Den massiva, kärna av ledande vätskor i stjärnor och vissa planeter skapar en dynamo som genererar planetkroppens magnetfält. Forskare syftar till att bättre förstå dessa dynamos genom datasimuleringar och genom att återskapa dem i laboratoriet med hjälp av kapslar med snabbt snurrande, flytande natrium.

En ny simulering baserad på von-Kármán-Sodium (VKS) dynamo-experiment, drivs gemensamt av den franska atomenergikommissionen (CEA), National Center for Scientific Research (CNRS) och École Normale Supérieure (ENS) från Paris och Lyon, tittar närmare på hur den flytande virvel som skapas av enheten genererar ett magnetfält. Forskare undersökte effekterna av vätskeresistivitet och turbulens på kollimeringen av magnetfältet, där virveln blir en fokuserad ström. De rapporterar sina fynd i veckan i tidningen Plasmas fysik , från AIP Publishing.

Studien är den första som undersöker flödet inuti vassbladen med hög upplösning, och kan erbjuda sätt att förbättra laboratoriedynamos så att de mer exakt återskapar stjärn astronomiska observationer.

"Vi hoppas att, i framtiden, vi kan ge en bättre beskrivning av flödena, "sa huvudförfattaren Jacobo Varela, nu en postdoktor vid Oak Ridge National Laboratory. "Med denna metod, vi kan börja förstå dynamoen som observeras i stjärnorna."

Dynamos förvandlar kinetisk energi till magnetisk energi genom att omvandla rotationen av en elektriskt ledande vätska eller plasma till ett magnetfält. I VKS dynamo, två pumphjulsblad på vardera sidan av en cylinder fylld med flytande natrium skapar turbulens, som kan generera magnetfältet.

Mekanismerna som skapar det fältet, dock, är dåligt förstådda. Andra forskare har utfört globala simuleringar av natriumdynamos, men modellerna gav lågupplösta resultat. Denna forskning modellerar det virvelformade flödet inom ett litet område bredvid ett pumphjul inuti VKS dynamo.

"De spiralformade flödena mellan impellerbladen kollimerar flödet som stärker magnetfältet och genererar det fält som observeras i enheten, sa Varela.

Forskarna förenklade enhetens geometri och byggde fokuserade magnetohydrodynamiska simuleringar för att förstå hur flödet turbulens och enhetens materialegenskaper påverkar magnetfältets kollimering.

"Vi upptäckte att när du använder magnetiserade ferromagnetiska material, det finns en effektiv ökning av magnetfältkollimationen, vilket resulterar i en lägre dynamotröskel, och detta är vad de observerade i experimentet, Sa Varela.

I kontrast, använda ledande material i simuleringen försvagade fältkollimationen. Detta fynd kan förklara varför forskare lättare kan utlösa dynamoåtgärder i VKS -experiment när man använder mjukt järnhjul.

Forskarna analyserade också sina resultat inom ramen för medelfältets dynamo-teori, som försöker förklara hur stjärnor och planeter upprätthåller sina magnetfält. När turbulensen ökade i simuleringen, magnetfältet skiftade från ett stadigt 1-till-1 med periodiska svängningar, som de som observerats i vissa stjärnor. solens magnetfält, till exempel, byter polaritet ungefär vart elfte år, som är en produkt av dess turbulens och hastigheten på dess rotation.

Varela och hans kollegor på CNRS fortsätter att utveckla modellen för att återspegla den faktiska enhetens geometri. De planerar att undersöka ytterligare parametrar, såsom bladformen och magnetfältets bakgrund, så att de närmare kan simulera enhetens prestanda och testa sätt att optimera maskinen.

"Simuleringen vi utför är bara det allra första steget, men med den modell vi har nu, vi kan fånga mycket av fysiken de observerar i VKS dynamo -experimentet, Varela sa. "Våra observationer och data från maskinen kommer att ge oss mycket mer bevis på dynamoslingan i stjärnor och andra astronomiska objekt."