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Astronomie - Wie der Magnetismus ins Universum kommt

14.03.2018

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Das Dynamo-Experiment an der DRESDYN-Anlage wird sich an der Grenze des technisch Machbaren bewegen. Geplanter Start ist 2020.

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Strömungen flüssiger Metalle sind in der Lage, Magnetfelder zu generieren. Dieser sogenannte Dynamo-Effekt lässt kosmische Magnetfelder entstehen, wie sie bei Planeten, Monden oder auch Asteroiden vorkommen. Ein weltweit einmaliges Experiment, in dem eine Stahltrommel mit mehreren Tonnen flüssigem Natrium um zwei Achsen rotiert, soll diesen Effekt in den nächsten Jahren am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) im Labor belegen. Eine Studie, die vor kurzem in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“veröffentlicht wurde, bestätigt die Erfolgsaussichten für das Experiment. 

Ähnlich wie ein Fahrraddynamo Bewegung in Strom umwandelt, können bewegte leitfähige Flüssigkeiten Magnetfelder erzeugen. Ob dabei tatsächlich ein Magnetfeld generiert wird, darüber entscheidet vor allem die sogenannte magnetische Reynoldszahl (das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit sowie Ausdehnung und Leitfähigkeit der Flüssigkeit). Wissenschaftler im Team um Dr. Frank Stefani vom Institut für Fluiddynamik des HZDR wollen in einem spektakulären Experiment den kritischen Wert erreichen, der für das Auftreten des Dynamo-Effekts erforderlich ist. Hierfür werden sich acht Tonnen flüssiges Natrium in einem Stahlzylinder mit zwei Metern Durchmesser bis zu zehnmal pro Sekunde um eine Achse und einmal pro Sekunde um eine zweite, dazu geneigte Achse drehen. Der Fachbegriff für diese Bewegung, die häufig mit einem gekippten, sich drehenden Kinderkreisel verglichen wird, lautet Präzession. 

„Unser Experiment an der neuen DRESDYN-Anlage soll den Nachweis liefern, dass die Präzession als natürlicher Antrieb einer Strömung ausreicht, um ein Magnetfeld zu erzeugen“, sagt Dr. André Giesecke, Erstautor der Studie. In den von ihm erstellten Simulationen sowie in begleitenden Wasserexperimenten – die Modellanlage war im Vergleich zum großen Dynamo um den Faktor sechs kleiner – untersuchten die Wissenschaftler die Struktur der durch Präzession getriebenen Strömung. „Zu unserer Überraschung konnten wir in einem gewissen Bereich der Präzessionsrate eine symmetrische Doppelrolle beobachten, die schon bei einer magnetischen Reynoldszahl von 430 einen Dynamo liefern sollte“, so der Physiker.

Ungelöst: Die Rolle der Präzession für den Geodynamo

Eine symmetrische Doppelrolle soll im geplanten Dynamo-Experiment am HZDR die Entstehung eines Magnetfelds allein aus einer Strömung heraus ermöglichen.

Eine präzessionsgetriebene Strömung soll im geplanten Dynamo-Experiment am
HZDR die spontane Entstehung eines Magnetfelds  in einem Flüssigmetall ermöglichen.

Simulation: HZDR

Das Zentrum der Erde besteht aus einem festen Kern, der von einer Schicht aus flüssigem Eisen umgeben ist. „Das strömende Metall induziert einen elektrischen Strom, der wiederum das Magnetfeld hervorruft“, erklärt André Giesecke. Die gängige Meinung lautet, dass auftriebsgetriebene Konvektion, zusammen mit der Rotation der Erde, für diesen Geodynamo verantwortlich ist. Welche Rolle die Präzession für die Entstehung des Erdmagnetfeldes spielt, ist jedoch noch völlig ungeklärt. Die Rotationsachse der Erde ist um etwa 23 Grad gegenüber ihrer Bahnebene geneigt. Mit einer Periode von rund 26.000 Jahren ändert die Rotationsachse ihre Lage. Diese Taumelbewegung im All, die Präzession, wird als eine der möglichen Energiequellen für den Geodynamo diskutiert. Auch der Mond hatte vor vielen Millionen Jahren ein starkes Magnetfeld. Darauf weisen Gesteinsproben früherer Apollo-Missionen hin. Experten zufolge könnte die Präzession hierfür die hauptsächliche Ursache gewesen sein.

