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Sterne, Jets und Batterien Facettenreiches magnetisches Phänomen erstmals im Labor nachgewiesen

12.06.2012 - (idw) Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Bei der Entstehung von Schwarzen Löchern spielen magnetische Instabilitäten eine entscheidende Rolle, sie regulieren aber auch die Rotations-Geschwindigkeit kollabierender Sterne und beeinflussen das Verhalten kosmischer Jets. Zum besseren Verständnis der Mechanismen sind Laborexperimente auf der Erde nötig. Im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) erstmalig der Nachweis einer solchen magnetischen Instabilität der Tayler-Instabilität . Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auch bei der Konstruktion großer Flüssigmetall-Batterien helfen, die als preiswerte Speicher für erneuerbare Energien im Gespräch sind. Die Tayler-Instabilität wird von Astrophysikern unter anderem in Bezug auf die Entstehung von Neutronensternen diskutiert. So müssten Neutronensterne der Theorie zufolge sehr viel schneller rotieren, als sie dies in Wirklichkeit tun. Die rätselhafte Bremswirkung wird inzwischen der Wirkung der Tayler-Instabilität zugeschrieben, die die Rotation von 1.000 Umdrehungen pro Sekunde auf etwa 10 bis 100 reduziert. In kosmischen Jets, also Materieströmen, die senkrecht aus den rotierenden Gasscheiben in der Umgebung Schwarzer Löcher herausströmen, werden gelegentlich Strukturen beobachtet, die an die Doppelhelix der DNA erinnern. Auch für solche Strukturen könnte die Tayler-Instabilität verantwortlich sein.

Flüssigmetall-Batterien Energiespeicher der Zukunft?

Theoretisch vorausgesagt wurde das jetzt erstmalig im Labor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf beobachtete magnetische Phänomen von R.J. Tayler im Jahr 1973. Die Tayler-Instabilität entsteht immer dann, wenn ein genügend starker Strom durch eine leitfähige Flüssigkeit fließt. Ab einer bestimmten Stärke erzeugt die Wechselwirkung des Stromes mit seinem eigenen Magnetfeld eine Strömung. Dass dieses Phänomen nicht nur im Kosmos, sondern auch auf der Erde wirken kann, wissen die Rossendorfer Wissenschaftler, seit sie sich mit Flüssigmetall-Batterien beschäftigen. Sollten in Zukunft solche Batterien als Speicher für regenerative Energien eingesetzt werden, so könnte sich deren Realisierung auf Grund der beim Laden und Entladen einsetzenden Tayler-Instabilität als komplizierter erweisen als angenommen.

Amerikanische Wissenschaftler entwickelten die ersten Prototypen und gehen davon aus, dass das System einfach skalierbar wäre. Der Physiker Dr. Frank Stefani vom HZDR bezweifelt das: Wir haben errechnet, dass ab einer gewissen Stromdichte und Batteriegröße unweigerlich die Tayler-Instabilität einsetzt und dazu führt, dass in den Metallschichten eine starke Strömung entsteht. Diese rührt die flüssigen Schichten um und es kommt zum Kurzschluss. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Physical Review Letters berichtet das Team um Stefani gemeinsam mit Kollegen vom AIP um Prof. Günther Rüdiger über das erste erfolgreiche Experiment zum Nachweis der Tayler-Instabilität in einem Flüssigmetall. Hierbei kommt eine bei Raumtemperaturen flüssige Legierung aus Indium, Gallium und Zinn zum Einsatz, durch die ein Strom von bis zu 8.000 Ampere geschickt wird. Um andere Ursachen der beobachteten Instabilität, wie z.B. Unregelmäßigkeiten in der Leitfähigkeit, auszuschließen, verzichten die Forscher bewusst auf den Einbau von Geschwindigkeitssensoren; stattdessen nutzen sie 14 hochempfindliche Magnetfeld-Sensoren. Die gewonnenen Daten zeigen die Anwachsraten und kritischen Ströme der Tayler-Instabilität, die in bemerkenswerter Weise mit den numerischen Vorhersagen übereinstimmen.

