Bij het ontstaan van zwarte gaten spelen de magnetische instabiliteiten een elementaire rol. Maar ze reguleren ook de rotatiesnelheid van samenwer-kende sterren en beïnvloeden het gedrag van de kosmische straling. Voor een beter begrip van de mechanismen zijn laboratoriumexperimenten nodig op de aarde. Het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en het Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) hebben het eerste bewijs geleverd van een dergelijke magnetische instabiliteit, de Tayler-instabiliteit. De bevin-dingen moeten helpen bij de constructie van grote vloeibaar metaal batterijen, die in beeld zijn als goedkope opslagplaats voor hernieuwbare energie.
De Tayler-instabiliteit wordt door astrofysici besproken in het kader van het ontstaan van de neutronensterren. Volgens de theorie moeten deze sterren veel sneller roteren dan ze in werkelijkheid doen. De raadselachtige werking wordt intussen toegeschreven aan de werking van de Tayler-instabiliteit, die het aantal omwentelingen van 1000 s-1 terugbrengt tot ongeveer 10 s-1 à100 s-1.
In de kosmische stralen (materiestromen die loodrecht uitstromen uit de roterende gasschijven in de omgeving van zwarte gaten) worden af en toe structuren waargenomen, die herinneren aan de dubbele helix van het DNA. Ook voor dergelijke structuren zou de Tayler-instabiliteit verantwoordelijk kunnen zijn.
Tayler-instabiliteit
Het in het Helmholtz-Zentrum waargenomen fenomeen werd al in 1973 voorspeld door R.J. Tayler. De naar hem genoemde instabiliteit ontstaat wanneer er een voldoende sterke stroom door een geleidende vloeistof loopt. Vanaf een bepaalde stroomsterkte wekt de wisselwerking van de stroom met zijn eigen magnetisch veld een andere stroming op.
Dat dit fenomeen niet alleen in de kosmos maar ook op aarde kan werken, weten de wetenschappers uit Rossendorf sinds ze zich bezighouden met vloeibaar metaal batterijen. Als dergelijke batterijen als opslagplaats voor regeneratieve energie zouden worden toegepast, zou de realisering op grond van het bij het laden en ontladen ontstaan van de Tayler-instabiliteit ingewikkelder kunnen worden dan werd aangenomen.
Amerikaanse wetenschappers ontwikkelden de eerst prototypen en gaan er vanuit, dat het systeem eenvoudig schaalbaarheid moet zijn. Het Helmholtz-Zentrum betwijfelt dat; ze hebben berekend dat, vanaf een bepaalde stroomdichtheid en batterijgrootte, de Tayler-instabiliteit gegarandeerd zal optreden en ertoe zal leiden dat in de metaallagen een sterke stroming ontstaat. Dit roert de vloeibare lagen om en er ontstaat kortsluiting”.
In een experiment als bewijs van de Tayler-instabiliteit in vloeibaar metaal werd een bij kamertemperatuur vloeibare legering gebruikt van indium, gallium en tin (InGaSn) waar een stroom van 8000 A doorheen werd gestuurd. Om andere oorzaken van de waargenomen instabiliteit uit te sluiten (zoals onregelmatigheden in de geleidbaarheid) maakten de onderzoekers bewust geen gebruik van snelheidssensoren. In plaats daarvan gebruiken ze hooggevoelige magneetveldsensoren. De verkregen data tonen de toename en de kritische stromen van de Tayler-instabiliteit, die opvallend genoeg overeenkwamen met de numerieke voorspellingen.
Vloeibaar metaal batterijen
Bij de kleine Amerikaanse prototypen ontstaat de Tayler-instabiliteit in het begin helemaal niet en de vloeibaar metaal batterijen moeten erg groot zijn voordat ze voorkomen. De onderzoekers zien vloeibaar metaal batterijen met een oppervlakte van 1 m² echter zeker als realistisch. Ze zijn eenvou-dig te produceren als men de vloeistoffen in een groot vat uitschenkt. De lagenstructuur organiseert zichzelf en ze zijn oneindig vaak te laden en ontladen. Dat maakt het economisch interessant.
Een dergelijk systeem kan goed overweg met gecontroleerd belasting-bedrijf, dat continu wisselt tussen afname en toevoer van stroom. Vloeibaar metaal batterijen zouden bij een overschot aan geleverde stroom deze steeds weer afgeven, als de zon niet genoeg schijnt of de windmolens niet draaien.
Het basisprincipe van een vloeibaar metaal batterij is eenvoudig. Omdat vloeibare metalen geleidend zijn, kunnen ze direct dienstdoen als anoden en kathoden. Als men een vat vult met twee geschikte metalen (zodat het zware metaal beneden en het lichtere boven komt) en men scheidt de metalen van elkaar door een laag gesmolten zout, dan ontstaat een galvanische cel. De metalen zijn genegen om zich te vermengen en een legering te vormen.
Omdat de laag gesmolten zout in het midden zit, wordt direct vermengen verhindert. De metaalatomen moeten eerst elektronen afgeven om dan als ionen door het vloeibare zout te geraken. Als zij bij het andere metaal zijn aangekomen, vermengen ze zich terwijl ze elektronen opnemen. Bij het laden wordt dat proces omgekeerd en wordt de legering weer in zijn oor-spronkelijke bestanddelen teruggebracht.
Om bij grote batterijen de Tayler-instabiliteit en daarmee de kortsluiting te vermijden, stellen de onderzoekers voor een inwendige pijp te gebruiken, waardoor de stroom wordt terug gevoerd. Hierdoor zijn de afmetingen van de batterijen beduidend groter te maken.
Kosmische velden in het laboratorium
Het eerste experimentele bewijs van het homogeen dynamo effect, dat bijvoorbeeld verantwoordelijk is voor het magnetisch veld van de aarde en de zon, leverden de onderzoekers uit Rossendorf in 1999 samen met collega’s uit Riga. In een gemeenschappelijke actie met het Leibniz-Institut in Potsdam kon vervolgens in 2006 de zogenaamde magnetro-rotatie- instabiliteit worden gesimuleerd , die verklaart waarom sterren en zwarte gaten kunnen groeien.
In het kader van een toekomstig project Dresdyn bereiden de onderzoekers op dit moment twee grote experimenten voor met vloeibaar natrium, waarmee het dynamo-effect onder invloed van enerzijds precessie en anderzijds combinatie van magnetische instabiliteiten zal worden onder-zocht.
