Подобно тому, как велосипедный динамо-машина преобразует движение в электричество, движущиеся проводящие жидкости могут генерировать магнитные поля. Так называемое магнитное число Рейнольдса (произведение скорости потока жидкости, расширения и проводимости) в первую очередь определяет, действительно ли создается магнитное поле.
Во время захватывающего эксперимента ученые из команды Фрэнка Стефани из Института гидродинамики HZDR стремятся достичь критического значения, необходимого для возникновения динамо-эффекта. Для этого стальной цилиндр диаметром два метра, содержащий восемь тонн жидкого натрия, будет вращаться вокруг одной оси до десяти раз в секунду и один раз в секунду вокруг другой, которая наклонена относительно первой. Технический термин для этого механизма, который часто сравнивают с наклонным волчком, — прецессия.«Наш эксперимент на новом объекте DRESDYN предназначен для демонстрации того, что прецессии как естественного движителя потока достаточно для создания магнитного поля», — говорит Андре Гизеке, ведущий автор исследования.
В ходе моделирования и во время сопутствующих экспериментов с водой — макет был в шесть раз меньше большого динамо-машины — ученые исследовали структуру потока, вызванного прецессией.«К нашему удивлению, мы наблюдали симметричную двойную ролевую структуру в определенном диапазоне скорости прецессии, которая должна обеспечивать динамо-эффект при магнитном числе Рейнольдса 430», — говорит физик.Нерешенные: роль прецессии в геодинамоЦентр Земли состоит из твердого ядра, окруженного слоем расплавленного железа. «Расплавленный металл индуцирует электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле», — объясняет Гизеке.
Распространено мнение, что за это геодинамо отвечает конвекция, вызванная плавучестью, вместе с вращением Земли. Однако роль прецессии в формировании магнитного поля Земли до сих пор совершенно неясна.
Ось вращения Земли наклонена на 23,5 градуса от плоскости ее орбиты. Ось вращения меняет положение примерно за 26 000 лет. Это прецессирующее движение в пространстве считается одним из возможных источников энергии для геодинамо. Миллионы лет назад Луна также имела мощное магнитное поле, о чем свидетельствуют образцы горных пород из миссий Аполлон.
По мнению экспертов, основной причиной этого могла быть прецессия.Ожидается, что эксперименты с жидким натрием в HZDR начнутся в 2020 году. В отличие от предыдущих лабораторных экспериментов по геодинамо, внутри стального барабана не будет пропеллера, как это было в первом успешном эксперименте с динамо-машиной в Риге, Латвия, в 1999 году, в котором участвовали ученые HZDR. сильно вовлечен.
Этот и другие эксперименты в Карлсруэ, Германия, и Кадараше, Франция, предоставили новаторские исследования для лучшего понимания геодинамо.«В принципе, мы можем определить три различных параметра для экспериментов в DRESDYN: вращение, прецессию и угол между двумя осями», — говорит Гизеке. С одной стороны, он и его коллеги надеются получить ответы на фундаментальный вопрос о том, действительно ли прецессия создает магнитное поле в проводящей жидкости. С другой стороны, они заинтересованы в том, чтобы выяснить, какие компоненты потока ответственны за создание магнитного поля и точку, в которой происходит насыщение.
Двойная роль в контейнере«В ходе моделирования мы обнаружили, что стационарные инерционные волны возникают в широком диапазоне параметров. Однако в пределах определенного диапазона мы теперь заметили характерную двойную ролевую структуру, которая оказалась чрезвычайно эффективной для эффекта динамо. В принципе, мы уже осознают такую структуру скорости благодаря французскому эксперименту с динамо-машиной, в котором она была искусственно создана двумя пропеллерами, тогда как в нашем эксперименте с прецессией она должна возникать естественным образом ».
Исследователи HZDR использовали специальную ультразвуковую технологию для измерения структуры потока. «Мы были очень удивлены тем, насколько хорошо данные эксперимента совпадают с результатами моделирования. Таким образом, у нас есть чрезвычайно надежный прогноз для крупного эксперимента DRESDYN. Например, мы знаем, при каких скоростях вращения возникает эффект динамо и какое магнитное поле структур, которых мы можем ожидать », — говорит Гизеке.
Научное сообщество, связанное с динамо-машинами, с нетерпением ожидает результатов запланированного эксперимента, который во многих отношениях будет работать на пределе технической осуществимости. «Мы также ожидаем подробного понимания общей динамики потоков жидких металлов под действием магнитных полей. Это позволит нам сделать выводы о потоках в промышленном секторе», — сказал Гизеке.И, наконец, что не менее важно, томография магнитного потока, разработанная в HZDR как часть его динамо-исследований, представляет интерес для многих областей литья стали и выращивания кристаллов.
Работа частично профинансирована Альянсом Гельмгольца «Liquid Metal Technologies» (LIMTECH).