Feldlinien als Tasthaare

Magnetfelder eignen sich zur berührungslosen Durchflussmessung in flüssigen Metallen.

Zuverlässig und wartungsfrei surren Durchflussmesser in tausenden Benzin-Zapfsäulen und Millionen von Wasseruhren vor sich hin. In ihrem Inneren zeigen unscheinbare Flügelräder den genauen Verbrauch des kostbaren Nasses an. Gießereifachleute träumen - nicht erst seit explodierenden Rohstoffpreisen - von Durchflussmessern, die auch für Metallschmelzen einsetzbar sind. Doch gibt es kein Material, welches auf Dauer einer 1500 Grad heißen Stahlschmelze widerstehen kann. Wie die Zeitschrift Physical Review Letters in ihrer Ausgabe vom 28. April 2006 berichtet, ist es einem Wissenschaftlerteam an der Technischen Universität Ilmenau unter Leitung von Professor André Thess erstmalig gelungen, ein berührungsloses Flügelrad für die Durchflussmessung in Metallschmelzen zu entwickeln.

Das Ilmenauer Messverfahren geht auf eine Beobachtung des schwedischen Nobelpreisträgers Hannes Alfvén zurück. Der Physiker fand im Jahre 1942 heraus, dass sich eine Magnetfeldlinie geringfügig verbiegt, sobald sie die Strömung eines flüssigen Metalls kreuzt. Gleichzeitig übt die Feldlinie auf ihren Ursprungspunkt - zum Beispiel einen Permanentmagneten - eine winzig kleine Kraft aus. Die Feldlinie wirkt wie ein Tasthaar am Schnurrbart eines Katers. Den Ilmenauer Wissenschaftlern ist es nicht nur gelungen, diese Kraft zu messen, sondern mit ihr sogar ein Flügelrad anzutreiben. Dabei wirken die Feldlinien gewissermaßen als magnetische Windmühlenflügel. Die Wissenschaftler haben ein Rad mit leistungsfähigen Permanentmagneten versehen, deren Feldlinien eine strömende Legierung aus Gallium, Indium und Zinn durchkreuzen und dabei gleichsam mitgerissen werden. Das magnetische Flügelrad beginnt sich zu drehen, wobei seine Drehzahl linear mit der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Metalls anwächst. Die magnetischen Tasthaare besitzen gegenüber mechanischen Sensoren eine Reihe von Vorteilen. Sie halten beliebig hohen Temperaturen stand, verschleißen nicht und können zentimeterdicke Wände mühelos durchdringen. Das zum Patent angemeldete Ilmenauer Verfahren hat sich nicht nur im Labor bewährt, sondern bereits in einer Aluminium-Firma seine Feuertaufe bestanden. Künftige Experimente werden zeigen, ob das rotierende magnetische Flügelrad oder das ruhende magnetische Tasthaar für industrielle Anwendungen besser geeignet sind.

Der geschilderte Effekt ist nicht auf flüssige Metalle beschränkt. Er tritt bei beliebigen elektrisch leitfähigen Stoffen wie etwa Glasschmelzen, Salzwasser und Blut, aber auch bei Plasmen auf. Theoretisch könnte man ein magnetisches Flügelrad sogar mit dem Sonnenwind antreiben. Der Wirkungsgrad solcher Apparaturen wäre jedoch verschwindend klein.

Quelle: Technische Universität Ilmenau

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Thess, E. V. Votyakov und Y. Kolesnikov, Lorentz Force Velocimetry, Phys. Rev. Lett. 96, 164501 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.164501 
• Technische Universität Ilmenau:
  http://www.tu-ilmenau.de 
• DFG-Forschergruppe Magnetofluiddynamik:
  http://www4.tu-ilmenau.de/mfd/