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Dr. Frank Stefani

Lei­ter Geo- und Astrophysik
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Magnetorotationsinstabilität (PROMISE Experiment)

Kosmische Magnetfelder spielen eine erstaunlich aktive Rolle in der kosmischen Strukturbildung. Vermittels der Magnetorotationsinstabilität (MRI) beschleunigen sie den nach außen gerichteten Drehimpulstransport und den nach innen gerichteten Massentransport, welcher für das Wachstum von Protosternen und Schwarzen Löchern notwendig ist. Am PROMISE-Experiment werden zwei spezielle Versionen der MRI, die helikale MRI und die azimutale MRI, untersucht.

PROMISE ist ein Taylor-Couette-Experiment mit einer Spaltweite von 4 cm und einer Höhe von 40 cm (Abbildung 1). Als Arbeitsfluid wird das Eutektikum GaInSn genutzt, welches bei Raumtemperaturen flüssig ist. Abbildung zeigt die gegenwärtige Ausbaustufe von PROMISE mit einer 20 kA Stromversorgung für den zentralen Stab und einem pentagonartigen System für die Stromrückführung, die der Homogenisierung des azimutalen Magnetfeldes dient.

Das Taylor-Couette-Experiment wird typischerweise im hydrodynamisch stabilen Regime betrieben, welches durch einen nach außen wachsenden Drehimpuls gekennzeichnet ist. Die helikale MRI (MRI) tritt dann als axialsymmetrische wandernde Welle auf, wenn die Stärke des azimutalen Feldes mit derjenigen des Axialfeldes vergleichbar ist (Abbildung 3). Für ein reines oder sehr dominantes Azimutalfeld wird hingegen die nicht-axialsymmetrische azimutale MRI (AMRI) angeregt (Abbildung 4).

Abbildung 1: Schema des PROMISE-Experiments, bestehend aus einer mit GaInSn gefüllten Taylor-Couette-Zelle mit Innenradius 4 cm, Außenradius 8 cm und Höhe 40 cm, einer externen Spule zur Erzeugung des Axialfeldes und einem zentralen Kupferrohr zur Erzeugung des Azimutalfeldes.
Abbildung 2: Momentane Ausbaustufe von PROMISE mit einer 20 kA Stromversorgung für das zentrale Rohr und einem pentagonartigen System für die Stromrückführung, die der Homogenisierung des azimutalen Magnetfeldes dient.
Abbildung 3: Ergebnisse zu HMRI. Gemessene Geschwindigkeitsstruktur für wachsenden zentralen Strom, bei einem auf 76 A fixierten Strom in der Spule (oben). Bei einem axialen Strom von etwa 5000 A erscheint HMRI als nach oben wandernde Welle. Experimentell und numerische bestimmte Abhängigkeit des mittleren Geschwindigkeitsquadrats vom axialen Strom (unten).
Abbildung 4: Ergebnisse zu AMRI. Axiale Geschwindigkeitsperturbation for Re = 1480 and Ha = 124: (a) Simulation für ein idealisiertes axialsymmetrisches Feld. (b) Simulation für die realistische Feldgeometrie. (c) Gemessene Geschwindigkeit. (d) Numerisch vorhergesagte Anwachsrate. (e) Simuliertes und gemessenes Geschwindigkeitsquadrat. (f) Driftfrequenz.

Interessante Effekte ergeben sich bei der Untersuchung von AMRI unter dem Einfluss radialer Temperaturgradienten. Diese entstehen z. B. durch die thermische Abstrahlung des zentralen stromdurchflossenen Kupferrohr. In diesem Fall wird die Symmetrie der nach oben und unten wandernden AMRI-Wellen gebrochen, so das die Instabilität die Form eines "einflügeligen Schmetterlings" annimmt.

Im Zusammenhang mit PROMISE wurden auch zwei neue Formen der MRI gefunden, die für den Fall auftreten, dass die Rotation des Außenzylinders schneller ist als die des Innenzylinders. Die "Super-HMRI" genannte Variante, die möglichewiese für die Destabilisierung der äquatornahen Bereich der solaren Tachokline relevant sein kann, soll im MATISSE-Experiment im Rahmen des DRESDYN-Projektes untersucht werden.

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