Der Geodynamo - so macht die Erde ihr Magnetfeld
Forschungszentrum Karlsruhe gelingt weltweit erste Simulation des Erdmagnetfeldes im Labor
Das Dynamomodul (Außenansicht) ist das zentrale Element des Experimentes zum Geodynamo. Im Dynamomodul werden die Natriumströmungen erzeugt, in denen sich ein stabiles Magnetfeld ausbildet.
Entstehung des Magnetfeldes der Erde
Das Magnetfeld der Erde entsteht dadurch, dass Materie - im Wesentlichen flüssige Metalle - im Erdinnern unter dem Einfluß physikalischer Kräfte schraubenförmige Bewegungen ausführt. Unter bestimmten Bedingungen soll dabei ein sich selbst erhaltendes Magnetfeld entstehen, der so genannte Geodynamo. Diese Theorie wurde nun bestätigt. Mit einem aufwendigen Experiment konnte im Forschungszentrum Karlsruhe gezeigt werden, dass der Geodynamo wirklich funktioniert: In einer Versuchsanordnung mit flüssigem Natrium, in der die Materieströme im Erdinnern simuliert wurden, baute sich ein dauerhaftes Magnetfeld auf.
Das Magnetfeld der Erde ist nicht stabil. Es ändert seine Stärke und seine Lage. Außerdem hat es sich im Laufe der Erdgeschichte mehrmals umgepolt - Nordpol und Südpol wurden vertauscht. Das Magnetfeld bietet der Erde Schutz vor geladenen Teilchen aus dem Weltall und erzeugt mit diesen Teilchen Polarlichter. Für Generationen von Seefahrern und Fernreisenden war das Magnetfeld eine wichtige Orientierungshilfe. Über seine Entstehung konnte bisher nur spekuliert werden.
Für einen Permanentmagneten ist es im Erdinnern zu heiß. Damit kommen als Ursachen für das Magnetfeld vor allem großräumige Strömungen eines elektrisch leitfähigen Mediums im Innern der Erde in Frage. Diese Flüssigkeitsbewegungen, die durch Temperaturunterschiede im Erdinnern sowie durch die Rotation der Erde angetrieben werden, können aus kleinen Instabilitäten ein sich selbst stabilisierendes Magnetfeld aufbauen. Für diese allgemein akzeptierte Theorie fehlte bisher jedoch der experimentelle Beweis.
Dieser Nachweis - dass eine rotierende, elektrisch leitende Flüssigkeit ein sich selbst stabilisierendes Magnetfeld erzeugen kann - konnte jetzt im Forschungszentrum Karlsruhe geführt werden: Flüssiges Natrium wurde in einem Versuchsaufbau auf Bahnen gezwungen, die den vermuteten Bewegungen im flüssigen Erdkern entsprechen. Tatsächlich zeigten die Messinstrumente nach kurzer Zeit ein stabiles Magnetfeld. Während des ersten Versuchs änderte das Magnetfeld in einem Zeitraum von zehn Minuten seine Lage innerhalb der Versuchsanordnung nur leicht. Damit gelang es weltweit zum ersten Mal, das Erdmagnetfeld im Labor zu simulieren.
"Wir haben über fünf Jahre ein echtes Großexperiment vorbereitet. Denn in kleinem Maßstab läßt sich der Effekt aus verschiedenen Gründen nicht realisieren", erläutert Dr. Robert Stieglitz, Leiter des Versuchs im Institut für Kern- und Energietechnik des Forschungszentrums Karlsruhe. "Für das Experiment bestand im Forschungszentrum eine einmalige, nicht wiederkehrende Chance, weil aus der früheren Brutreaktorentwicklung noch sehr viel Know-how über das Verhalten von flüssigem Natrium vorhanden ist - dies wird in wenigen Jahren durch Altersabgänge verloren gegangen sein. Außerdem konnten wir auf Bauteile von früheren Versuchseinrichtungen zurückgreifen. So haben wir Komponenten des Schnellen Brüters in Kalkar und des natrium-gekühlten Versuchsreaktors KNK II im Forschungszentrum Karlsruhe verwendet."
Die Kosten für das Großexperiment lagen im Forschungszentrum bei 13,5 Mio. DM. Das Experiment wurde in Zusammenarbeit mit dem Physikalischen Institut der Universität Bayreuth und dem Astrophysikalischen Institut Potsdam durchgeführt. Die Kooperation wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
In einem nächsten Schritt soll das Experiment wiederholt und auf komplexere Prozesse ausgedehnt werden.
Wissenschaftlicher Hintergrund
Im Innern der Erde bilden sich zwischen dem heißen Kern und der kühleren Kruste Konvektionsströmungen aus. Heißes Material steigt nach oben, kühleres Material sinkt nach unten; es entstehen walzenförmige Strömungen, die von der Schwerkraft der Erde angetrieben werden.
