Stromen van gesmolten metaal kunnen magnetische velden opwekken. Dit zogenaamde dynamo-effect creëert kosmische magnetische velden, zoals die gevonden worden op planeten, manen en zelfs asteroïden. In de komende jaren, onderzoekers doen een uniek experiment waarbij een stalen vat met enkele tonnen vloeibaar natrium om twee assen draait om dit effect aan te tonen. Het zal worden uitgevoerd in de nieuwe DRESDYN-faciliteit in het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), een onafhankelijk Duits onderzoekslaboratorium. Een onderzoek, onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , meldt de slaagkans van het experiment.

Net als een fietsdynamo die beweging omzet in elektriciteit, bewegende geleidende vloeistoffen kunnen magnetische velden opwekken. Het zogenaamde magnetische Reynoldsgetal (het product van de stroomsnelheid van de vloeistof, uitzetting en geleidbaarheid) bepaalt primair of er daadwerkelijk een magnetisch veld wordt opgewekt.

Tijdens het experiment, wetenschappers in het team van Frank Stefani van het HZDR Institute of Fluid Dynamics streven naar het bereiken van de kritische waarde die nodig is voor het optreden van het dynamo-effect. Voor dit doeleinde, een stalen cilinder met een diameter van twee meter die acht ton vloeibaar natrium bevat, zal tot 10 keer per seconde rond één as draaien en één keer per seconde rond een andere as die schuin staat ten opzichte van de eerste. De technische term voor deze beweging, die vaak wordt vergeleken met een gekantelde tol, is precessie.

"Ons experiment in de nieuwe DRESDYN-faciliteit is bedoeld om aan te tonen dat precessie, als natuurlijke aanjager van stroming, voldoende is om een ​​magnetisch veld te creëren, " zegt André Giesecke, hoofdauteur van de studie. In zijn simulaties en tijdens begeleidende waterexperimenten met een mock-up die zes keer kleiner is dan de experimentele opstelling, de wetenschappers onderzochten de structuur van precessiegedreven stroming.

"Tot onze verbazing we observeerden een symmetrische dubbele rolstructuur in een specifiek bereik van de precessiesnelheid, die een dynamo-effect zou moeten geven bij een magnetisch Reynoldsgetal van 430, ' zegt de fysicus.

Het centrum van de aarde bestaat uit een vaste kern omgeven door een laag gesmolten ijzer. "Het gesmolten metaal wekt een elektrische stroom op, die op zijn beurt een magnetisch veld opwekt, " legt Giesecke uit. De algemene overtuiging is dat door drijfvermogen aangedreven convectie, samen met de rotatie van de aarde, is verantwoordelijk voor deze geodynamo. Echter, de rol van precessie bij de vorming van het aardmagnetisch veld is nog volkomen onduidelijk.

De rotatie-as van de aarde is 23,5 graden gekanteld ten opzichte van zijn baanvlak. De rotatie-as verandert van positie over een periode van ongeveer 26, 000 jaar. Deze voorafgaande beweging door de ruimte wordt beschouwd als een van de mogelijke energiebronnen voor de geodynamo. Miljoenen jaren geleden, de maan had ook een krachtig magnetisch veld, zoals aangegeven door rotsmonsters van de Apollo-missies. Volgens experts, precessie zou de belangrijkste oorzaak kunnen zijn.

De vloeibare natriumexperimenten bij HZDR zullen naar verwachting in 2020 van start gaan. In tegenstelling tot eerdere geodynamo-laboratoriumexperimenten, er zal geen propeller in de stalen trommel zijn, zoals gebruikt in het eerste succesvolle dynamo-experiment in Riga, Letland, in 1999, waaraan HZDR-wetenschappers deelnamen. Deze en andere experimenten in Karlsruhe, Duitsland en Cadarache, Frankrijk, leverde baanbrekend onderzoek voor een beter begrip van de geodynamo.

"In principe, we kunnen drie verschillende parameters definiëren voor de experimenten bij DRESDYN:rotatie, precessie en de hoek tussen de twee assen, ", zegt Giesecke. Hij en zijn collega's verwachten antwoorden te krijgen op de fundamentele vraag of precessie daadwerkelijk een magnetisch veld produceert in een geleidende vloeistof. Bovendien, ze willen weten welke stroomcomponenten verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van het magnetische veld, en het punt waarop verzadiging optreedt.

Dubbele rol in de container

"Bij simulaties we ontdekten dat stationaire traagheidsgolven voorkomen in een breed parameterbereik. Binnen een bepaald bereik, echter, we hebben nu een kenmerkende dubbele rolstructuur opgemerkt die uiterst efficiënt blijkt te zijn voor het dynamo-effect. In principe, we zijn ons al bewust van een dergelijke snelheidsstructuur dankzij het Franse dynamo-experiment, waarin het kunstmatig werd geproduceerd door twee propellers, terwijl het in ons precessie-experiment op natuurlijke wijze zou moeten ontstaan."

De HZDR-onderzoekers gebruikten speciale ultrasone technologie om de stroomstructuur te meten. "We waren erg verrast over hoe goed de gegevens van het experiment overeenkomen met de resultaten van de simulatie. We hebben daarom een ​​extreem robuuste voorspelling voor het grote DRESDYN-experiment. we weten bij welke rotatiesnelheden het dynamo-effect optreedt en welke magnetische veldstructuren we kunnen verwachten, ’ zegt Giesecke.

De wetenschappelijke gemeenschap die betrokken is bij dynamo's wacht met spanning op de resultaten van het geplande experiment, die in veel opzichten op de grenzen van de technische haalbaarheid zal werken. "We verwachten ook gedetailleerde inzichten in de algemene dynamiek van vloeibare metaalstromen onder invloed van magnetische velden. Hiermee kunnen we conclusies trekken over stromen in de industriële sector, ", aldus Giesecke.

Tenslotte, de magnetische stromingstomografie die bij de HZDR is ontwikkeld als onderdeel van zijn dynamo-onderzoek is van belang voor veel gebieden van staalgieten en kristalgroei.