Un schéma représentant l'expérience dynamo Von-Kármán-Sodium, avec le rectangle rouge montrant la partie simulée de l'écoulement entre les deux pales. Crédit :Varela/Brun/Dubrulle/Nore
Le massif, le barattage du noyau de liquides conducteurs dans les étoiles et certaines planètes crée une dynamo qui génère le champ magnétique du corps planétaire. Les chercheurs visent à mieux comprendre ces dynamos grâce à des simulations informatiques et en les recréant en laboratoire à l'aide de canisters de rotation rapide, sodium liquide.
Une nouvelle simulation basée sur l'expérience dynamo von-Kármán-Sodium (VKS), co-animé par le Commissariat à l'énergie atomique (CEA), le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris et Lyon, examine de plus près comment le vortex liquide créé par l'appareil génère un champ magnétique. Les chercheurs ont étudié les effets de la résistivité des fluides et de la turbulence sur la collimation du champ magnétique, où le vortex devient un flux focalisé. Ils rapportent leurs découvertes cette semaine dans le journal Physique des plasmas , des éditions AIP.
L'étude est la première à examiner le flux à l'intérieur des pales de barattage à haute résolution, et peut offrir des moyens d'améliorer les dynamos de laboratoire afin qu'ils recréent plus précisément les observations astronomiques stellaires.
"Nous l'espérons, à l'avenir, on peut mieux décrire les flux, " a déclaré l'auteur principal Jacobo Varela, maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire national d'Oak Ridge. « En utilisant cette approche, nous pouvons commencer à comprendre la dynamo que l'on observe dans les étoiles."
Les dynamos transforment l'énergie cinétique en énergie magnétique en transformant la rotation d'un fluide ou d'un plasma électriquement conducteur en un champ magnétique. Dans la dynamo VKS, deux aubes de roue de part et d'autre d'un cylindre rempli de sodium liquide créent des turbulences, qui peut générer le champ magnétique.
Les mécanismes qui créent ce champ, cependant, sont mal compris. D'autres chercheurs ont effectué des simulations globales de dynamos au sodium, mais les modèles ont donné des résultats à faible résolution. Cette recherche modélise l'écoulement en forme de vortex dans une petite région à côté d'une roue à l'intérieur de la dynamo VKS.
L'évolution du tourbillon du vortex, au fur et à mesure que le modèle progresse de 37 secondes et 42 secondes. L'augmentation des turbulences dans l'écoulement provoque des variations dans le tourbillon et conduit à un cyclage périodique du champ magnétique, tel qu'on l'observe avec le soleil. Crédit :Varela/Brun/Dubrulle/Nore
« Les flux hélicoïdaux entre les aubes de la roue collimatent le flux qui renforce le champ magnétique et génère le champ observé dans l'appareil, " dit Varela.
Les chercheurs ont simplifié la géométrie de l'appareil et construit des simulations magnétohydrodynamiques ciblées pour comprendre comment la turbulence de l'écoulement et les caractéristiques matérielles de l'appareil affectent la collimation du champ magnétique.
« Nous avons constaté que lorsque vous utilisez des matériaux ferromagnétiques magnétisés, il y a une augmentation effective de la collimation du champ magnétique, résultant en un seuil de dynamo inférieur, et c'est ce qu'ils ont observé dans l'expérience, " dit Varela.
En revanche, en utilisant des matériaux conducteurs dans la simulation de collimation de champ affaibli. Cette découverte peut expliquer pourquoi les chercheurs peuvent déclencher plus facilement l'action de la dynamo dans les expériences VKS lorsqu'ils utilisent des roues en fer doux.
Les chercheurs ont également analysé leurs résultats dans le contexte de la théorie de la dynamo à champ moyen, qui tente d'expliquer comment les étoiles et les planètes entretiennent leurs champs magnétiques. Au fur et à mesure que la turbulence augmentait dans la simulation, le champ magnétique est passé d'un régime constant de 1 à 1 avec des oscillations périodiques, comme celles observées dans certaines étoiles. Le champ magnétique du soleil, par exemple, change de polarité tous les 11 ans environ, qui est le produit de sa turbulence et de la vitesse de sa rotation.
Varela et ses collègues du CNRS continuent de développer le modèle pour refléter la géométrie réelle de l'appareil. Ils prévoient d'étudier des paramètres supplémentaires, tels que la forme de la lame et le fond du champ magnétique, afin qu'ils puissent simuler plus étroitement les performances de l'appareil et tester des moyens d'optimiser la machine.
"La simulation que nous effectuons n'est que la toute première étape, mais avec le modèle que nous avons maintenant, nous pouvons saisir une grande partie de la physique qu'ils observent dans l'expérience de dynamo VKS, " a déclaré Varela. "Nos observations et les données de la machine nous donneront beaucoup plus de preuves de la boucle dynamo dans les étoiles et autres objets astronomiques."
