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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.

Experiment Tayler instability Fluid flow of the Tayler instability in the experiment Flow Tayler instability
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.

Tayler Instabilität Kurzschluss

Abb. 3: Die Tayler Instabilität kann eine Flüssigmetallbatterie bei sehr großen Entladeströmen kurzschließen.

Stabilisierung Tayer Instabilität

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.


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