Un esquema que representa el experimento de dínamo de Von-Kármán-Sodium, con el rectángulo rojo que muestra la parte simulada del flujo entre las dos palas. Crédito:Varela / Brun / Dubrulle / Nore
El masivo El núcleo agitado de líquidos conductores en las estrellas y algunos planetas crea una dínamo que genera el campo magnético del cuerpo planetario. Los investigadores tienen como objetivo comprender mejor estas dínamos a través de simulaciones por computadora y recrearlas en el laboratorio utilizando recipientes de giro rápido, sodio líquido.
Una nueva simulación basada en el experimento de dínamo von-Kármán-Sodium (VKS), gestionado conjuntamente por la Comisión Francesa de Energía Atómica (CEA), el Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS) y la École Normale Supérieure (ENS) de París y Lyon, analiza más de cerca cómo el vórtice líquido creado por el dispositivo genera un campo magnético. Los investigadores investigaron los efectos de la resistividad y la turbulencia de los fluidos en la colimación del campo magnético, donde el vórtice se convierte en una corriente enfocada. Informan sus hallazgos esta semana en la revista. Física de Plasmas , de AIP Publishing.
El estudio es el primero en examinar el flujo dentro de las cuchillas batidoras a alta resolución, y puede ofrecer formas de mejorar las dinamos de laboratorio para que puedan recrear con mayor precisión las observaciones astronómicas estelares.
"Esperamos eso, en el futuro, podemos dar una mejor descripción de los flujos, "dijo el autor principal, Jacobo Varela, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Con este enfoque, podemos empezar a comprender la dínamo que se observa en las estrellas ".
Los dínamos convierten la energía cinética en energía magnética al transformar la rotación de un fluido o plasma eléctricamente conductor en un campo magnético. En la dinamo VKS, dos paletas del impulsor a cada lado de un cilindro lleno de sodio líquido crean turbulencia, que puede generar el campo magnético.
Los mecanismos que crean ese campo, sin embargo, son poco entendidos. Otros investigadores han realizado simulaciones globales de dínamos de sodio, pero los modelos arrojaron resultados de baja resolución. Esta investigación modela el flujo en forma de vórtice dentro de una pequeña región junto a un impulsor dentro de la dínamo VKS.
La evolución del torbellino del vórtice, a medida que el modelo avanza de 37 segundos a 42 segundos. El aumento de la turbulencia en el flujo provoca variaciones en el remolino y conduce a ciclos periódicos del campo magnético. como se observa con el sol. Crédito:Varela / Brun / Dubrulle / Nore
“Los flujos helicoidales entre las palas del impulsor coliman el flujo que fortalece el campo magnético y genera el campo observado en el dispositivo, "Dijo Varela.
Los investigadores simplificaron la geometría del dispositivo y construyeron simulaciones magnetohidrodinámicas enfocadas para comprender cómo la turbulencia del flujo y las características del material del dispositivo afectan la colimación del campo magnético.
"Descubrimos que cuando se utilizan materiales ferromagnéticos magnetizados, hay un aumento efectivo en la colimación del campo magnético, resultando en un umbral de dinamo más bajo, y esto es lo que observaron en el experimento, "Dijo Varela.
A diferencia de, el uso de materiales conductores en la simulación debilitó la colimación del campo. Este hallazgo puede explicar por qué los investigadores pueden desencadenar la acción de la dínamo en los experimentos de VKS más fácilmente cuando se utilizan impulsores de hierro dulce.
Los investigadores también analizaron sus resultados en el contexto de la teoría de la dinamo de campo medio, que intenta explicar cómo las estrellas y los planetas mantienen sus campos magnéticos. A medida que aumentaba la turbulencia en la simulación, el campo magnético cambió de un 1 a 1 constante con oscilaciones periódicas, como las que se observan en determinadas estrellas. El campo magnético del sol por ejemplo, cambia la polaridad aproximadamente cada 11 años, que es producto de su turbulencia y la velocidad de su rotación.
Varela y sus colegas del CNRS continúan desarrollando el modelo para reflejar la geometría real del dispositivo. Planean investigar parámetros adicionales, como la forma de la hoja y el fondo del campo magnético, para que puedan simular más de cerca el rendimiento del dispositivo y probar formas de optimizar la máquina.
"La simulación que estamos realizando es solo el primer paso, pero con el modelo que tenemos ahora, podemos captar gran parte de la física que observan en el experimento de dínamo VKS, ", Dijo Varela." Nuestras observaciones y datos de la máquina nos darán mucha más evidencia del bucle de dínamo en las estrellas y otros objetos astronómicos ".