Wie Flüssigmetall-Batterien funktionieren

Bei den kleineren amerikanischen Prototypen entsteht die Tayler-Instabilität erst gar nicht, doch Flüssigmetall-Batterien müssen sehr groß sein, damit sie sich rechnen. Frank Stefani führt aus: Ich sehe Flüssigmetall-Batterien mit einer Grundfläche von Quadratmetern als durchaus realistisch an. Sie lassen sich sehr einfach herstellen, indem man die Flüssigkeiten in einen großen Behälter schüttet. Dann organisieren sie ihre Schichtstruktur selbst und lassen sich beliebig oft auf- und entladen. Das macht sie wirtschaftlich interessant. Solch ein System kommt auch sehr gut mit dem Regellastbetrieb zurecht, der ständig zwischen der Abnahme und Zufuhr von Strom schwankt. Flüssigmetall-Batterien könnten also den bei Überangebot gespeicherten Strom immer dann abgeben, wenn die Sonne gerade nicht scheint oder die Windräder stillstehen.

Das Grundprinzip einer Flüssigmetall-Batterie ist sehr einfach: da flüssige Metalle leitfähig sind, können sie direkt als Anoden und Kathoden dienen. Füllt man zwei geeignete Metalle in einen Behälter, so dass sich das schwere Metall unten und das leichtere oben befindet, und trennt die Metalle durch eine Schicht aus geschmolzenem Salz, entsteht eine galvanische Zelle. Die Metalle sind bestrebt, sich zu vermischen und eine Legierung zu bilden. Da die Salzschmelze in der Mitte sie an der direkten Vermischung hindert, müssen die Metallatome zunächst Elektronen abgeben, um dann als Ionen durch die Salzschmelze zu wandern. Beim anderen Metall angekommen, legieren sie sich mit ihm unter Aufnahme von Elektronen. Beim Laden wird der Prozess umgekehrt und die Legierung wieder in ihre Bestandteile zerlegt. Um bei großen Batterien die Tayler-Instabilität und damit einen Kurzschluss zu vermeiden, schlägt Stefani ein Innenrohr vor, durch das der Strom zurückgeleitet wird. Damit lassen sich die Abmessungen der Batterien deutlich vergrößern.

Kosmische Magnetfelder im Laborexperiment

Auch der erstmalige experimentelle Nachweis des homogenen Dynamoeffekts, der z.B. für die Entstehung des Erd- und Sonnenmagnetfeldes verantwortlich ist, war Rossendorfer Forschern gemeinsam mit Kollegen aus Riga im Jahr 1999 gelungen. In einer Gemeinschaftsaktion mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam konnte dann 2006 die so genannte Magnetorotations-Instabilität im Labor nachgestellt werden, die erklärt, warum Sterne und Schwarze Löcher wachsen können. Im Rahmen des Zukunftsprojektes DRESDYN bereiten die Forscher zur Zeit zwei große Experimente mit flüssigem Natrium vor, mit denen der Dynamoeffekt unter dem Einfluss von Präzession einerseits und die Kombination magnetischer Instabilitäten andererseits untersucht werden sollen.

Publikationen
Martin Seilmayer, Frank Stefani u.a.: Evidence for transient Tayler instability in a liquid metal experiment, in: Physical Review Letters 108, (2012), S. 244501, DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.244501,
<www: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.244501>.
Frank Stefani u.a.: How to circumvent the size limitation of liquid metal batteries due to the Tayler instability, in: Energy Conversion and Management 52 (2011), 2982-2986, DOI: 10.1016/j.enconman.2011.03.003.

Weitere Informationen
Dr. Frank Stefani
Institut für Fluiddynamik im HZDR
Tel. 0351 260-3069 | f.stefani@hzdr.de

Pressekontakt
Dr. Christine Bohnet
Pressesprecherin
Tel. 0351 260-2450 oder 0160 969 288 56
c.bohnet@hzdr.de
www.hzdr.de

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Materie, Gesundheit und Energie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
Wie nutzt man Ressourcen und Energie effizient und sicher?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden fünf Großgeräte mit teils einmaligen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 1.1.2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 900 Mit
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