DRESDYN
Das Infrastrukturprojekt DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies) beinhaltet einerseits große Experimente mit flüssigem Natrium, mit denen verschiedene geo- und astrophysikalische Fragen untersucht werden sollen. Andererseits dient es auch der Bearbeitung technologischer Probleme beim Einsatz von Flüssigmetallen in der Energietechnik. Abbildung 1 zeigt die Außenansicht des DRESDYN-Gebäudes.
Präzessionsgetriebener Dynamo
Das ambitionierteste Projekt im Rahmen von DRESDYN ist ein präzessionsgetriebener Dynamo (Abbildungen 2 und 3), mit dem untersucht werden soll, ob und unter welchen Bedingungen Präzession eine mögliche Ursache planetarer Dynamos darstellt. Den Kern dieses Experimentes bildet ein mit flüssigem Natrium gefüllter Behälter von 2 m Durchmesser, der aus einem zentralen Zylinder mit 2 m Höhe und zwei konischen Endstücken besteht. Dieser Behälter soll mit 10 Hz um seine zentrale Achse, sowie mit bis zu 1 Hz um eine dazu geneigte Achse rotieren. In Abhängigkeit vom Verhältnis dieser beiden Rotationsraten, sowie vom Winkel zwischen den beiden Achsen, stellen sich verschiedene Strömungszustände ein, die in Hinblick auf ihre Eignung zur Selbsterregung eines Magnetfeldes untersucht werden.
Im November und Dezember 2024 wurden erste Wasserexperimente mit einer Rotationsrate von 1 Hz. und einer Präzessionsrate von bis zu 0.1 Hz durchgeführt (siehe Video). Dabei wurden die Übergänge zwischen laminarer und turbulenter Strömung an den erwarteten Werten des Präzessionsverhältnisses gefunden.
MATISSE (MAgnetically Triggered flow Instabilities in disks and Stars: A Sodium Experiment)
In einem zweiten Experiment (Abbildung 4) sollen verschieden Varianten und Kombinationen der Magneto-Rotations-Instabilität (MRI) und der Tayler-Instabilität (TI) erforscht werden. Die MRI wird als Ursache von Turbulenz und Drehimpulstransport in Protosterne und Schwarze Löcher umgebenden Akkretionsscheiben angesehen, ohne die die beobachtete Massenkonzentration in solchen zentralen Objekten nicht erklärbar wäre. Die TI spielt eine wichtige Rolle beim Drehimpulstransport in Neutronensternen, und bildet ein wesentliches Element eines speziellen Modells stellarer Dynamos (Tayler-Spruit-Dynamo). Während die helikale und die azimutale MRI sowie die reine TI bereits in kleineren GaInSn-Experimenten am HZDR nachgewiesen wurden, wird es das neue Experiment mit flüssigem Natrium erlauben, sowohl verschiedene Kombinationen dieser Instabilitäten als auch die Standard-Variante der MRI zu untersuchen.
Neben ihrer astrophysikalischen Bedeutung spielt die TI möglicherweise auch in einer „irdischen“ Anwendung eine wichtige Rolle (Abbildung 5). Dabei geht es um großskalige Flüssigmetall-Batterien, die als vielversprechende Speicher für die stark fluktuierenden erneuerbaren Energien im Gespräch sind. Da die Kosten pro gespeicherte Kilowattstunde mit wachsender Größe der Batterien sinken, wird aus ökonomischer Sicht eine möglichst große Bauart angestrebt. Dabei entstehen in der Batterie aber solche Stromstärken, bei denen die TI in Form von Wirbeln einsetzt, welche die stabile Schichtung des anodischen Materials (Mg,Li,Na), des dünnen Elektrolyten, sowie des kathodischen Materials (Pb,Sb,Bi) durchaus zerstören können. In einem speziellen Teststand sollen verschiedene am HZDR entwickelte Maßnahmen zur Unterdrückung der TI validiert werden.
Weitere Experimente im Rahmen von DRESDYN widmen sich der Entwicklung von Messtechniken für thermohydraulische Anwendungen flüssigen Natriums.
