Sommige metalen zijn in vloeibare vorm, het belangrijkste voorbeeld is kwik. Maar er zijn ook enorme hoeveelheden vloeibaar metaal in de kern van de aarde, waar de temperatuur zo hoog is dat een deel van het ijzer gesmolten is en complexe stromen ondergaat. Een team van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft nu een soortgelijk proces in het laboratorium gesimuleerd en een verrassende ontdekking gedaan:onder bepaalde omstandigheden is de stroom van vloeibaar metaal veel turbulenter dan verwacht - en dit heeft een aanzienlijke impact op warmtetransport. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .

De temperaturen diep in de aarde zijn zo hoog dat een deel van de ijzeren kern vloeibaar is. Dit vloeibare ijzer is constant in beweging, continu aan het karnen en circuleren. Het werkt als een dynamo en zorgt ervoor dat het magnetische veld van onze planeet wordt opgewekt. Een drijvende kracht voor dit complexe stromingsgedrag van ijzer is de rotatie van de aarde, een andere is wat wordt aangeduid als 'convectie', aangedreven door temperatuurverschillen:vergelijkbaar met de manier waarop warme lucht boven een radiator stijgt, waar het koelere, relatief warme lucht verdringt. ijzer in de kern van de aarde stroomt naar koelere gebieden, wat resulteert in warmteoverdracht.

Er is echter nog weinig bekend over hoe deze processen in detail verlopen. Om ze beter te begrijpen, moeten experts vertrouwen op theoretische berekeningen en computersimulaties, evenals op experimenten die simuleren wat er gebeurt - althans tot op zekere hoogte - op laboratoriumschaal.

Een dergelijk experiment werd onlangs uitgevoerd bij het Institute of Fluid Dynamics van de HZDR. "We namen twee cilindrische vaten - een relatief kleine ter grootte van een emmer en de andere in de vorm van een ton met een inhoud van 60 liter", legt projectleider Dr. Tobias Vogt uit. "We hebben deze vaten gevuld met een metaallegering van indium, gallium en tin, die bij kamertemperatuur vloeibaar is." De experts verwarmden de bodem van de vaten terwijl ze de bovenkant koelden, waardoor een temperatuurverschil van wel 50 graden Celsius ontstond tussen de hogere en lagere lagen.

Echografie biedt een diepgaand beeld

Dit aanzienlijke temperatuurverschil zorgde ervoor dat het vloeibare metaal in de vaten kolkte:aangedreven door convectie, kwamen lokaal warmere stromingsgebieden zoals kolommen op en vermengden zich met de koelere delen - vergelijkbaar met een lavalamp. Omdat de metaallegering die door het team wordt gebruikt ondoorzichtig is, moesten ze hun toevlucht nemen tot een speciale analytische techniek:"Het is een ultrasone methode die in de geneeskunde wordt gebruikt", legt Dr. Sven Eckert, hoofd van de afdeling Magnetohydrodynamica bij de HZDR, uit. "We hebben ongeveer 20 ultrasone sensoren op de vaten gemonteerd, waardoor we kunnen detecteren hoe vloeibaar metaal erin stroomt."

Bij het analyseren van de data kwam de onderzoeksgroep tot een verrassende ontdekking. Tijdens de experimenten hadden de experts verwacht dat de clustering van individuele stroomgebieden een grotere, uitgebreidere structuur zou vormen, de zogenaamde grootschalige circulatie. "Dit is vergelijkbaar met een thermische wind, die de warmte zeer effectief tussen de boven- en onderkant kan transporteren", meldt Vogt. "We waren inderdaad in staat om deze thermische wind in het kleinere schip waar te nemen, maar met het grotere schip, het vat, leidden grote temperatuurverschillen tot een bijna volledige ineenstorting van de wind." Hierdoor werd de warmte niet zo goed getransporteerd als verwacht. "We denken dat de oorzaak hiervan de vorming van veel kleinere turbulentie is in plaats van een paar grote wervelingen, waardoor het warmtetransport minder effectief is", aldus Vogt.

Gevolgen voor batterijtechnologie

Deze nieuwe bevindingen kunnen implicaties hebben voor wat er in de kern van de aarde gebeurt:"Om te begrijpen wat er gebeurt, proberen experts de resultaten van laboratoriumexperimenten te extrapoleren naar de schaal van de aarde", legt Sven Eckert uit. "Maar we hebben nu aangetoond dat warmte onder bepaalde omstandigheden minder effectief wordt getransporteerd dan eerdere experimenten hadden gesuggereerd." Dit betekent dat voorspellingen voor de aarde waarschijnlijk ook andere waarden zullen opleveren. "De echte processen in de kern van de aarde zijn echter vele malen complexer dan in onze laboratoriumexperimenten", voegde Tobias Vogt eraan toe. "De stroom van vloeibaar ijzer wordt bijvoorbeeld ook beïnvloed door het magnetische veld en de rotatie van de aarde - uiteindelijk weten we heel weinig over deze stroomprocessen."

In feite kunnen de nieuwe bevindingen ook relevant zijn voor technologie, vooral in gebieden met vloeibare metalen. Vloeibare metalen worden bijvoorbeeld gebruikt in sommige soorten batterijen, maar ook voor toekomstige zonne-energiecentrales en koelfusiereactoren. Om warmtetransport in vloeibare metalen nog beter te kunnen bekijken, werkt het HZDR-team momenteel aan een geavanceerde analytische techniek. "Van speciale inductiesensoren wordt verwacht dat ze stromen nog gedetailleerder registreren dan voorheen en echte 3D-beelden produceren", merkte Sven Eckert op. "Onze eerste metingen zijn veelbelovend." + Verder verkennen

Aangetoond is dat de warmtestroom efficiënter is wanneer de temperatuur oscilleert dan wanneer deze statisch is