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Dr. Frank Stefani

Lei­ter Geo- und Astrophysik
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Das Rigaer Dynamo-Experiment

Planetare, stellare und galaktische Magnetfelder werden durch Strömungen elektrisch leitfähiger Fluide erzeugt. Während die entsprechende Theorie hydromagnetischer Dynamos in den letzten Jahrzehnten weit entwickelt worden war, stand der experimentelle Nachweis magnetischer Selbsterregung in leitfähigen Fluiden bis vor kurzem aus. Das Rigaer Dynamoexperiment gehört, neben einigen wenigen vergleichbaren Anlagen, zu den großen Natrium-Experimenten, die der Untersuchung dieses Phänomens gewidmet sind.

Abbildung 1 zeigt das Schema und eine Fotografie der Anlage, deren zentraler Modul (Abbildung 2) eine propellergetriebene zentrale schraubenförmige Strömung (mit Geschwindigkeiten bis 20 m/s), eine gerade Rückströmung und stehendes Natrium in konzentrischen Edelstahlzylindern beinhaltet. Zur Erreichung der Selbsterregung (bei limitierten Leistungsreserven), wurde die gesamte Anlage in einem iterativen Prozess von Pumpenauslegung und numerischen Simulationen optimiert. Abbildung 2 zeigt weiterhin einen Schnappschuss des Magnetfeldes, welches mit unserem 2D-Löser der Induktionsgleichung berechnet wurde.

Figure 1: Schema (a) und Fotografie (b) der Rigaer Dynamoanlage, mit zentralem Dynamomodul (D), zwei DC-Motoren (M), den Keilriemen (B), einem Tank (T) und den externen Hallsensoren (H).

Figure 2: Zentraler Modul des Rigaer Dynamoexperiments und das magnetische Eigenfeld, simuliert für eine Propeller-Rotationsrate von 2000 Upm. Die Feldstruktur rotiert mit einer Frequenz von 1.16 Hz um die vertikale Achse, in derselben Richtung wie die Strömung. Die Farbe der Feldlinien indiziert die z-Komponenten des Feldes.

Erste Dynamoexperiment wurden im November 1999 durchgeführt. Nachdem die reine Verstärkung einer angelegten 1 Hz-Anregung für verschiedene Rotationsraten des Propellers untersucht worden war, wurde bei der höchsten Rotationsrate von 2150 Upm eine zusätzliche, exponentiell wachsende Eigenmode mit einer Frequenz von 1.3 Hz nachgewiesen (Abbildung 3). Da kurz darauf diese Messkampagne auf Grund eines technischen Problems abgebrochen werden musste, konnte das Sättigungsregime des Dynamos erst in der nächsten Kampagne im Juli 2000 erreicht werden (Abbildung 4).

Figure 3: Erstes Indiz für magnetische Selbsterregung, gemessen am 11. November 1999. Bei der höchsten Rotationsrate von 2150 Upm erscheint eine Überlagerung des verstärkten, von außen angelegten Feldes (0.995 Hz) und eines selbsterregten Feldes (1.326 Hz).

Figure 4: Das Sättigungsregime des Rigaer Dynamos wird im Juli 2000 erreicht.

Die in Abbildung 5 zusammengestellten Anwachsraten (a) und Frequenzen (b) des Feldes, welche in den Kampagnen zwischen 1999 und 2007 gemessen wurden, zeigen i.A. eine sehr gute Übereinstimmung mit unseren numerischen Simulationen. Nachdem der Rigaer Dynamo repariert und im Juni 2016 wieder in Betrieb genommen wurde, steht er nun für weitere Messkampagnen bereit.

Figure 5: Anwachsraten (a) und Frequenzen (b) im kinematischen und im Sättigungsregime, die in verschiedenen Kampagnen gemessen wurden. Die numerischen Vorhersagen für den kinematischen Fall basieren auf unserem 2D Code. Für die korrigierten Kurven, wurde der in einem 1D Code bestimmte Effekt der schlecht leitfähigen Zwischenwände berücksichtigt. Alle Rotationsraten, Anwachsraten und Frequenzen wurden auf eine gemeinsame Referenztemperatur von 157°C renormiert.

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