Flussi di metallo fuso possono generare campi magnetici. Questo cosiddetto effetto dinamo crea campi magnetici cosmici, come quelli che si trovano sui pianeti, lune e persino asteroidi. Negli anni a venire, i ricercatori stanno conducendo un esperimento unico in cui un tamburo d'acciaio contenente diverse tonnellate di sodio liquido ruota attorno a due assi per dimostrare questo effetto. Si svolgerà nella nuova struttura DRESDYN presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un laboratorio di ricerca tedesco indipendente. uno studio, recentemente pubblicato in Lettere di revisione fisica , riporta le possibilità di successo dell'esperimento.

Analogamente a una dinamo da bicicletta che converte il movimento in elettricità, fluidi conduttivi in ​​movimento possono generare campi magnetici. Il cosiddetto numero di Reynolds magnetico (il prodotto della velocità di flusso del fluido, espansione e conducibilità) determina principalmente se viene effettivamente generato un campo magnetico.

Durante l'esperimento, gli scienziati del team di Frank Stefani presso l'Istituto di fluidodinamica dell'HZDR mirano a raggiungere il valore critico richiesto per il verificarsi dell'effetto dinamo. Per questo scopo, un cilindro di acciaio di due metri di diametro contenente otto tonnellate di sodio liquido ruoterà attorno a un asse fino a 10 volte al secondo e una volta al secondo attorno a un altro asse inclinato rispetto al primo. Il termine tecnico per questo movimento, che viene spesso paragonato ad una trottola inclinata, è precessione.

"Il nostro esperimento nella nuova struttura di DRESDYN ha lo scopo di dimostrare che la precessione, come un motore naturale del flusso, è sufficiente per creare un campo magnetico, "dice André Giesecke, autore principale dello studio. Nelle sue simulazioni e durante gli esperimenti sull'acqua di accompagnamento utilizzando un modello sei volte più piccolo della configurazione sperimentale, gli scienziati hanno esaminato la struttura del flusso guidato dalla precessione.

"Con nostra sorpresa, abbiamo osservato una struttura simmetrica a doppio ruolo in un intervallo specifico del tasso di precessione, che dovrebbe fornire un effetto dinamo a un numero di Reynolds magnetico di 430, "dice il fisico.

Il centro della Terra è costituito da un nucleo solido circondato da uno strato di ferro fuso. "Il metallo fuso induce una corrente elettrica, che a sua volta genera un campo magnetico, " spiega Giesecke. La credenza comune è che la convezione guidata dal galleggiamento, insieme alla rotazione terrestre, è responsabile di questa geodinamo. Però, il ruolo svolto dalla precessione nella formazione del campo magnetico terrestre è ancora del tutto poco chiaro.

L'asse di rotazione della Terra è inclinato di 23,5 gradi rispetto al suo piano orbitale. L'asse di rotazione cambia posizione in un periodo di circa 26, 000 anni. Si pensa che questo moto di precessione attraverso lo spazio sia una delle possibili fonti di energia per la geodinamo. Milioni di anni fa, la luna aveva anche un potente campo magnetico, come indicato dai campioni di roccia delle missioni Apollo. Secondo gli esperti, la precessione potrebbe essere stata la causa principale.

Gli esperimenti sul sodio liquido all'HZDR dovrebbero iniziare nel 2020. A differenza dei precedenti esperimenti di laboratorio con la geodinamo, non ci sarà elica all'interno del tamburo d'acciaio, come è stato utilizzato nel primo esperimento di dinamo di successo a Riga, Lettonia, nel 1999, a cui hanno partecipato scienziati dell'HZDR. Questo e altri esperimenti a Karlsruhe, Germania e Cadarache, Francia, ha fornito una ricerca pionieristica per una migliore comprensione della geodinamo.

"In linea di principio, possiamo definire tre diversi parametri per gli esperimenti a DRESDYN:rotazione, precessione e l'angolo tra i due assi, " dice Giesecke. Lui e i suoi colleghi si aspettano di ottenere risposte alla domanda fondamentale se la precessione produce effettivamente un campo magnetico in un fluido conduttivo. Inoltre, sono interessati a scoprire quali componenti del flusso sono responsabili della creazione del campo magnetico, e il punto in cui si verifica la saturazione.

Doppio ruolo nel contenitore

"Nelle simulazioni, abbiamo scoperto che le onde di inerzia stazionarie si verificano in un ampio intervallo di parametri. Entro un certo intervallo, però, abbiamo ora notato una caratteristica struttura a doppio ruolo che si rivela estremamente efficiente per l'effetto dinamo. In linea di principio, siamo già a conoscenza di tale struttura di velocità grazie all'esperimento della dinamo francese, in cui è stato prodotto artificialmente da due eliche, mentre nel nostro esperimento di precessione dovrebbe emergere naturalmente."

I ricercatori dell'HZDR hanno utilizzato una speciale tecnologia a ultrasuoni per misurare la struttura del flusso. "Siamo rimasti molto sorpresi dal modo in cui i dati dell'esperimento corrispondono ai risultati della simulazione. Abbiamo quindi una previsione estremamente solida per il principale esperimento DRESDYN. Ad esempio, sappiamo a quali velocità di rotazione si verifica l'effetto dinamo e quali strutture del campo magnetico possiamo aspettarci, "dice Giesecke.

La comunità scientifica coinvolta nelle dinamo attende con impazienza i risultati dell'esperimento pianificato, che opererà sotto molti aspetti ai limiti della fattibilità tecnica. "Ci aspettiamo anche approfondimenti dettagliati sulla dinamica generale dei flussi di metalli liquidi sotto l'influenza dei campi magnetici. Ciò ci consentirà di trarre conclusioni sui flussi nel settore industriale, "Secondo Giesecke.

Ultimo ma non meno importante, la tomografia a flusso magnetico sviluppata presso l'HZDR come parte della sua ricerca sulla dinamo è di interesse per molte aree della fusione dell'acciaio e della crescita dei cristalli.