Forekomsten af ​​magnetisme i universet

Strømme af smeltet metal kan generere magnetfelter. Denne såkaldte dynamo-effekt skaber kosmiske magnetfelter, som dem, der findes på planeter, måner og endda asteroider. I de kommende år, forskere udfører et unikt eksperiment, hvor en ståltromle indeholdende flere tons flydende natrium roterer omkring to akser for at demonstrere denne effekt. Det vil blive udført i det nye DRESDYN-anlæg på Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), et uafhængigt tysk forskningslaboratorium. Et studie, for nylig udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , rapporterer eksperimentets chancer for succes.

På samme måde som en cykeldynamo, der konverterer bevægelse til elektricitet, bevægende ledende væsker kan generere magnetfelter. Det såkaldte magnetiske Reynolds-tal (produktet af væskens strømningshastighed, ekspansion og ledningsevne) afgør primært, om et magnetfelt rent faktisk genereres.

Under forsøget, forskere i Frank Stefanis team ved HZDR's Institute of Fluid Dynamics sigter mod at opnå den kritiske værdi, der kræves for dynamoeffekten. Til dette formål, en stålcylinder med en diameter på to meter indeholdende otte tons flydende natrium vil rotere omkring en akse op til 10 gange i sekundet og en gang i sekundet omkring en anden akse, der vippes i forhold til den første. Det tekniske udtryk for denne bevægelse, som ofte sammenlignes med en vippet snurretop, er presession.

"Vores eksperiment på den nye DRESDYN -facilitet er beregnet til at demonstrere, at precession, som en naturlig drivkraft for flow, er tilstrækkeligt til at skabe et magnetfelt, "siger André Giesecke, hovedforfatter af undersøgelsen. I hans simuleringer og under ledsagende vandforsøg ved hjælp af en mock-up seks gange mindre end den eksperimentelle opsætning, forskerne undersøgte strukturen af ​​en recession-drevet strømning.

"Til vores overraskelse, vi observerede en symmetrisk dobbeltrollestruktur i et specifikt område af recessionshastigheden, som skulle give en dynamo effekt ved et magnetisk Reynolds nummer på 430, "siger fysikeren.

Jordens centrum består af en fast kerne omgivet af et lag smeltet jern. "Det smeltede metal fremkalder en elektrisk strøm, som igen genererer et magnetfelt, "forklarer Giesecke. Den almindelige opfattelse er, at opdriftsdreven konvektion, sammen med Jordens rotation, er ansvarlig for denne geodynamo. Imidlertid, Prækessionens rolle i dannelsen af ​​Jordens magnetfelt er stadig helt uklar.

Jordens rotationsakse vippes 23,5 grader fra sit kredsløbsplan. Rotationsaksen ændrer position over en periode på cirka 26, 000 år. Denne forudgående bevægelse gennem rummet menes at være en af ​​de mulige energikilder for geodynamoen. Millioner af år siden, månen havde også et kraftigt magnetfelt, som angivet af stenprøver fra Apollo -missionerne. Ifølge eksperter, presession kunne have været hovedårsagen.

De flydende natriumforsøg på HZDR forventes at starte i 2020. I modsætning til tidligere geodynamo laboratorieforsøg, der vil ikke være en propel inde i ståltromlen, som blev brugt i det første vellykkede dynamo -eksperiment i Riga, Letland, i 1999, hvor HZDR -forskere deltog. Dette og andre eksperimenter i Karlsruhe, Tyskland og Cadarache, Frankrig, leveret banebrydende forskning for en bedre forståelse af geodynamoen.

"I princippet, vi kan definere tre forskellige parametre for eksperimenterne på DRESDYN:rotation, presession og vinklen mellem de to akser, "siger Giesecke. Han og hans kolleger forventer at få svar på det grundlæggende spørgsmål om, hvorvidt precession rent faktisk producerer et magnetfelt i en ledende væske. Derudover kan de er interesserede i at finde ud af, hvilke flowkomponenter der er ansvarlige for oprettelsen af ​​magnetfeltet, og det punkt, hvor mætning forekommer.

Dobbelt rolle i beholderen

"I simuleringer vi opdagede, at stationære inertibølger forekommer i et bredt parameterinterval. Inden for et bestemt område, imidlertid, vi har nu bemærket en karakteristisk dobbeltrollestruktur, der viser sig at være ekstremt effektiv for dynamo -effekten. I princippet, vi er allerede klar over en sådan hastighedsstruktur takket være det franske dynamo -eksperiment, hvor den blev kunstigt fremstillet af to propeller, mens det i vores presession -eksperiment skulle fremstå naturligt. "

HZDR -forskerne brugte speciel ultralydsteknologi til at måle strømningsstrukturen. "Vi var meget overraskede over, hvor godt dataene fra eksperimentet matcher resultaterne af simuleringen. Vi har derfor en ekstremt robust forudsigelse for det store DRESDYN -eksperiment. F.eks. vi ved, ved hvilke rotationshastigheder dynamoeffekten opstår, og hvilke magnetfeltstrukturer vi kan forvente, ”siger Giesecke.

Det videnskabelige samfund, der er involveret i dynamoer, venter spændt på resultaterne af det planlagte eksperiment, som vil fungere på grænserne for teknisk gennemførlighed i mange henseender. "Vi forventer også detaljeret indsigt i den generelle dynamik i flydende metalstrømme under påvirkning af magnetfelter. Dette vil give os mulighed for at drage konklusioner om strømninger i industrisektoren, "ifølge Giesecke.

Og sidst men ikke mindst, den magnetiske strømningstomografi udviklet ved HZDR som en del af dens dynamo -forskning er af interesse for mange områder af stålstøbning og krystalvækst.