de massale, kolkende kern van geleidende vloeistoffen in sterren en sommige planeten creëert een dynamo die het magnetische veld van het planetaire lichaam genereert. Onderzoekers streven ernaar deze dynamo's beter te begrijpen door middel van computersimulaties en door ze in het laboratorium na te bootsen met bussen met snel ronddraaiende, vloeibaar natrium.

Een nieuwe simulatie gebaseerd op het von-Kármán-Sodium (VKS) dynamo-experiment, gezamenlijk beheerd door de Franse Commissie voor Atoomenergie (CEA), het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en de École Normale Supérieure (ENS) uit Parijs en Lyon, gaat nader in op hoe de vloeibare vortex die door het apparaat wordt gecreëerd, een magnetisch veld opwekt. Onderzoekers onderzochten de effecten van vloeistofweerstand en turbulentie op de collimatie van het magnetische veld, waar de vortex een gerichte stroom wordt. Ze rapporteren hun bevindingen deze week in het tijdschrift Fysica van plasma's , van AIP Publishing.

De studie is de eerste die de stroming in de karnbladen met hoge resolutie onderzoekt, en kan manieren bieden om laboratoriumdynamo's te verbeteren, zodat ze astronomische waarnemingen nauwkeuriger kunnen nabootsen.

"We hopen dat, in de toekomst, we een betere beschrijving van de stromen kunnen geven, " zei hoofdauteur Jacobo Varela, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Oak Ridge National Laboratory. "Door deze aanpak te gebruiken, we kunnen beginnen de dynamo te begrijpen die in de sterren wordt waargenomen."

Dynamo's zetten kinetische energie om in magnetische energie door de rotatie van een elektrisch geleidende vloeistof of plasma om te zetten in een magnetisch veld. In de VKS-dynamo, twee waaierbladen aan weerszijden van een cilinder gevuld met vloeibaar natrium zorgen voor turbulentie, die het magnetische veld kan opwekken.

De mechanismen die dat veld creëren, echter, worden slecht begrepen. Andere onderzoekers hebben wereldwijde simulaties van natriumdynamo's uitgevoerd, maar de modellen leverden resultaten met een lage resolutie op. Dit onderzoek modelleert de vortexvormige stroming in een klein gebied naast een waaier in de VKS-dynamo.

"De spiraalvormige stromingen tussen de waaierbladen collimeren de stroming die het magnetische veld versterkt en het veld genereert dat in het apparaat wordt waargenomen, ' zei Varela.

De onderzoekers vereenvoudigden de geometrie van het apparaat en bouwden gerichte magnetohydrodynamische simulaties om te begrijpen hoe de stromingsturbulentie en de materiaalkenmerken van het apparaat de magnetische veldcollimatie beïnvloeden.

"We ontdekten dat wanneer je gemagnetiseerde ferromagnetische materialen gebruikt, er is een effectieve toename van de magnetische veldcollimatie, resulterend in een lagere dynamodrempel, en dit is wat ze in het experiment hebben waargenomen, ' zei Varela.

In tegenstelling tot, het gebruik van geleidende materialen in de simulatie verzwakte veldcollimatie. Deze bevinding kan verklaren waarom onderzoekers de dynamo-actie in VKS-experimenten gemakkelijker kunnen activeren bij gebruik van weekijzeren waaiers.

De onderzoekers analyseerden hun resultaten ook in de context van de mean-field dynamo-theorie, die probeert uit te leggen hoe sterren en planeten hun magnetische velden in stand houden. Naarmate de turbulentie in de simulatie toenam, het magnetische veld verschoof van een stabiele 1-naar-1 met periodieke oscillaties, zoals die waargenomen in bepaalde sterren. Het magnetische veld van de zon, bijvoorbeeld, wisselt ongeveer elke 11 jaar van polariteit, wat een product is van zijn turbulentie en de snelheid van zijn rotatie.

Varela en zijn collega's bij CNRS blijven het model ontwikkelen om de werkelijke geometrie van het apparaat weer te geven. Ze zijn van plan om aanvullende parameters te onderzoeken, zoals de bladvorm en de magnetische veldachtergrond, zodat ze de apparaatprestaties nauwkeuriger kunnen simuleren en manieren kunnen testen om de machine te optimaliseren.

"De simulatie die we uitvoeren is slechts de allereerste stap, maar met het model dat we nu hebben, we kunnen veel van de fysica vangen die ze waarnemen in het VKS-dynamo-experiment, Varela zei. "Onze waarnemingen en gegevens van de machine zullen ons veel meer bewijs geven van de dynamolus in sterren en andere astronomische objecten."