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Eiserne Wirbelstürme im Erdkern

Dr. Till Zürner (links) und Felix Schindler richten in einem HZDR-Labor in Dresden eine Anlage ein, mit der sie die Strömungen von Flüssigmetallen im Erdkern nachstellen. Foto: A. Wirsig für das HZDR

Dr. Till Zürner (links) und Felix Schindler richten in einem HZDR-Labor in Dresden eine Anlage ein, mit der sie die Strömungen von Flüssigmetallen im Erdkern nachstellen.
Foto: A. Wirsig für das HZDR

Helmholtz-Forscher aus Dresden finden überraschend viele Turbulenzen in flüssigem Metall

Dresden, 22. Mai 2022. Im Erdkern, der für das schützende Magnetfeld unseres Planeten sorgt, geht es weit turbulenter zu als bisher gedacht. Das haben Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf durch Flüssigmetallexperimente entdeckt. Demnach bilden sich dort viel mehr kleine Wirbel im fließenden Metall als bislang angenommen. Das selbe Problem dürfte wohl auch in großen Flüssigmetall-Akkus auftreten, die derzeit als große Stromspeicher mit sehr langer Lebensdauer entwickelt werden.

Ohne aktiven Eisenkern gäbe es kein Leben auf der Erde

Mit den Experimenten wollen die Forscher unter anderem verstehen lernen, was genau im Erdgern vor sich geht, den bisher noch niemand mit eigenen Augen gesehen hat. Bekannt ist, dass der Kern unseres Planeten so heiß ist, dass auch das Eisen darin geschmolzen ist und sich ähnlich wie Brei in einem umgerührten Pudding-Kochtopf bewegt. Dabei mehrere Antriebskräfte: Erstens löst die Erdrotation eine kreisende Bewegung aus. Zweitens sorgen die Temperaturunterschiede im Kern für sogenannte „Konvektionen“: Auf- und Abwärtsbewegungen, die ein wenig den Wetterströmungen in der Erdatmosphäre ähneln. Durch das Zusammenwirken dieser und vermutlich noch weiterer Faktoren entstehen sehr komplexe Wirbel- und Drehbewegungen. Und weil Eisen – wie es der Name schon sagt – ferromagnetisch ist, wirkt der Erdkern wie eine Art Fahrrad-Dynamo. Durch die Bewegungen des heißflüssigen Eisens erzeugt das Erdmagnetfeld, das alles Leben auf dem Planeten vor tödlicher kosmischer Strahlung schützt.

Kein Schutzschild auf dem Mars

Anders ist das übrigens auf dem Mars: Der hat eben keinen solch aktiven Eisenkern und damit auch keinen hinreichenden Schutzschild für die geplante Besiedlung des roten Planeten durch den Menschen. Daher müssten Marskolonien, wie sie beispielsweise der US-Milliardär Elon Musk gründen will, entweder unter der Planetenoberfläche gegraben werden oder eigene Schutzpanzer oder -schilde bekommen.

Vereinfachter Erdkern im Labor nachgestellt

Um die Vorgänge in unserem planetaren Kern besser zu verstehen, haben die Helmholtz-Physiker eine vereinfachte Version des Erdkerns in den Laboren des HZDR-Instituts für Fluiddynamik nachgestellt. „Wir haben zwei zylindrische Gefäße genommen, ein relativ kleines in der Größe ungefähr eines Wassereimers und eines von der Gestalt eines Fasses mit einem Volumen von 60 Litern“, erläutert Projektleiter Dr. Tobias Vogt. „Diese Gefäße haben wir mit einer metallischen Legierung aus Indium, Gallium und Zinn gefüllt, die bereits bei Raumtemperatur flüssig ist.“ Den Boden der Gefäße heizten die Fachleute, den Deckel dagegen kühlten sie, sodass zwischen unten und oben eine Temperaturdifferenz von bis zu 50 Grad Celsius entstand. Dann „durchleuchteten“ sie die Gefäße mit Ultraschallsensoren, wie man sie so ähnlich aus der Medizin kennt.

Wie bei einer Lavalampe

Dabei sahen sie, dass die heißen Flüssigmetallschichten wie in einer Lavalampe vom Boden zum Deckel aufstiegen. Doch diese zunächst relativ gleichmäßige große Strömung zerbrach beim größeren Laborgefäß zusammen, statt dessen entstanden viele kleine Wirbel. Im Erdkern dürften die Vorgänge noch komplexer ausfallen, da dort noch die planetare Rotation hinzukommt. Entsprechende Experimente werden wohl noch folgen, wenn die neue Großforschungsanlage „Dresdyn“ am HZDR voll betriebsbereit ist: Dort bauen die Physiker einen rotierenden Zylinder mit flüssigem Natrium darin, der die Vorgänge im Erdkern, aber auch in Sternen und Flüssigmetallakkus realitätsnäher nachstellen kann.

Effekte dürften auch in großen Flüssigmetall-Akkus auftreten

Die bisher im Labor entdeckten Befunde deuten jedenfalls darauf hin, dass der Wärmeausgleich zwischen unten und oben im Kern wohl langsamer vonstatten geht als gedacht. Dies muss auch bei der Konstruktion der erwähnten Flüssigmetall-Akkus bedacht werden, an denen das HZDR derzeit ebenfalls arbeitet. Diese Stromspeicher haben zwar den Vorteil, dass sie sich nahezu beliebig vergrößern lassen und vor allem, dass sie sich durch einen Austausch der Metalle komplett und wie neu regenerieren lassen. Doch es sind insbesondere für richtig große Akkumulatoren offensichtlich auch noch viele Konstruktions- und Sicherheitsprobleme zu lösen.

Autor: hw

Quellen: HZDR, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation:

F. Schindler, S. Eckert, T. Zürner, J. Schumacher, T. Vogt: Collapse of Coherent Large Scale Flow in Strongly Turbulent Liquid Metal Convection, in Physical Review Letters, 2022 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.164501)