Члены группы доктор Тилль Цюрнер и Феликс Шиндлер (слева направо) исследуют поведение течения в жидких металлах. Предоставлено: А. Вирсиг / HZDR.

Температура глубоко внутри Земли настолько высока, что часть ее железного ядра находится в жидком состоянии. Это жидкое железо находится в постоянном движении, постоянно взбалтывается и циркулирует. Он действует как динамо-машина, заставляя генерироваться магнитное поле нашей планеты. Одной движущей силой этого сложного поведения потока железа является вращение Земли, а другой — то, что называется «конвекцией», вызванной разницей температур: подобно тому, как теплый воздух поднимается над радиатором, где он вытесняет более холодный воздух, относительно горячий. железо в ядре Земли перемещается в более холодные области, что приводит к передаче тепла .

Однако пока мало что известно о том, как эти процессы происходят в деталях. Чтобы лучше понять их, экспертам приходится полагаться на теоретические расчеты и компьютерное моделирование, а также на эксперименты, моделирующие происходящее — хотя бы в некоторой степени — в лабораторных масштабах.

Один из таких экспериментов был проведен недавно в Институте гидродинамики HZDR. «Мы взяли два цилиндрических сосуда — относительно небольшой, размером с ведро, и другой в форме бочки объемом 60 литров», — объяснил руководитель проекта доктор Тобиас Фогт. «Мы наполнили эти сосуды металлическим сплавом индия, галлия и олова, который жидкий при комнатной температуре». Специалисты нагревали дно сосудов, охлаждая верх, создавая разницу температур до 50 градусов по Цельсию между верхними и нижними слоями.

Ультразвук обеспечивает углубленный обзор

Эта существенная разница температур вызвала взбалтывание жидкого металла внутри сосудов: за счет конвекции локально более теплые области потока, такие как колонны, поднимались и смешивались с более холодными частями — подобно лавовой лампе. Однако, поскольку металлический сплав, используемый командой, непрозрачен, им пришлось прибегнуть к специальной аналитической технике: «Это ультразвуковой метод, используемый в медицине», — пояснил доктор Свен Эккерт, руководитель отдела магнитогидродинамики в HZDR. «Мы установили около 20 ультразвуковых датчиков на сосуды, что позволило нам определить, как жидкий металл течет внутри них».

При анализе данных исследовательская группа сделала удивительное открытие. В ходе экспериментов эксперты ожидали обнаружить скопление отдельных областей потока, чтобы сформировать более крупную и обширную структуру, известную как крупномасштабная циркуляция. «Это сравнимо с тепловым ветром, который способен очень эффективно переносить тепло между верхом и низом», — сообщил Фогт. «Мы действительно смогли наблюдать этот термальный ветер на меньшем судне, но на более крупном судне, бочке, большие перепады температур привели к почти полному разрушению ветра». Это означало, что тепло не передавалось так эффективно, как можно было бы ожидать. «Мы считаем, что причиной этого является образование турбулентности гораздо меньшего масштаба, а не нескольких больших завихрений, которые затрудняют перенос тепла менее эффективен», — заявил Фогт.

Последствия для аккумуляторных технологий

Эти новые открытия могут иметь значение для того, что происходит в ядре Земли: «Чтобы понять, что происходит, эксперты пытаются экстраполировать результаты лабораторных экспериментов на масштабы Земли», — пояснил Свен Эккерт. «Но теперь мы показали, что при определенных условиях тепло передается менее эффективно, чем предполагалось в предыдущих экспериментах». Это означает, что прогнозы для Земли, вероятно, также будут давать разные значения. «Однако реальные процессы в ядре Земли во много раз сложнее, чем в наших лабораторных экспериментах», — добавил Тобиас Фогт. «Например, на поток жидкого железа также влияет магнитное поле и вращение Земли — в конечном счете, мы очень мало знаем об этих процессах течения ».

На самом деле, новые результаты могут также оказаться актуальными для технологий, особенно в областях, связанных с жидкими металлами. Например, жидкие металлы используются в некоторых типах батарей, а также в будущих солнечных электростанциях и термоядерных реакторах. Чтобы иметь возможность еще ближе изучить перенос тепла в жидких металлах, команда HZDR в настоящее время работает над передовым аналитическим методом. «Ожидается, что специальные индукционные датчики будут регистрировать потоки еще более подробно, чем раньше, и создавать настоящие трехмерные изображения», — отметил Свен Эккерт. «Наши первоначальные измерения очень многообещающие».