Eine weitere wichtige Kraft kommt durch die Drehbewegung der gesamten Erde zustande: die Corioliskraft, die auch die Wirbel in der Atmosphäre erzeugt. Unter dem Einfluß der Corioliskraft bildet die Konvektionsströmung schraubenförmige Strömungsmuster parallel zur Erdachse aus. Diese Konvektionsströmungen können sich in einem Laborexperiment nicht von alleine ausbilden; sie werden simuliert, indem flüssiges Natrium durch eine entsprechende Versuchsgeometrie gepumpt wird.
In der Magnetohydrodynamik, der Theorie strömender leitender Medien in magnetischen Feldern, kann gezeigt werden, dass in solchen Strömungen kleinste magnetische Felder, wie sie durch Instabilitäten hervorgerufen werden, sich selbst verstärken können. Die physikalische Ursache ist der so genannte a-Effekt: Durch Streckung und Verwindung magnetischer Feldlinien in Strömungsfeldern entstehen zusätzliche elektrische Ströme und daraus wieder neue magnetische Felder, die die ursprünglichen verstärken.
Wegen der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes strahlt die Erde elektromagnetische Strahlung ab. Würde nicht ständig Energie nachgeliefert, wäre das Magnetfeld in einigen zehntausend Jahren verschwunden. Aus geologischen Messungen weiß man aber, dass das Magnetfeld schon mindestens 3,6 Milliarden Jahre alt ist. Die zu seinem Erhalt erforderliche Energie stammt aus großräumigen Strömungen im Erdinnern. Mechanische Energie wird dabei in elektromagnetische Energie umgewandelt; dies ist die Wirkungsweise eines Dynamos. Ein Fahrraddynamo stellt Energie für die Beleuchtung zur Verfügung. Der Geodynamo stellt die Energie für das Aufrechterhalten des Magnetfeldes bereit. Anders als in technischen Dynamos geschieht dies hier in einer homogenen Flüssigkeit. Der Geodynamo ist deswegen ein so genannter homogener Dynamo.
Die entscheidende physikalische Größe, die bestimmt, ob in einer Strömung ein Dynamoeffekt möglich ist oder nicht, ist die magnetische Reynoldszahl. Sie hängt ab von der räumlichen Ausdehnung des Experiments, von den magnetischen und elektrischen Eigenschaften des strömenden Materials und von dessen Strömungsgeschwindigkeit. Im Innern der Erde sind diese Faktoren nach derzeitigem Erkenntnisstand groß genug. Im Labor müssen die Materialeigenschaften und die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend gewählt werden, damit die magnetische Reynoldszahl ausreichend groß wird. Deshalb kann man ein solches Experiment nur in einer relativ ausgedehnten Versuchseinrichtung durchführen.
Als Material wurde das Metall Natrium gewählt, das bei Temperaturen über 97 °C flüssig wird. Zur Simulation der Strömung im Erdinnern wurde ein so genanntes Dynamomodul gebaut, in dessen Innerem flüssiges Natrium durch Pumpen auf schraubenförmige Bahnen gezwungen wurde.
Experimentaufbau
Das Experiment konnte nur realisiert werden, weil im Forschungszentrum Karlsruhe einerseits langjährige Erfahrungen im Betrieb von Natriumanlagen vorliegen, andererseits vielfältige Anlagenkomponenten wie Pumpen, Ventile und Rohrleitungen aus früheren Technologieentwicklungen vorhanden waren.
Das Experiment wurde auf mehreren Ebenen in einer Versuchshalle des Instituts für Kern- und Energietechnik errichtet.
Wichtigster Bestandteil des Experiments ist das Dynamomodul mit drei Natriumkreisläufen, in denen bei einer Temperatur von 130 °C jeweils 150 m³ flüssiges Natrium pro Stunde fließen. Die Schraubenbewegung, der Drall, wird durch 52 zylinderförmige Drallerzeuger verursacht. Das Dynamomodul hat einen Durchmesser von knapp 2 Metern, die Höhe der Drallerzeuger beträgt ungefähr 1 Meter. Das Dynamomodul wurde in den Werkstätten des Forschungszentrums gebaut.
Um das flüssige Natrium ständig von Verunreinigungen und Gasen zu befreien, wurde ein Bypass-Kreislauf mit Kühlfalle installiert. Der größte Teil der Pumpleistung wird in Druckverluste innerhalb des Dynamomoduls und damit letztlich in Wärme umgewandelt. Das Natrium muss deswegen ständig gekühlt werden, weil sich seine Leitfähigkeit mit steigender Temperatur stark verringert. Die Kühlung erfolgte über drei Natrium-Wasser-Wärmetauscher. Sowohl die Pumpen als auch die Wärmetauscher stammen aus dem früheren natrium-gekühlten Versuchsreaktor KNK II des Forschungszentrums Karlsruhe.
Wegen der Verwendung von flüssigem Natrium mußte eine Vielzahl von Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden; die Sicherheit der Anlage wurde durch Gutachter untersucht und vom TÜV bestätigt.
Joachim Hoffmann 22. Januar 2000
