para demostrar el magnetismo en el universo
SciTechDaily
El experimento de dinamo en la instalación DRESDYN operará en los límites de la viabilidad técnica. El inicio está previsto para 2020. Crédito de la imagen: SBS Bühnentechnik GmbH
12 de marzo de 2018
Los flujos de metal fundido pueden generar campos magnéticos. Este llamado efecto dinamo crea campos magnéticos cósmicos, como los que se encuentran en planetas, lunas e incluso asteroides. En los próximos años, un experimento único a nivel mundial, en el que un tambor de acero que contiene varias toneladas de sodio líquido gira alrededor de dos ejes, tiene la intención de demostrar este efecto. Se llevará a cabo en la nueva instalación de DRESDYN en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Un estudio recientemente publicado en la revista científica "Physical Review Letters" confirma las posibilidades de éxito del experimento.
De forma similar a cómo una bicicleta dínamo convierte el movimiento en electricidad, mover fluidos conductivos puede generar campos magnéticos. El llamado número de Reynolds magnético (el producto de la velocidad, la expansión y la conductividad del flujo del fluido) determina principalmente si un campo magnético realmente se genera. Durante un experimento espectacular, los científicos del equipo de Frank Stefani en el Instituto de Dinámica de Fluidos del HZDR intentan alcanzar el valor crítico requerido para la ocurrencia del efecto dínamo. Para este propósito, un cilindro de acero de dos metros de diámetro que contiene ocho toneladas de sodio líquido girará alrededor de un eje hasta diez veces por segundo y una vez por segundo alrededor de otro, que está inclinado con respecto al primero. El término técnico para este movimiento, que a menudo se compara con un trompo inclinado, es la precesión.
“Nuestro experimento en las nuevas instalaciones DRESDYN pretende demostrar que la precesión, como conductor natural del flujo, es suficiente para crear un campo magnético”, dice André Giesecke, autor principal del estudio. En sus simulaciones y durante los experimentos de agua que lo acompañan -la maqueta era seis veces más pequeña que la gran dínamo- los científicos examinaron la estructura del flujo impulsado por la precesión. “Para nuestra sorpresa, hemos observado una estructura simétrica de doble rodillo en un rango específico de la tasa de precesión, que debería proporcionar un efecto dinamo a un número de Reynolds magnético del 430”, dice el físico.
Se supone que un flujo impulsado por precesión alimenta la autoexcitación del campo magnético en un experimento planeado de dínamo metálico líquido en HZDR. Simulación: HZDR
Sin resolver: el papel de la precesión en el geodinamo
El centro de la Tierra consiste en un núcleo sólido rodeado por una capa de hierro fundido. "El metal fundido induce una corriente eléctrica, que a su vez genera un campo magnético", explica Giesecke. La creencia común es que la convección impulsada por la flotabilidad, junto con la rotación de la Tierra, es responsable de este geodinamo. Sin embargo, el papel desempeñado por la precesión en la formación del campo magnético de la Tierra todavía no está del todo claro. El eje de rotación de la Tierra está inclinado 23.5 grados desde su plano orbital. El eje de rotación cambia de posición durante un período de aproximadamente 26,000 años. Se piensa que este movimiento de precesión a través del espacio es una de las posibles fuentes de energía para el geodinamo. Hace millones de años, la Luna también tenía un poderoso campo magnético, como lo indicaban las muestras de rocas de las misiones Apolo. Según los expertos, la precesión podría haber sido la causa principal de esto.
Se espera que los experimentos de sodio líquido en HZDR comiencen en 2020. A diferencia de los experimentos de laboratorio de geodinamo anteriores, no habrá hélice dentro del tambor de acero, como se usó en el primer experimento de dínamo exitoso en Riga, Letonia en 1999, en el cual los científicos de HZDR fuertemente complicado. Este y otros experimentos en Karlsruhe, Alemania y Cadarache, Francia, proporcionaron una investigación pionera para una mejor comprensión del geodinamo.
"En principio, podemos definir tres parámetros diferentes para los experimentos en DRESDYN: rotación, precesión y el ángulo entre los dos ejes", dice Giesecke. Por un lado, él y sus colegas esperan obtener respuestas a la pregunta fundamental de si la precesión en realidad produce un campo magnético en un fluido conductivo. Por otro lado, están interesados en descubrir qué componentes de flujo son responsables de la creación del campo magnético y el punto en el que ocurre la saturación.
Doble rollo en el contenedor
"En simulaciones, descubrimos que las ondas estacionarias de inercia se producen en un amplio rango de parámetros. Dentro de cierto rango, sin embargo, ahora hemos notado una característica estructura de doble rollo que resulta ser extremadamente eficiente para el efecto dínamo. En principio, ya somos conscientes de esa estructura de velocidad gracias al experimento de dínamo francés, en el que fue producido artificialmente por dos hélices, mientras que en nuestro experimento de precesión debería surgir naturalmente ".
Los investigadores del HZDR usaron tecnología de ultrasonido especial para medir la estructura del flujo. "Nos sorprendió lo bien que los datos del experimento coinciden con los resultados de la simulación. Por lo tanto, tenemos una predicción extremadamente robusta para el gran experimento DRESDYN. Por ejemplo, sabemos a qué tasas de rotación se produce el efecto dínamo y qué estructuras de campo magnético podemos esperar ", dice Giesecke.
La comunidad científica involucrada con las dínamos está esperando ansiosamente los resultados del experimento planeado, que operará en los límites de la viabilidad técnica en muchos aspectos. "También esperamos información detallada sobre la dinámica general de los flujos de metales líquidos bajo la influencia de campos magnéticos. Esto nos permitirá sacar conclusiones sobre los flujos en el sector industrial ", según Giesecke. Y por último pero no menos importante, la tomografía de flujo magnético desarrollada en el HZDR como parte de su investigación de dínamo es de interés para muchas áreas de la fundición de acero y el cultivo de cristales. El trabajo ha sido parcialmente financiado por Helmholtz Alliance "Liquid Metal Technologies" (LIMTECH).
Publicación: André Giesecke, et al., "Flujo no lineal a gran escala en un cilindro de precesión y su capacidad para impulsar la acción del dínamo", Physical Review Letters, 2018; DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.024502
Christine Bohnet, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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