Erdkern in der Trommel

Strömungen flüssiger Metalle sind in der Lage, Magnetfelder zu generieren. Dieser 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.

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 magnetische Reynolds­zahl (das Produkt aus Strömungs­geschwindigkeit sowie Ausdehnung und Leit­fähigkeit der Flüssigkeit). Wissenschaftler im Team um 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, also präzedieren.

„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 André Giesecke. 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.

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 Erdmagnet­felds 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 Magnet­felds sind oder wann die Sättigung eintritt.

„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.

HZDR / DE