Simulierte Magnetfelder

Wie genau die Magnet­felder von Erde, Sonne und Galaxien entstehen, ist bislang nicht geklärt. Sie basieren auf komplexen Strömungen von flüssigem Metall oder Plasma im Inneren der Himmels­objekte. Rainer Grauer und Sophia Kreu­zahler von der Ruhr-Univer­sität Bochum führten nun gemeinsam mit fran­zösischen Kollegen Computer­simulationen durch, die eine Erklärung für seit Jahren nicht verstandene Ergebnisse eines Experiments liefern, das die Prozesse des Erdmagnet­felds nachge­stellt hatte.

Der Dynamo-Effekt erzeugt das Magnet­feld der Erde: Im Inneren des Planeten bewegt sich flüssiges, elektrisch leit­fähiges Metall in komplexen Strömungs­mustern. Dadurch entstehen elektrische Ströme und somit auch Magnet­felder, die wiederum die Strömung der Flüssig­keit beein­flussen. Seit über zwanzig Jahren versuchen Forscher, den Dynamo-Effekt im Labor nachzuahmen. Dieser stellt sich jedoch nur ein, wenn die Strömung der Flüssig­keit und das Magnet­feld ausreichend turbulent sind, was wiederum ein Experiment mit großen räum­lichen Abmes­sungen und einem hin­reichend starken Antrieb erfordert.

Bisher gelang es nur in wenigen Experi­menten, einen Dynamo-Effekt nachzu­stellen, wobei das VKS-Experiment im fran­zösischen Cadarache im Jahr 2013 das bislang realitäts­nächste war. Die Wissen­schaftler kurbelten die Strömung von flüssigem Metall mit Antriebs­rädern an. Waren die Antriebs­räder aus Stahl, stellte sich allerdings kein Dynamo-Effekt ein. Dieser fand sich nur, wenn die Antriebs­räder aus Weich­eisen waren, das besondere magne­tische Eigenschaften hat. „Wie dieser Unter­schied zustande kommt, war lange unklar“, sagt Grauer. „Es gab unter­schiedliche Deutungen.“

Mit aufwendigen Computer­simulationen am Jülicher Super­rechner Jugene und am fran­zösischen Super­rechner Occigen stellte das Team die Bedin­gungen im Experiment mit korrekten Randbe­dingungen nach. Dabei berück­sichtigten sie etwa die genaue Geometrie der Antriebs­räder und des Gefäßes, in dem das Original­experiment stattgefunden hatte, und bildeten die magne­tischen Eigen­schaften realitäts­nah nach. Aus den Daten ent­wickelten die Forscher eine Theorie, wie die Weicheisen-Antriebsräder die Entstehung des Dynamo-Effekts bewirken. Die Magnetfeld­linien wickeln sich aufgrund der Material­eigenschaften um die Antriebs­räder auf, wobei die Forscher von einem ver­stärkten Omega-Effekt sprechen. Die spezielle Geometrie des Antriebs erzeugt zudem Wirbel­strukturen in der Flüssigkeit, die das Magnetfeld verstärken. Den gemein­samen resul­tierenden Effekt bezeichnen die Forscher als Alpha-Omega-Dynamo.

Anhand der Simulations­daten beschrieben die Wissen­schaftler auch die groß­skalige Struktur des Magnetfelds, das in dem VKS-Expe­riment erzeugt wurde. Frühere, stark verein­fachte Berechnungen waren davon ausgegangen, dass die Pole des Feldes in der Äquator­ebene des experi­mentellen Aufbaus liegen müssten. Die aktuellen Erkenntnisse ergeben jedoch in Über­einstimmung mit dem Experiment, dass es sich um ein axiales Magnet­feld handelte.

RUB / JOL