Kontakt

Dr. Frank Stefani

Lei­ter Geo- und Astrophysik
f.stefaniAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3069

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.

Abbildung 1: Das DRESDYN-Gebäude am HZDR. Ansicht von außen mit Werkstatt, Chemielabor und Kontrollraum im linken Flügel sowie der zentralen Halle für die Natriumexperimente. Der rechte Flügel beherbergt die technischen Installationen, z. B. Transformatoren, Argon-Löschanlage und Lüftung.

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.

Abbildung 3: Design des Präzessionsexperiments.
Abbildung 3: Photo des Präzessionsexperiments.

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.

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Video: Videomitschnitt des ersten Wasserexperiments bei einer Behälterrotation von 1 Hz und einer Plattformrotation von 0.1 Hz.

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.

Abbildung 4: Design des MATISSE-Experiments.

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.

Abbildung 5: Die stromgetriebene Tayler-Instabilität kann die Stabilität großer Flüssigmetallbatterien beeinträchtigen.

Weitere Experimente im Rahmen von DRESDYN widmen sich der Entwicklung von Messtechniken für thermohydraulische Anwendungen flüssigen Natriums.


Publikationen