2020 sollen die Experimente mit flüssigem Natrium am HZDR starten. Im Unterschied zu früheren Laborexperimenten zum Geodynamo wird es im Inneren der Stahltrommel keinen Propeller geben, wie er noch im ersten erfolgreichen Dynamo-Experiment im Jahr 1999 in Riga verwendet wurde, an dem die Wissenschaftler des HZDR maßgeblich beteiligt waren. Dieses und weitere Experimente in Karlsruhe und Cadarache in Frankreich waren Pionierarbeiten auf dem Weg zum besseren Verständnis des Geodynamos.

„Prinzipiell können wir für die Experimente an DRESDYN drei unterschiedliche Parameter einstellen: Rotation, Präzession und den Winkel zwischen den beiden Achsen“, erläutert Giesecke. Er und seine Kollegen erwarten zum einen Antworten auf die fundamentale Frage, ob Präzession tatsächlich ein Magnetfeld in einem leitfähigen Fluid erzeugt. Zum anderen interessieren sie sich dafür, welche Komponenten der Strömung ursächlich für die Entstehung des Magnetfeldes sind oder wann die Sättigung eintritt.“

Doppelte Rollen im Behälter

„In  Simulationen hatten wir festgestellt, dass in weiten Parameterbereichen stehende Trägheitswellen auftreten. In einem bestimmten Bereich haben wir nun aber eine charakteristische Doppelrollenstruktur beobachtet, die sich für den Dynamoeffekt als extrem effizient erweist. Eine solche Geschwindigkeitsstruktur kennt man prinzipiell auch vom französischen Dynamo-Experiment, bei dem sie allerdings durch zwei Propeller künstlich erzeugt wird, während sie sich in unserem Präzessionsexperiment von selbst einstellt.“

Für die Vermessung der Strömungsstruktur verwendeten die HZDR-Forscher eine spezielle Ultraschall-Technik. „Wir waren sehr überrascht, wie gut die Daten aus Experiment und Simulation übereinstimmen. Damit haben wir eine sehr robuste Vorhersage für das große DRESDYN-Experiment. Wir wissen beispielsweise, bei welchen Rotationsraten der Dynamo-Effekt eintritt und welche Magnetfeld-Strukturen wir erwarten können“, sagt Giesecke.

Die Wissenschaftsgemeinde, die sich mit Dynamos beschäftigt, wartet jedenfalls schon gespannt auf die Ergebnisse des geplanten Experiments, welches sich in vielerlei Hinsicht am Rand des technisch Machbaren bewegt. „Wir versprechen uns aber auch detaillierte Einblicke in die generelle Dynamik von Flüssigmetall-Strömungen unter dem Einfluss von Magnetfeldern. Damit werden Rückschlüsse auf Strömungen im industriellen Bereich möglich sein“, so Giesecke. Nicht zuletzt ist die am HZDR im Rahmen der Dynamo-Forschung entwickelte magnetische Strömungstomographie für unterschiedlichste Bereiche im Stahlguss und der Kristallzüchtung interessant. Die Arbeiten wurden teilweise durch die Helmholtz-Allianz LIMTECH gefördert.

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The occurrence of magnetism in the Universe

Flows of molten metal can generate magnetic fields. This so-called dynamo effect creates cosmic magnetic fields, like those found on planets, moons and even asteroids. Over the coming years, a globally unique experiment, in which a steel drum containing several tons of liquid sodium rotates around two axes, is intended to demonstrate this effect. It will be carried out in the new DRESDYN facility at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). A recently published study in the scientific journal "Physical Review Letters"confirms the experiment's chances of success.

