Wie der Magnetismus ins Universum kommt

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 sogenannte magnetische Reynoldszahl (das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit sowie Ausdehnung und Leitfähigkeit der Flüssigkeit).

Wissenschaftler im Team um Dr. 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. Der Fachbegriff für diese Bewegung, die häufig mit einem gekippten, sich drehenden Kinderkreisel verglichen wird, lautet Präzession.

„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 Dr. André Giesecke, Erstautor der Studie. 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.

Ungelöst: Die Rolle der Präzession für den Geodynamo

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 Erdmagnetfeldes 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 Magnetfeldes sind oder wann die Sättigung eintritt.

Doppelte Rollen im Behälter

„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. Die Arbeiten wurden teilweise durch die Helmholtz-Allianz LIMTECH gefördert.

Publikation: André Giesecke u. a.: „Nonlinear large scale flow in a precessing cylinder and its ability to drive dynamo action, in Physical Review Letters 120, 024502 (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.024502)

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• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen betreibt das HZDR große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
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