Les flux de métal en fusion peuvent générer des champs magnétiques. Cet effet dit dynamo crée des champs magnétiques cosmiques, comme ceux que l'on trouve sur les planètes, des lunes et même des astéroïdes. Dans les années à venir, des chercheurs mènent une expérience unique dans laquelle un fût en acier contenant plusieurs tonnes de sodium liquide tourne autour de deux axes afin de démontrer cet effet. Il sera réalisé dans la nouvelle installation DRESDYN au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un laboratoire de recherche allemand indépendant. Une étude, récemment publié dans Lettres d'examen physique , rapporte les chances de succès de l'expérience.

De la même manière qu'une dynamo de bicyclette convertissant le mouvement en électricité, les fluides conducteurs en mouvement peuvent générer des champs magnétiques. Le nombre de Reynolds magnétique (le produit de la vitesse d'écoulement du fluide, dilatation et conductivité) détermine principalement si un champ magnétique est réellement généré.

Au cours de l'expérimentation, Les scientifiques de l'équipe de Frank Stefani à l'Institut de dynamique des fluides du HZDR visent à atteindre la valeur critique requise pour l'apparition de l'effet dynamo. Dans ce but, un cylindre en acier de deux mètres de diamètre contenant huit tonnes de sodium liquide va tourner autour d'un axe jusqu'à 10 fois par seconde et une fois par seconde autour d'un autre axe qui est incliné par rapport au premier. Le terme technique pour ce mouvement, qui est souvent comparée à une toupie inclinée, est la précession.

« Notre expérimentation sur la nouvelle installation de DRESDYN vise à démontrer que la précession, en tant que moteur naturel de flux, suffit à créer un champ magnétique, " dit André Giesecke, auteur principal de l'étude. Dans ses simulations et lors des expériences d'accompagnement sur l'eau utilisant une maquette six fois plus petite que le montage expérimental, les scientifiques ont examiné la structure de l'écoulement entraîné par la précession.

"À notre surprise, nous avons observé une structure symétrique à double rôle dans une plage spécifique du taux de précession, qui devrait fournir un effet dynamo à un nombre de Reynolds magnétique de 430, " dit le physicien.

Le centre de la Terre est constitué d'un noyau solide entouré d'une couche de fer en fusion. "Le métal en fusion induit un courant électrique, qui à son tour génère un champ magnétique, " explique Giesecke. La croyance commune est que la convection entraînée par la flottabilité, avec la rotation de la Terre, est responsable de cette géodynamo. Cependant, le rôle joué par la précession dans la formation du champ magnétique terrestre n'est toujours pas clair.

L'axe de rotation de la Terre est incliné de 23,5 degrés par rapport à son plan orbital. L'axe de rotation change de position sur une période d'environ 26, 000 ans. Ce mouvement précessant à travers l'espace est considéré comme l'une des sources possibles d'énergie pour la géodynamo. Il y a des millions d'années, la lune avait aussi un puissant champ magnétique, comme l'indiquent les échantillons de roches des missions Apollo. D'après les experts, la précession aurait pu être la cause principale.

Les expériences sur le sodium liquide au HZDR devraient commencer en 2020. Contrairement aux expériences précédentes en laboratoire de geodynamo, il n'y aura pas d'hélice à l'intérieur du tambour en acier, comme cela a été utilisé dans la première expérience réussie de dynamo à Riga, Lettonie, en 1999, auquel les scientifiques du HZDR ont participé. Ceci et d'autres expériences à Karlsruhe, Allemagne et Cadarache, La France, a fourni des recherches novatrices pour une meilleure compréhension de la géodynamo.

"En principe, on peut définir trois paramètres différents pour les expérimentations à DRESDYN :rotation, la précession et l'angle entre les deux axes, " dit Giesecke. Lui et ses collègues espèrent obtenir des réponses à la question fondamentale de savoir si la précession produit réellement un champ magnétique dans un fluide conducteur. De plus, ils sont intéressés à savoir quels composants du flux sont responsables de la création du champ magnétique, et le point auquel la saturation se produit.

Double rôle dans le Conteneur

« Dans les simulations, nous avons découvert que les ondes d'inertie stationnaires se produisent dans une large gamme de paramètres. Dans une certaine plage, cependant, nous avons maintenant remarqué une structure à double rôle caractéristique qui s'avère extrêmement efficace pour l'effet dynamo. En principe, nous connaissons déjà une telle structure de vitesse grâce à l'expérience française de dynamo, dans lequel il a été artificiellement produit par deux hélices, tandis que dans notre expérience de précession, cela devrait émerger naturellement. »

Les chercheurs du HZDR ont utilisé une technologie à ultrasons spéciale pour mesurer la structure de l'écoulement. « Nous avons été très surpris de voir à quel point les données de l'expérience correspondent aux résultats de la simulation. Nous avons donc une prédiction extrêmement robuste pour la grande expérience DRESDYN. Par exemple, nous savons à quelles vitesses de rotation l'effet dynamo se produit et à quelles structures de champ magnétique nous pouvons nous attendre, " dit Giesecke.

La communauté scientifique impliquée dans les dynamos attend avec impatience les résultats de l'expérience envisagée, qui fonctionnera aux limites de la faisabilité technique à bien des égards. « Nous attendons également des informations détaillées sur la dynamique générale des écoulements de métaux liquides sous l'influence des champs magnétiques. Cela nous permettra de tirer des conclusions sur les écoulements dans le secteur industriel, " selon Giesecke.

Et pour couronner le tout, la tomographie à flux magnétique développée au HZDR dans le cadre de ses recherches sur la dynamo intéresse de nombreux domaines de la fonderie d'acier et de la cristallisation.