Vissa metaller är i flytande form, det främsta exemplet är kvicksilver. Men det finns också enorma mängder flytande metall i jordens kärna, där temperaturen är så hög att en del av järnet smälts och genomgår komplexa flöden. Ett team vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu simulerat en liknande process i laboratoriet och gjort en överraskande upptäckt:Under vissa omständigheter är flödet av flytande metall mycket mer turbulent än förväntat – och detta har en betydande inverkan på värmetransport. Forskningen publiceras i Physical Review Letters .

Temperaturerna djupt inne i jorden är så höga att en del av dess järnkärna är flytande. Detta flytande järn är i konstant rörelse, kärnar och cirkulerar kontinuerligt. Den fungerar som en dynamo, vilket gör att vår planets magnetfält genereras. En drivkraft för detta komplexa flödesbeteende hos järn är jordens rotation, en annan är vad som kallas "konvektion", driven av temperaturskillnader:På samma sätt som varm luft stiger över en radiator, där den tränger undan kallare luft, relativt varm. järn i jordens kärna strömmar till kallare områden, vilket resulterar i värmeöverföring.

Än så länge är dock lite känt om hur dessa processer går till i detalj. För att bättre förstå dem måste experter förlita sig på teoretiska beräkningar och datorsimuleringar, såväl som experiment som simulerar vad som händer – åtminstone till viss del – i laboratorieskala.

Ett sådant experiment genomfördes nyligen vid HZDR:s Institute of Fluid Dynamics. "Vi tog två cylindriska kärl - ett relativt litet som är ungefär lika stort som en hink och det andra format som en tunna med en volym på 60 liter", förklarade projektledaren Dr. Tobias Vogt. "Vi fyllde dessa kärl med en metallegering av indium, gallium och tenn, som är flytande vid rumstemperatur." Experterna värmde upp kärlens botten samtidigt som de kyldes av toppen, vilket skapade en temperaturskillnad på upp till 50 grader Celsius mellan de högre och lägre skikten.

Ultraljud ger en fördjupad bild

Denna betydande temperaturskillnad fick den flytande metallen inuti kärlen att cirkulera:Drivna av konvektion steg lokalt varmare flödesområden som pelare och blandades med de kallare delarna - liknande en lavalampa. Eftersom metallegeringen som används av teamet är ogenomskinlig, var de dock tvungna att ta till en speciell analysteknik:"Det är en ultraljudsmetod som används inom medicin", förklarade Dr Sven Eckert, avdelningschef för Magnetohydrodynamics vid HZDR. "Vi monterade ett 20-tal ultraljudssensorer på kärlen, vilket gjorde det möjligt för oss att upptäcka hur flytande metall flödar inuti dem."

Vid analys av data gjorde forskargruppen en överraskande upptäckt. Under experimenten hade experterna förväntat sig att hitta grupperingen av enskilda flödesområden för att bilda en större och mer omfattande struktur, känd som storskalig cirkulation. "Detta är jämförbart med en termisk vind, som kan transportera värme mycket effektivt mellan toppen och botten", rapporterade Vogt. "Vi kunde verkligen observera denna termiska vind i det mindre fartyget - men med det större fartyget, pipan, ledde stora temperaturskillnader till ett nästan fullständigt sammanbrott av vinden." Detta gjorde att värme inte transporterades så effektivt som man hade förväntat sig. "Vi tror att orsaken till detta är bildandet av mycket mindre turbulens snarare än några få stora virvlar, vilket gör värmetransporten mindre effektiv", säger Vogt.

Konsekvenser för batteriteknik

Dessa nya rön kan få konsekvenser för vad som händer i jordens kärna:"För att förstå vad som händer försöker experter extrapolera resultaten av laboratorieexperiment till jordens skala", förklarade Sven Eckert. "Men vi har nu visat att värme transporteras mindre effektivt under vissa förhållanden än vad tidigare experiment hade föreslagit." Detta betyder att förutsägelser för jorden sannolikt också kommer att ge olika värden. "Men de verkliga processerna i jordens kärna är många gånger mer komplexa än i våra laboratorieexperiment," tillade Tobias Vogt. "Till exempel påverkas flödet av flytande järn också av jordens magnetfält och rotation - i slutändan vet vi väldigt lite om dessa flödesprocesser."

Faktum är att de nya rönen också kan visa sig vara relevanta för teknik, särskilt inom områden som involverar flytande metaller. Till exempel används flytande metaller i vissa typer av batterier samt för framtida solkraftverk och svala fusionsreaktorer. För att kunna ta en ännu närmare titt på värmetransport i flytande metaller arbetar HZDR-teamet just nu med en avancerad analysteknik. "Speciala induktionssensorer förväntas registrera flöden i ännu större detalj än tidigare och producera äkta 3D-bilder", påpekade Sven Eckert. "Våra första mätningar är mycket lovande." + Utforska vidare

Värmeflödet har visat sig vara mer effektivt när temperaturen oscillerar än när det är statiskt