BULLETIN Nr. 43 April 2000

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1 AVES Pfannenstil Aktion für vernünftige Energiepolitik Schweiz (AVES) Regionalgruppe Pfannenstil Postfach CH Wald Postkonto BULLETIN Nr. 43 April 2000 Ein Modell des Erdmagnetismus dank Know-how aus der Reaktortechnik Dass gewisse Steine die Eigenschaft haben, sich in Nord-Süd-Richtung einzustellen, wenn sie frei beweglich sind, ist bereits seit über 3000 Jahren bekannt. Die Verwendung eines Südweisers in China wurde erstmals 1160 v. Chr. erwähnt. Wie jedoch diese Ausrichtung eines Kompasses zustande kommt, blieb lange Zeit unbekannt. Erst um 1600 wurde der Magnetismus systematisch untersucht, und 1820 entdeckte Oerstedt, dass elektrische Ströme magnetische Wirkungen hervorrufen. Es wurde klar, dass sich der Kompass infolge magnetischer Kräfte ausrichtet. Wie aber die Erde ihr Magnetfeld erzeugt, war immer noch rätselhaft. Zahlreiche Erklärungsansätze scheiterten beim Vergleich mit den empirisch bekannten Eigenschaften der Erdmagnetfeldes entdeckten W.M. Elsasser und E.C. Bullard, dass in einer geeigneten Anordnung einer Spule und einer rotierenden Metallscheibe von selbst ein Stromfluss und ein Magnetfeld entstehen kann. Stromfluss und Magnetfeld bewirken sich gegenseitig, und die ganze Anordnung wird zu einem selbsterhaltenden Dynamo. Elsasser und Bullard entwickelten eine Theorie, die erklärt, wie durch die Strömungen flüssiger Metalle im Erdinnern ein solcher selbsterhaltender Dynamo zustande kommt. Dass ein solcher Prozess tatsächlich funktioniert, konnte jetzt im Forschungszentrum Karlsruhe erstmals im Modellexperiment gezeigt werden. Im folgenden wird der Text der Pressinformation 2/2000 des Forschungszentrums wiedergegeben. Der Geodynamo so macht die Erde ihr Magnetfeld Forschungszentrum Karlsruhe gelingt weltweit erste Simulation des Erdmagnetfeldes im Labor J. Hoffmann 1 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 1 Dr. Joachim Hoffmann, Leiter der Stabsabteilung Öffentlichkeitsarbeit.

2 2 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 jedoch bisher 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 Forschungszentrum 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 Prozess 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 2, die auch die Wirbel in der Atmosphäre erzeugt. Unter dem Einfluss der Corioliskraft 2 Die Wirkung der Corioliskraft kann an folgendem einfachen Beispiel veranschaulicht werden. Auf einem schnell rotierenden Karussell stehe im Zentrum ein Kunstschütze und ziele auf eine Zielscheibe am äusseren Rand des Karussells. Er schiesst und verfehlt das Zentrum der Scheibe. Für den Beobachter, der von aussen zusieht, ist die Situation klar. Da das Karussell sich dreht, verschiebt sich die Zielscheibe um eine

3 3 bildet die Konvektionsströmung schraubenförmige Strömungen parallel zur Erdachse aus. Diese Konvektionsströmungen können sich in einem Laboratoriumsexperiment nicht von alleine ausbilden; sie wurden simuliert, indem flüssiges Natrium durch eine entsprechende Versuchgeometrie 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 α-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 E- nergie 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 derzeitigen Erkenntnissen gross genug. Im Labor müssen die Materialeigenschaften und die Strömungsgeschwindigkeiten 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 m 3 flüssiges Natrium pro Stunde fliessen. Die Schraubenbewegung, der Drall, wird durch 52 zylinderförmige Drallerzeuger verursacht. Das Dykleine Strecke in der Zeit, während der das Geschoss vom Zentrum zum Rand unterwegs ist. Wenn sich das Karussell von oben gesehen im Uhrzeigersinn dreht, verschiebt sich die Zielscheibe vom Schützen aus gesehen nach rechts, und das Geschoss wird daher links vom Zentrum der Zielscheibe einschlagen. Wenn der Schütze den Vorgang mit den üblichen Gesetzen der Mechanik in seinem rotierenden Bezugssystem erklären will, bleibt ihm nichts anderes übrig, als anzunehmen, dass auf das Geschoss eine nach links gerichtete Kraft eingewirkt hat. Diese Kraft, die in rotierenden Bezugssystemen auf bewegte Körper wirkt, wird Corioliskraft genannt. [A.R.]

4 4 namomodul hat einen Durchmesser von knapp 2 Metern, die Höhe der Drallerzeuger beträgt ungefähr 1 Meter. Das Dynamomodul wurde in den Werkstätten des Forschungszentrums gebaut. In der linken Bildhälfte ist der innere Aufbau der Erde vereinfacht dargestellt. Über dem festen Kern (a) liegt ein flüssiger Kern (b), darüber der zähflüssige Erdmantel (c), der bis zur festen Erdkruste reicht. Sowohl im flüssigen Erdkern als auch im Erdmantel können sich aufgrund von Temperaturunterschieden walzenförmige Bewegungen ausbilden, die sich durch die zusätzlich wirkende Corioliskraft aufgrund der Drehbewegung der Erde (Ω) zu der im rechten Bildteil dargestellten schraubenförmigen Bewegung ausprägen. Diese schraubenförmige Bewegung wird im Dynamomodul, dem zentralen Baustein des Karlsruher Experiments, simuliert. Das Experiment hat gezeigt, dass sich darin ein stabiles Magnetfeld ausbildet. So funktioniert der Geodynamo, der das Magnetfeld der Erde antreibt. Das Dynamomodul (Aussenansicht) ist das zentrale Element des Experimentes zum Geodynamo. Im Dynamofeld werden die Natriumströmungen erzeugt, in denen sich ein stabiles Magnetfeld ausbildet. 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.

5 5 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. Im Inneren des Dynamomoduls sind die Rohrleitungen für die Zufuhr des flüssigen Natriums sichtbar. Unter der Deckplatte liegen die Drallerzeuger, in denen das Natrium auf schraubenförmige Bahnen gezwungen wird. Die drei weissen Kanäle, die sich in der Mitte treffen, enthalten Spulen zur Messung des entstehenden Magnetfeldes.