Los flujos de metal fundido pueden generar campos magnéticos. Este llamado efecto dínamo crea campos magnéticos cósmicos, como los que se encuentran en los planetas, lunas e incluso asteroides. En los próximos años, Los investigadores están llevando a cabo un experimento único en el que un tambor de acero que contiene varias toneladas de sodio líquido gira alrededor de dos ejes para demostrar este efecto. Se llevará a cabo en las nuevas instalaciones de DRESDYN en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un laboratorio de investigación alemán independiente. Un estudio, publicado recientemente en Cartas de revisión física , informa las posibilidades de éxito del experimento.

De manera similar a una dínamo de bicicleta que convierte el movimiento en electricidad, Los fluidos conductores en movimiento pueden generar campos magnéticos. El llamado número de Reynolds magnético (el producto de la velocidad de flujo del fluido, expansión y conductividad) determina principalmente si se genera realmente un campo magnético.

Durante el experimento, Los científicos del equipo de Frank Stefani en el Instituto de Dinámica de Fluidos del HZDR tienen como objetivo lograr 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 10 veces por segundo y una vez por segundo alrededor de otro eje que está inclinado con respecto al primero. El término técnico para este movimiento, que a menudo se compara con una peonza inclinada, es precesión.

"Nuestro experimento en las nuevas instalaciones de DRESDYN está destinado a demostrar que la precesión, como impulsor 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 las acompañan utilizando una maqueta seis veces más pequeña que la configuración experimental, los científicos examinaron la estructura del flujo impulsado por la precesión.

"Para nuestra sorpresa, observamos una estructura de doble rol simétrica en un rango específico de la tasa de precesión, que debería proporcionar un efecto dínamo a un número de Reynolds magnético de 430, "dice el físico.

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 esta geodinamo. Sin embargo, el papel que juega la precesión en la formación del campo magnético de la Tierra aún no está completamente 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 cree 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 indican las muestras de rocas de las misiones Apolo. Según los expertos, la precesión podría haber sido la causa principal.

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 utilizó en el primer experimento exitoso de dínamo en Riga, Letonia en 1999, en el que participaron científicos de HZDR. Este y otros experimentos en Karlsruhe, Alemania y Cadarache, Francia, proporcionó una investigación innovadora para una mejor comprensión de la geodinamo.

"En principio, podemos definir tres parámetros diferentes para los experimentos en DRESDYN:rotación, precesión y el ángulo entre los dos ejes, ", dice Giesecke. Él y sus colegas esperan obtener respuestas a la pregunta fundamental de si la precesión realmente produce un campo magnético en un fluido conductor. Además, están interesados ​​en averiguar qué componentes del flujo son responsables de la creación del campo magnético, y el punto en el que se produce la saturación.

Doble rol en el contenedor

"En simulaciones, Descubrimos que las ondas de inercia estacionarias ocurren en un amplio rango de parámetros. Dentro de un cierto rango, sin embargo, ahora hemos notado una estructura de doble función característica que demuestra ser extremadamente eficiente para el efecto dínamo. En principio, ya somos conscientes de tal estructura de velocidad gracias al experimento francés de dínamo, en el que fue producido artificialmente por dos hélices, mientras que en nuestro experimento de precesión debería surgir de forma natural ".

Los investigadores de HZDR utilizaron tecnología de ultrasonido especial para medir la estructura del flujo. "Nos sorprendió mucho lo bien que los datos del experimento coinciden con los resultados de la simulación. Por lo tanto, tenemos una predicción extremadamente sólida para el experimento DRESDYN principal. 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 dínamos espera 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 dinamo es de interés para muchas áreas de fundición de acero y cultivo de cristales.