Kontakt
Dr. Frank Stefani
Leiter Geo- und Astrophysik
f.stefani
hzdr.de
Tel.: +49 351 260 3069
Die Tayler Instabilität
Fließt ein elektrischer Strom durch einen flüssigen Leiter, so kann dies zum Auftreten der sogenannten Tayler Instabiltiät (TI) führen. Sobald der Strom einen gewissen Wert (einige Kiloampere) übersteigt, treibt die Tayler Instabilität eine Fluidströmung. Die TI wurde zum ersten Mal am HZDR experimentell nachgewiesen (Seilmayer et al., Phys. Rev. Lett. 108 (2012), 244501). Ein elektrischer Strom von bis zu 8 kA wurde dazu durch eine zylindrische Flüssigmetall-Säule (gefüllt mit GaInSn) geschickt. Bei Strömen größer als 2.5 kA kann eine Fluidströmung wie in Abb. 2 beobachtet werden.
|
|
|
| Abb. 1: Aufbau zum experimentellen Nachweis der Tayler Instabilität. |
Abb. 2: Simuliertes Strömungsfeld der Tayler Instabilität im Experiment. |
Die Tayler Instabilität limitiert die Skalierbarkeit von Flüssigmetallbatterien. Sie tritt aufgrund der hohen Leitfähigkeit und geringen Dichte zunächst in der Anode (obere Elektrode) einer Flüssigmetallbatterie auf. Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten einige 10 cm/s erreichen, kann die Elektrolytschicht von der Strömung deformiert werden. Es besteht dabei die Gefahr eines Kurzschlusses der Zelle (Abb. 3). Um dies zu verhindern, wurden am HZDR verschiedene Maßnahmen entwickelt, um die Tayler Instabilität zu unterdrücken (Abb. 4). In diesem Zusammenhang entstand ein 3-dimensionales numerisches Modell der Zelle, welches in der freien CFD Bibliothek OpenFOAM implementiert wurde.
Abb. 3: Die Tayler Instabilität kann eine Flüssigmetallbatterie bei sehr großen Entladeströmen kurzschließen.
Abb. 4: Die Tayler Instabilität kann in Flüssigmetallbatterien mit unterschiedlichen Magnetfeldkonfigurationen effektiv unterdrückt werden.
Neben Flüssigmetallbatterien wird die Tayler Instabilität auch in der Astrophysik, z. B. beim konvektiven Stofftransport in Sternen, dem Auftreten helikaler Strukturen in kosmischen Jets sowie im Zusammenhang mit dem Tayler-Spruit Dynamo diskutiert. Kürzlich beobachtete Helizitäts-Oszillationen der Tayler Instabilität und deren Synchronisierung mit den (sehr schwachen) Planetenkräften könnten möglicherweise den 11 jährigen Sonnenzyklus erklären.
Publikationen
- Stefani, F.; Giesecke, A.; Weber, N.; Weier, T.
On the synchronizability of Tayler-Spruit and Babcock-Leighton type dynamos
Solar Physics 293(2018), 12 - Kelley, D.; Weier, T.
Fluid mechanics of liquid metal batteries
Applied Mechanics Reviews 70(2018) 020801 - Stefani, F.; Galindo, V.; Giesecke, A.; Weber, N.; Weier, T.
The Tayler instability at low magnetic Prandtl numbers: Chiral symmetry breaking and synchronizable helicity oscillations
Magnetohydrodynamics 53(2017)1, 169-178 - Weier, T.; Bund, A.; El-Mofid, W.; Horstmann, G.M.; Lalau, C.-C.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Starace, M.; Stefani, F.; Weber, N.
Liquid metal batteries - materials selection and fluid dynamics
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 228(2017), 012013 - Stefani, F.; Giesecke, A.; Weber, N.; Weier, T.
Synchronized helicity oscillations: A link between planetary tides and the solar cycle?
Solar Physics 291(2016)8, 2197-2212 - Stefani, F.; Galindo, V.; Kasprzyk, C.; Landgraf, S.; Seilmayer, M.; Starace, M.; Weber, N.; Weier, T.
Magnetohydrodynamic effects in liquid metal batteries
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 143(2016), 012024 - Weber, N.; Galindo, V.; Stefani, F.; Weier, T.
The Tayler instability at low magnetic Prandtl numbers: between chiral symmetry breaking and helicity oscillations
New Journal of Physics 17(2015), 113013 - Starace, M.; Weber, N.; Seilmayer, M.; Kasprzyk, C.; Weier, T.; Stefani, F.; Eckert, S.
Ultrasound Doppler flow measurements in a liquid metal column under the influence of a strong axial electric current
Magnetohydrodynamics 51(2015)2, 249-256 - Weber, N.; Galindo, V.; Priede, J.; Stefani, F.; Weier, T.
The influence of current collectors on Tayler instability and electro-vortex flows in liquid metal batteries
Physics of Fluids 27(2015), 014103 - Weber, N.; Galindo, V.; Stefani, F.; Weier, T.
Current-driven flow instabilities in large-scale liquid metal batteries, and how to tame them
Journal of Power Sources 265(2014), 166-173 - Weber, N.; Galindo, V.; Stefani, F.; Weier, T.; Wondrak, T.
Numerical simulation of the Tayler instability in liquid metals
New Journal of Physics 15(2013), 043034 - Seilmayer, M.; Stefani, F.; Gundrum, T.; Weier, T.; Gerbeth, G.; Gellert, M.; Rüdiger, G.
Experimental evidence for a transient Tayler instability in a cylindrical liquid-metal column
Physical Review Letters 108(2012)24, 244501 - Stefani, F.; Weier, T.; Gundrum, T.; Gerbeth, G.
How to circumvent the size limitation of liquid metal batteries due to the Tayler instability
Energy Conversion and Management 52(2011), 2982-2986
Patente
-
DE 10 2013 112 555.7 - 06.11.2014;
EP 3 069 400 B1 - 22.10.2014;
WO/2015/070842
Energiespeicheranordnung, deren Verwendung und Energiespeicherzellenanordnung
Galindo, V.; Gerbeth, G.; Stefani, F.; Weber, N.; Weier, T.
Abstract:Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Energiespeicheranordnung bereitgestellt, wobei diese Folgendes aufweisen kann: mindestens eine elektrochemische Zelle, wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle eine im Betrieb flüssige Anode, einen im Betrieb flüssigen Elektrolyten und eine im Betrieb flüssige Kathode aufweist; eine außerhalb der mindestens einen elektrochemischen Zelle angeordnete Magnetfelderzeugungsstruktur zum Erzeugen eines Magnetfeldes, wobei die Magnetfelderzeugungsstruktur derart eingerichtet ist, dass das erzeugte Magnetfeld die mindestens eine elektrochemische Zelle durchdringt.
