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Dynamo-Effekt im Experiment verstehen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum
astronews.com
28. Dezember 2017
Wie entstehen die Magnetfelder in Sternen und Planeten?
Selbst für das Magnetfeld unseres Heimatplaneten ist diese Frage noch nicht
vollständig beantwortet. Neuartige Computersimulationen liefern nun aber
zumindest eine Erklärung für die Ergebnisse eines Experiments, das die Prozesse
nachgestellt hat, die zur Entstehung des Erdmagnetfelds führen.
Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor
hochenergetischen Partikeln aus dem All und sorgt
auch für spektakuläre Phänomene wie Polarlichter.
Foto: NASA [Großansicht] |
Der sogenannte 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 20 Jahren versuchen Forscher und Forscherinnen 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 sogenannte 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 Prof. Dr.
Rainer Grauer von der Ruhr-Universität Bochum. "Es gab unterschiedliche
Deutungen." Mit neuartigen und aufwendigen Computersimulationen am Jülicher
Superrechner Jugene und am französischen Superrechner Occigen stellte
das Team, zu dem auch Grauers Bochumer Kollegin Dr. Sophia Kreuzahler sowie
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Université de la Côte d’Azur
und der École Normale Supérieure de Lyon, gehören, 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 Forscherinnen und 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 – Alpha-Effekt genannt. Den
gemeinsamen resultierenden Effekt bezeichnen die Autoren 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.
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in
der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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