Similarly to how a bicycle dynamo converts motion into electricity, moving conductive fluids can generate magnetic fields. The so-called magnetic Reynolds number (the product of the fluid's flow velocity, expansion and conductivity) primarily determines whether a magnetic field is actually generated. During a spectacular experiment, scientists in Frank Stefani's team at the HZDR's Institute of Fluid Dynamics aim to achieve the critical value required for the occurrence of the dynamo effect. For this purpose, a two-meter diameter steel cylinder containing eight tons of liquid sodium will rotate around one axis up to ten times per second and once per second around another, which is tilted with respect to the first. The technical term for this movement, which is often compared to a tilted spinning top, is precession.

"Our experiment at the new DRESDYN facility is intended to demonstrate that precession, as a natural driver of flow, is sufficient to create a magnetic field," says André Giesecke, lead author of the study. In his simulations and during accompanying water experiments – the mock-up was six times smaller than the large dynamo – scientists examined the structure of precession-driven flow. "To our surprise, we observed a symmetrical double roll structure in a specific range of the precession rate, which should provide a dynamo effect at a magnetic Reynolds number of 430," says the physicist.

Unresolved: the role of precession in the geodynamo 

Eine symmetrische Doppelrolle soll im geplanten Dynamo-Experiment am HZDR die Entstehung eines Magnetfelds allein aus einer Strömung heraus ermöglichen.

A precession driven flow is supposed to power magnetic field self-excitation in a planned liquid metal dynamo experiment at HZDR. Simulation: HZDR

The center of the Earth consists of a solid core surrounded by a layer of molten iron. "The molten metal induces an electric current, which in turn generates a magnetic field," explains Giesecke. The common belief is that buoyancy-driven convection, together with Earth's rotation, is responsible for this geodynamo. However, the role played by precession in the formation of Earth's magnetic field is still completely unclear. The Earth's rotational axis is tilted by 23.5 degrees from its orbital plane. The rotational axis changes position over a period of approximately 26,000 years. This precessing motion through space is thought to be one of the possible sources of energy for the geodynamo. Millions of years ago, the Moon also had a powerful magnetic field, as indicated by rock samples from the Apollo missions. According to experts, precession could have been the main cause of this.

The liquid sodium experiments at HZDR are expected to start in 2020. Unlike earlier geodynamo laboratory experiments, there will be no propeller inside the steel drum, as was used in the first successful dynamo experiment in Riga, Latvia in 1999, in which HZDR scientists were heavily involved. This and other experiments in Karlsruhe, Germany and Cadarache, France provided ground-breaking research for a better understanding of the geodynamo.

"In principle, we can define three different parameters for the experiments at DRESDYN: rotation, precession and the angle between the two axes," says Giesecke. On the one hand, he and his colleagues expect to get answers to the fundamental question of whether precession actually produces a magnetic field in a conductive fluid. On the other hand, they are interested in finding out which flow components are responsible for the creation of the magnetic field, and the point at which saturation occurs.

Double roll in the container

"In simulations, we discovered that stationary inertia waves occur in a wide parameter range. Within a certain range, however, we have now noticed a characteristic double roll structure that proves to be extremely efficient for the dynamo effect. In principle, we are already aware of such a velocity structure thanks to the French dynamo experiment, in which it was artificially produced by two propellers, while in our precession experiment it should emerge naturally."

The HZDR researchers used special ultrasound technology to measure the flow structure. "We were very surprised at how well the data from the experiment matches the results of the simulation. We therefore have an extremely robust prediction for the major DRESDYN experiment. For example, we know at which rotational rates the dynamo effect occurs and which magnetic field structures we can expect," says Giesecke.

The scientific community involved with dynamos is eagerly awaiting the results of the planned experiment, which will operate at the limits of technical feasibility in many respects. "We also expect detailed insights into the general dynamics of liquid metal flows under the influence of magnetic fields. This will allow us to draw conclusions about flows in the industrial sector," according to Giesecke. And last but not least, the magnetic flow tomography developed at the HZDR as part of its dynamo research is of interest to many areas of steel casting and crystal growing. The work has been partially funded by the Helmholtz Alliance “Liquid Metal Technologies” (LIMTECH).

Quelle: Institute of Fluid Dynamics at HZDR

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