Erstmalig gelang der experimentelle Nachweis eines magnetischen
Effektes, der im Kosmos zum Beispiel bei der Entstehung von Sternen
eine wesentliche Rolle spielt. Magnetische Felder können
rotierende, elektrisch leitende Flüssigkeiten und Gase in
turbulente Bewegungen versetzen. PROMISE ist der Name des
Laborversuchs und steht für das 'Potsdam-ROssendorf Magnetic
InStability Experiment'. Bei dem aus den Himmelskörpern
bekannten Effekt handelt es sich um die so genannte magnetische
Scherinstabilität; die Scherung im Gas entsteht durch unterschiedliche
Rotationsperioden bei verschiedenen Abständen vom Zentrum.
Die Instabilität war in irdischen Laboren bisher unbekannt,
wurde aber theoretisch für die elektrisch leitfähigen
Gase im Kosmos vorhergesagt.
Die Idee und die physikalischen Berechnungen stammen aus der Feder
der Magnetfeld-Experten Prof. Günther Rüdiger vom
Astrophysikalischen Institut Potsdam und Dr. Rainer Hollerbach
von der Universität Leeds. Die Erfahrung mit Flüssigmetallexperimenten
der Abteilung Magnetohydrodynamik des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf
ermöglichte unter Leitung von Dr. Gunter Gerbeth und
Dr. Frank Stefani die experimentelle Umsetzung des Nachweises der
Instabilität. Das Projekt gehörte zu den Gewinnern der Ausschreibung
von Forschungsgeldern durch die Leibniz Gemeinschaft.
Zwei ineinander gestellte Zylinder rotieren um die gemeinsame
Achse, der innere schneller als der äußere. Zwischen den Zylindern
befindet sich die Legierung Gallium-Indium-Zinn (GaInSn), die bei
Raumtemperaturen flüssig ist. Die Magnetfelder werden
durch elektrische Ströme erzeugt. Eine dicke
Spule (gelbe Wicklungen in Abbildung 1) liefert ein Magnetfeld
mit vertikal gerichteten Feldlinien, ein starker Strom von einigen
tausend Ampere durch die Zylinderachse verursacht ein
Feld, dessen Feldlinien ringförmig das GaInSn
durchziehen. Das in der Fachliteratur als
Magnetorotational Instability (MRI) bekannte Phänomen
kann auch schon bei schwachen Magnetfeldern auftreten. Im
Experiment musste allerdings eine relativ starke Kombination
aus toroidalem und vertikalem Feld gewählt werden, da
andernfalls die nötigen Rotationsgeschwindigkeiten viel
höher sein müssten.
Abbildung 3: Driftgeschwindigkeit der auftretenden Strömungsmuster in Theorie (gelber Bereich) und Experiment (Kreuze).
Abbildung 4: Abhängigkeit der vertikalen Geschwindigkeiten von der Tiefe zu verschiedenen Zeiten. Oben bei 1000 Ampere, unten bei 5000 Ampere.
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[Pressemitteilung]
[MHD-Gruppe am AIP]
[MHD-Gruppe am FZD]
[AIP Homepage]
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Abbildung 1: Das Experiment PROMISE.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau von PROMISE. Das flüssige GaInSn befindet sich zwischen zwei Zylindern mit gemeinsamer Achse. Innerer und äußerer Zylinder rotieren mit unterschiedlichen Umlaufzeiten. Ultraschallsensoren messen die vertikale Geschwindigkeit des flüssigen Metalls.
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Viele astronomische Objekte rotieren innen schneller als außen.
Da schon schwache Magnetfelder zum Auslösen der Instabilität
ausreichen, wird vermutet, dass Phänomene wie die Sternentstehung
oder die enorme Leuchtkraft der Quasare von der MRI überhaupt erst
ermöglicht werden. Während die Astronomen ihre Informationen
fast nur aus dem Licht ferner Welten gewinnen können, erhält auch
der Begriff Laborastrophysik nun durch PROMISE neue Bedeutung.
Das Eintreten des Effekts beobachtet man zuerst am Auftreten von
rollenartigen Strömungen, die mit einer bestimmten
Geschwindigkeit durch das GaInSn driften.
Abbildung 3 zeigt die Driftgeschwindigkeit der Rollen in
Abhängigkeit vom Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten
der beiden Zylinder. Bei einem Rotationsverhältnis von 0,25 dauert eine Umdrehung des
äußeren Zylinders viermal länger als beim inneren
Zylinder. Im gelben Bereich sollten nach der Theorie die Messwerte
liegen. Tatsächlich wurden zwei Driftgeschwindigkeiten
bestimmt, die genau im vorhergesagten Bereich liegen (Kreuze).
Ultraschall-Sonden "schauen" von oben zwischen die Zylinder und
messen die vertikalen Bewegungen des flüssigen Metalls.
Die rollenartigen Bewegungen äußern sich dahingehend,
dass man bei verschiedenen Tiefen in dem rotierenden "Topf"
abwechselnd Auf- und Abwärtsbewegungen beobachtet. Diese
verlagern sich mit der Zeit in der Tiefe und zeigen die
Driftgeschwindigkeit an. Bei einem durch die Achse fließenden
Strom von 1000 Ampere sind die Bewegungen noch schwach. Bei
5000 Ampere werden die driftenden Rollen durch schräge,
rot gekennzeichnete Bereiche deutlich (Abbildung 4).
Projektleiter PROMISE
Prof. Günther Rüdiger
Astrophysikalisches Institut Potsdam
An der Sternwarte 16
D-14482 Potsdam
(0331) 7499 512
Pressekontakt
Frau Shehan Bonatz
(0331) 7499 469
Veröffentlichungen
G. Rüdiger, R. Hollerbach, F. Stefani, T. Gundrum, G. Gerbeth, R. Rosner:
The traveling wave MRI in cylindrical Taylor-Couette flow: comparing wavelengths and speeds in theory and experiment.
Astrophysical Journal Letters, im Druck. astro-ph/0607041
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