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Das magnetische Universum ins Labor geholt

Astrophysikalischem Institut Potsdam und Forschungszentrum Rossendorf gelingt magnetisches Schlüsselexperiment

Vor 13 Milliarden Jahren hat es weder Sterne noch Galaxien gegeben. Inzwischen hat sich der Kosmos zwar gewaltig ausgedehnt, sein stofflicher Inhalt hat sich aber durch die Schwerkraft zu Sternsystemen, Sternen, Planeten, schwarzen Löchern usw. zusammengeballt. Unsere Sonne ist entstanden, als eine lichtjahregroße interstellare Wolke in sich zusammenstürzte. Jeder Kubikkilometer der Ursprungswolke findet sich heute auf weniger als einen Kubikmillimeter zusammengepresst wieder. In einem schwarzen Loch als Überrest eines massereichen Sterns ist die Verdichtung noch billionenfach höher.

Wie kann es dazu kommen, obwohl irgendwann beim Kollaps die Zentrifugalkraft die Schwerkraft aufheben muss? Planeten drehen sich, Sterne drehen sich, und auch das Material, aus dem Sterne und Planeten hervorgegangen sind, hat sich gedreht. Um Sterne oder gar schwarze Löcher hervorzubringen, muss die Materie fast komplett abgebremst werden. Dies geschieht in einer sog. Akkretionsscheibe, die -- wie auch unser Planetensystem -- innen schneller als außen rotiert. Nur durch enorme turbulente Reibung kann der Drehimpuls nach außen strömen und die abgebremste Materie schließlich vom zentralen Objekt aufgesammelt werden. Die Reibungswärme wird abgestrahlt und erzeugt so die gewaltige Leuchtkraft von Quasaren und Röntgensternen. Woher aber die Turbulenz kommt, dank derer die Materie ihren Drehimpuls verlieren kann, ist eine der großen Fragen der Astrophysik. Nach den Erkenntnissen der Experimentalphysik sollten die kreisrunden Akkretionsscheiben turbulenz- und mithin fast reibungsfrei sein.

Magnetfelder können dieses Dilemma lösen. Verglichen mit der Schwerkraft sind magnetische Kräfte oft von untergeordneter Rolle. Für das Funktionieren von Akkretionsscheiben könnten aber gerade sie ausschlaggebend sein, weil sie in einer eigentlich stabilen Scherströmung Turbulenz entfachen können. Deshalb versuchen gegenwärtig mehrere Forschergruppen, diesen Effekt, die sog. Magnetorotationsinstabilität (MRI), erstmalig im irdischen Labor nachzuweisen.

Dies ist jetzt zwei Instituten der Leibnizgemeinschaft gelungen. Die Idee und die theoretischen Grundlagen für das Experiment 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 Rossendorf ermöglichte unter Leitung von Dr. Gunter Gerbeth die experimentelle Umsetzung des Nachweises der Instabilität. Das Projekt gehörte im vergangenen Jahr zu den Gewinnern der Ausschreibung von Forschungsgeldern durch die Leibniz-Gemeinschaft.

Beim Experiment PROMISE (Potsdam Rossendorf Magnetic In Stability Experiment) strömt zwischen zwei unterschiedlich schnell rotierenden Zylindern eine silbrig glänzende Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Die Drehzahlen sind so eingestellt, dass zunächst nichts weiter passiert. Durch das Hinzufügen eines speziell geformten Magnetfeldes wird aus der einfachen hydrodynamischen Strömungsanlage eine komplizierte magnetohydrodynamische Maschine. Der Trick, durch den das, was im Kosmos so selbstverständlich abläuft, auf die Möglichkeiten eines Labors reduziert werden kann, besteht darin, das rotierende Flüssigmetall einem Magnetfeld mit schraubenförmigen Feldlinien auszusetzen. Das Feld wird durch elektrische Ströme entlang der Achse (6000 A) und durch eine äußere Spule (75 A) erzeugt. Im Kosmos funktioniert das gleiche „Experiment“ für noch einfachere und viel schwächere Magnetfelder.

Was mittels Ultraschall-Geschwindigkeitssensoren registriert wird, ist das Umschlagen von einem rein laminaren Strömungsregime in ein turbulentes, sofern die elektrischen Ströme entlang der Achse und in der Spule sich innerhalb der vorhergesagten Grenzen bewegen. Die MRI zeigt sich im Experiment als wandernde Welle von Strömungswirbeln, deren Eigenschaften gut mit den theoretischen Berechnungen übereinstimmen.

PROMISE Experiment

Bild: Schema des PROMISE-Experiments

Weitere Informationen:
Dr. Gunter Gerbeth
Institut für Sicherheitsforschung

Tel.: 0351 260 - 3484

Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Tel.: 0351 260 2450 oder 0160 969 288 56
Fax: 0351 260 2700