Publikationen
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Stefani, F.; Anders, S.; Eckert, S.; Freyer, N.; Gerbeth, G.;
Giesecke, A.; Gundrum, Th.; Kaever, K.; Kumar, V.; Pizzi, F.;
Räbiger, D.; Šimkanin, J.; Steglich, C.; Vogt, T.; Wagner, N.;
Wedel, G.
The DRESDYN precession experiment
Comptes Rendus. Physique, Online first (2024), 1-19. -
Stefani, F.
Liquid-metal experiments on geophysical and astrophysical phenomena
Nature Reviews Physics 6 (2024), 409-425 -
Mishra, A.; Mamatsashvili, G.; Stefani, F.
Nonaxisymmetric modes of magnetorotational and possible hydrodynamical instabilities in the upcoming DRESDYN-MRI experiments: Linear and nonlinear dynamics
Physical Review Fluids 9 (2024), 033904 -
Giesecke, A.; Vogt, T.; Pizzi, F.; Kumar, V.; García González, F.; Gundrum, T.; Stefani F.
The global flow state in a precessing cylinder
Journal of Fluid Mechanics 998 (2024), A30 -
Kumar, V.; Pizzi, F.; Giesecke, A.; Šimkanin, J., Gundrum, Th.; Ratajczak, M.; Stefani, F.
The effect of nutation angle on the flow inside a precessing cylinder and its dynamo action
Physics of Fluids 35 (2023), 014114 -
Mishra, A.; Mamatsashvili, G.; Stefani, F.
Nonlinear evolution of magnetorotational instability in a magnetized Taylor-Couette flow: Scaling properties and relation to upcoming DRESDYN-MRI experiment
Physical Review Fluids 8 (2023), 083902 -
Mishra, A.; Mamatsashvili, G.; Stefani, F.
From helical to standard magnetorotational instability: Predictions for upcoming liquid sodium experiments
Physical Review Fluids 7 (2022), 064802 -
Pizzi, F.; Giesecke, A.; Simkanin, J.; Stefani, F.
Prograde and retrograde precession of a fluid-filled cylinder
New Journal of Physics 23 (2021), 123016 -
Stefani, F.; Gailitis, A.; Gerbeth, G.; Giesecke, A.; Gundrum, T.; Rüdiger, G.; Seilmayer, M.; Vogt, T.
The DRESDYN project: liquid metal experiments on dynamo action and magnetorotational instability
Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics 113 (2019), 51-70 -
Giesecke, A.; Vogt, T.; Gundrum, T.; Stefani, F.
Kinematic dynamo action of a precession driven flow based on the results of water experiments and hydrodynamic simulations
Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics 113 (2019), 235-255 Online First (2018) -
Giesecke, A., Vogt, T., Gundrum, Th., Stefani, F.
Nonlinear Large Scale Flow in a Precessing Cylinder and Its Ability To Drive Dynamo Action
Phys. Rev. Lett. 120 (2018), 024502 -
Stefani, F., Galindo, V., Kasprzyk, C., Landgraf, S., Seilmayer, M., Starace, M., Weber, N., Weier, T.
Magnetohydrodynamic effects in liquid metal batteries
IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 143 (2016), 012024. -
Stefani, F., Albrecht, T., Gerbeth, G., Giesecke, A., Gundrum, T., Herault, J., Nore, C., Steglich, C.
Towards a precession driven dynamo experiment
Magnetohydrodynamics 51 (2015), 275-284
arXiv:1410.8373 -
Giesecke, A., Albrecht, T., Gundrum, T., Herault, J., Stefani, F.
Triadic resonances in non-linear simulations of a fluid flow in a precessing cylinder
New J. Phys. 17 (2015), 113044 -
Herault, J., Gundrum, T., Giesecke, A., Stefani, F.
Subcritical transition to turbulence of a precessing flow in a cylindrical vessel
Phys. Fluids 27 (2015), 124102 -
Stefani, F., Eckert, S., Gerbeth, G., Giesecke, A., Gundrum, Th., Steglich, C., Weier, T., Wustmann, B.
DRESDYN - A new facility for MHD experiments with liquid sodium
Magnetohydrodynamics 48 (2012), 103-113
arXiv:1201.5737