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Laborastrophysik: PROMISE

PROMISE - Das magnetische Universum ins Labor geholt
Astrophysikalisches Institut Potsdam und Forschungszentrum Dresden-Rossendorf beim Durchbruch in der Laborastrophysik

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.

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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.

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).

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Abbildung 3: Driftgeschwindigkeit der auftretenden Strömungsmuster in Theorie (gelber Bereich) und Experiment (Kreuze).

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Abbildung 4: Abhängigkeit der vertikalen Geschwindigkeiten von der Tiefe zu verschiedenen Zeiten. Oben bei 1000 Ampere, unten bei 5000 Ampere.

Projektleiter PROMISE
Prof. Günther Rüdiger
Astrophysikalisches Institut Potsdam
An der Sternwarte 16
D-14482 Potsdam
(0331) 7499 512
gruediger@aip.de

Pressekontakt
presse@aip.de

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