de Laplace. Nous avons pu observer que lorsque nous relions le rail au courant électrique, le conducteur mobile roule vers la droite ou vers la gauche en fonction du sens du courant et/ou du sens du champ. Il y a donc bien une force de Laplace qui s’exerce sur le conducteur mobile.

• Ci-dessous, des photos annotées démontrent l’ensemble du dispositif final et du matériel

nécessaire à la réalisation de l’expérience.

Photos annotées du dispositif de Laplace

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2. Force de Lorentz :

� Définition :

• Une particule chargée soumise à un champ magnétique subit une force électromagnétique appelée force de Lorentz. � Énoncé :

• Une charge « q » qui se déplace à une vitesse « v » dans un champ magnétique « B » subit une force magnétique appelée force de Lorentz, notée « F » et caractérisée par :

- Sa direction perpendiculaire au plan (q, v et B) - Son sens déterminé, là encore, par la règle des trois doigts de la main droite.

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- Son intensité.

dF = q * v * B ou : F = qv B│sin αααα│

avec : F en newton (N), q en Coulomb (C),v en mètre pas seconde (m/s), B en tesla (T) et la valeur « sinus alpha » qui n’intervient que lorsque l’angle est différent de 90°.

� Expérience de Lorentz :

• On observe que lorsque l’on crée un champ magnétique « B », les particules du laser sont déviées par ce champ. Plus on augmente la valeur de « B », plus le rayon est dévié.

• Ci-dessous, une photo démontre l’ensemble du dispositif final et du matériel nécessaire à

la réalisation de l’expérience.

Photo du dispositif de Lorentz

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3. Exemple du calcul de la poussée de l’intrépide : Pour mesurer la force de poussée de notre esquif l’Intrépide, nous nous sommes munis d’une balance, d’une masse d’une poulie et d’une corde. Nous avons en fait mesuré la différence entre la masse entièrement livrée à l’attraction terrestre, et lorsque son attraction effectué par la terre était compensée par la force de poussée de l’intrépide transmise par la corde et la poulie :

La force de poussée de l’intrépide s’oppose au poids exercé sur la masse. La masse indiquée par la balance correspond donc au poids de la masselotte auquel on soustrait la force de poussée. La relation liant poids et masse étant P = m.g ( P : poids en Newton, m : masse en Kg et g : constante de gravité terrestre = 9.81 ), on peut de cette manière déduire la force de poussée.

Force de poussée de l’intrépide :