Alcuni metalli sono in forma liquida, il primo esempio è il mercurio. Ma ci sono anche enormi quantità di metallo liquido nel nucleo terrestre, dove le temperature sono così elevate che parte del ferro si fonde e subisce flussi complessi. Un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora simulato un processo simile in laboratorio e ha fatto una scoperta sorprendente:in determinate circostanze, il flusso di metallo liquido è molto più turbolento del previsto e questo ha un impatto significativo sul trasporto di calore. La ricerca è pubblicata in Physical Review Letters .

Le temperature nelle profondità della Terra sono così elevate che parte del suo nucleo di ferro è liquido. Questo ferro liquido è in costante movimento, continuamente agitando e circolando. Agisce come una dinamo, provocando la generazione del campo magnetico del nostro pianeta. Una forza trainante per questo complesso comportamento del flusso di ferro è la rotazione terrestre, un'altra è quella che viene definita "convezione", guidata dalle differenze di temperatura:simile al modo in cui l'aria calda sale sopra un radiatore, dove sposta l'aria più fredda, relativamente calda il ferro nel nucleo terrestre scorre nelle aree più fredde, determinando un trasferimento di calore.

Al momento, tuttavia, si sa poco su come avvengano in dettaglio questi processi. Per comprenderli meglio, gli esperti devono fare affidamento su calcoli teorici e simulazioni al computer, nonché su esperimenti che simulano ciò che sta accadendo, almeno in una certa misura, su scala di laboratorio.

Uno di questi esperimenti è stato condotto di recente presso l'Istituto di dinamica dei fluidi dell'HZDR. "Abbiamo preso due recipienti cilindrici, uno relativamente piccolo delle dimensioni di un secchio e l'altro a forma di barile con un volume di 60 litri", ha spiegato il capo progetto, il dott. Tobias Vogt. "Abbiamo riempito questi vasi con una lega metallica di indio, gallio e stagno, che è liquida a temperatura ambiente". Gli esperti hanno riscaldato il fondo dei vasi raffreddando la parte superiore, creando una differenza di temperatura fino a 50 gradi Celsius tra lo strato superiore e quello inferiore.

L'ecografia fornisce una visione approfondita

Questa sostanziale differenza di temperatura faceva agitare il metallo liquido all'interno dei vasi:spinti dalla convezione, le aree di flusso localmente più calde come le colonne si alzavano e si mescolavano con le parti più fredde, simili a una lampada di lava. Poiché la lega metallica utilizzata dal team è opaca, tuttavia, hanno dovuto ricorrere a una tecnica analitica speciale:"È un metodo ad ultrasuoni utilizzato in medicina", ha spiegato il dott. Sven Eckert, capo del dipartimento di magnetoidrodinamica dell'HZDR. "Abbiamo montato circa 20 sensori a ultrasuoni sui vasi, consentendoci di rilevare come scorre il metallo liquido al loro interno."

Analizzando i dati, il gruppo di ricerca ha fatto una scoperta sorprendente. Durante gli esperimenti, gli esperti si aspettavano di trovare il raggruppamento di singole aree di flusso per formare una struttura più ampia e più ampia, nota come circolazione su larga scala. "Questo è paragonabile a un vento termico, che è in grado di trasportare il calore in modo molto efficace tra la parte superiore e quella inferiore", ha riferito Vogt. "Siamo stati davvero in grado di osservare questo vento termico nella nave più piccola, ma con la nave più grande, il barile, grandi differenze di temperatura hanno portato a una rottura quasi completa del vento". Ciò significava che il calore non veniva trasportato in modo efficace come ci si sarebbe aspettato. "Riteniamo che la causa di ciò sia la formazione di turbolenze su scala molto più piccola piuttosto che alcuni grandi vortici, il che rende il trasporto di calore meno efficace", ha affermato Vogt.

Implicazioni per la tecnologia delle batterie

Queste nuove scoperte potrebbero avere implicazioni per ciò che accade nel centro della Terra:"Per capire cosa sta succedendo, gli esperti stanno tentando di estrapolare i risultati degli esperimenti di laboratorio alla scala della Terra", ha spiegato Sven Eckert. "Ma ora abbiamo dimostrato che il calore viene trasportato in modo meno efficace in determinate condizioni rispetto a quanto suggerito da precedenti esperimenti". Ciò significa che le previsioni per la Terra probabilmente produrranno anche valori diversi. "Tuttavia, i processi della vita reale nel centro della Terra sono molte volte più complessi rispetto ai nostri esperimenti di laboratorio", ha aggiunto Tobias Vogt. "Ad esempio, il flusso di ferro liquido è influenzato anche dal campo magnetico e dalla rotazione della Terra:in definitiva, sappiamo molto poco di questi processi di flusso."

In effetti, le nuove scoperte potrebbero rivelarsi rilevanti anche per la tecnologia, specialmente nelle aree che coinvolgono metalli liquidi. Ad esempio, i metalli liquidi vengono utilizzati in alcuni tipi di batterie, nonché per future centrali solari e reattori a fusione fredda. Per poter dare un'occhiata ancora più da vicino al trasporto di calore nei metalli liquidi, il team di HZDR sta attualmente lavorando a una tecnica analitica avanzata. "Ci si aspetta che speciali sensori a induzione registrino i flussi in modo ancora più dettagliato rispetto a prima e producano immagini 3D reali", ha osservato Sven Eckert. "Le nostre misurazioni iniziali sono molto promettenti". + Esplora ulteriormente

Il flusso di calore ha dimostrato di essere più efficiente quando la temperatura oscilla rispetto a quando è statico