Flöden av smält metall kan generera magnetiska fält. Denna så kallade dynamoeffekt skapar kosmiska magnetfält, som de som finns på planeter, månar och till och med asteroider. Under de kommande åren, forskare genomför ett unikt experiment där en ståltrumma som innehåller flera ton flytande natrium roterar runt två axlar för att påvisa denna effekt. Det kommer att utföras i den nya DRESDYN-anläggningen vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ett oberoende tyskt forskningslaboratorium. En studie, nyligen publicerad i Fysiska granskningsbrev , rapporterar experimentets chanser att lyckas.

På samma sätt som en cykeldynamo omvandlar rörelse till elektricitet, rörliga ledande vätskor kan generera magnetiska fält. Det så kallade magnetiska Reynolds-talet (produkten av vätskans flödeshastighet, expansion och konduktivitet) avgör i första hand om ett magnetfält faktiskt genereras.

Under experimentet, forskare i Frank Stefanis team vid HZDR:s Institute of Fluid Dynamics strävar efter att uppnå det kritiska värdet som krävs för att dynamoeffekten ska uppstå. För det här syftet, en stålcylinder med två meter diameter som innehåller åtta ton flytande natrium kommer att rotera runt en axel upp till 10 gånger per sekund och en gång per sekund runt en annan axel som lutar i förhållande till den första. Den tekniska termen för denna rörelse, som ofta jämförs med en lutad snurra, är precession.

"Vårt experiment vid den nya DRESDYN-anläggningen är avsett att visa den precession, som en naturlig drivkraft för flöde, är tillräckligt för att skapa ett magnetfält, säger André Giesecke, huvudförfattare till studien. I sina simuleringar och under åtföljande vattenexperiment med en modell som är sex gånger mindre än den experimentella uppsättningen, forskarna undersökte strukturen för precessionsdrivet flöde.

"Till vår förvåning, vi observerade en symmetrisk dubbelrollstruktur i ett specifikt intervall av precessionshastigheten, som ska ge en dynamoeffekt vid ett magnetiskt Reynolds-tal på 430, säger fysikern.

Jordens centrum består av en fast kärna omgiven av ett lager av smält järn. "Den smälta metallen inducerar en elektrisk ström, som i sin tur genererar ett magnetfält, " förklarar Giesecke. Den vanliga uppfattningen är att flytkraftsdriven konvektion, tillsammans med jordens rotation, är ansvarig för denna geodynamo. Dock, vilken roll precession spelar i bildandet av jordens magnetfält är fortfarande helt oklart.

Jordens rotationsaxel lutar 23,5 grader från dess omloppsplan. Rotationsaxeln ändrar position under en period av cirka 26, 000 år. Denna pågående rörelse genom rymden tros vara en av de möjliga energikällorna för geodynamon. Miljontals år sedan, månen hade också ett kraftfullt magnetfält, som indikeras av stenprover från Apollo-uppdragen. Enligt experter, Precession kunde ha varit huvudorsaken.

Experimenten med flytande natrium vid HZDR förväntas starta 2020. Till skillnad från tidigare laboratorieexperiment med geodynamo, det kommer inte att finnas någon propeller inuti ståltrumman, som användes i det första framgångsrika dynamoexperimentet i Riga, Lettland, 1999, där HZDR-forskare deltog. Detta och andra experiment i Karlsruhe, Tyskland och Cadarache, Frankrike, gav banbrytande forskning för en bättre förståelse av geodynamo.

"I princip, vi kan definiera tre olika parametrar för experimenten vid DRESDYN:rotation, precession och vinkeln mellan de två axlarna, " säger Giesecke. Han och hans kollegor förväntar sig att få svar på den grundläggande frågan om precession faktiskt producerar ett magnetfält i en ledande vätska. Dessutom, de är intresserade av att ta reda på vilka flödeskomponenter som är ansvariga för skapandet av magnetfältet, och den punkt vid vilken mättnad inträffar.

Dubbel roll i containern

"I simuleringar, vi upptäckte att stationära tröghetsvågor förekommer inom ett brett parameterområde. Inom ett visst intervall, dock, vi har nu lagt märke till en karakteristisk dubbelrollstruktur som visar sig vara extremt effektiv för dynamoeffekten. I princip, vi är redan medvetna om en sådan hastighetsstruktur tack vare det franska dynamoexperimentet, där den tillverkades på konstgjord väg av två propellrar, medan det i vårt precessionsexperiment borde dyka upp naturligt."

HZDR-forskarna använde speciell ultraljudsteknik för att mäta flödesstrukturen. "Vi blev mycket förvånade över hur väl data från experimentet matchar resultaten av simuleringen. Vi har därför en extremt robust förutsägelse för det stora DRESDYN-experimentet. Till exempel, vi vet med vilka rotationshastigheter dynamoeffekten inträffar och vilka magnetfältsstrukturer vi kan förvänta oss, säger Giesecke.

Det vetenskapliga samfundet som är involverat i dynamos väntar ivrigt på resultatet av det planerade experimentet, som kommer att verka på gränsen för teknisk genomförbarhet i många avseenden. "Vi förväntar oss också detaljerade insikter om den allmänna dynamiken i flytande metallflöden under påverkan av magnetiska fält. Detta kommer att göra det möjligt för oss att dra slutsatser om flöden i industrisektorn, " enligt Giesecke.

Och sist men inte minst, den magnetiska flödestomografi som utvecklats vid HZDR som en del av dess dynamoforskning är av intresse för många områden inom stålgjutning och kristallodling.