16:54 2022-05-20
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ S-a constatat că fluxul de metale lichide prezintă turbulențe surprinzătoare
_ S-a constatat că fluxul de metale lichide prezintă surprinzător turbulență
Unele metale sunt sub formă lichidă, primul exemplu fiind mercurul. Dar există și cantități enorme de metal lichid în miezul Pământului, unde temperaturile sunt atât de ridicate încât o parte din fier este topit și suferă fluxuri complexe. O echipă de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a simulat acum un proces similar în laborator și a făcut o descoperire surprinzătoare: în anumite circumstanțe, fluxul de metal lichid este mult mai turbulent decât se aștepta - și acest lucru are un impact semnificativ. asupra transportului de căldură. Cercetarea este publicată în Physical Review Letters.
Temperaturile adânci în interiorul Pământului sunt atât de ridicate încât o parte din miezul său de fier este lichid. Acest fier de călcat lichid este în mișcare constantă, se agita și circulă continuu. Acționează ca un dinam, determinând generarea câmpului magnetic al planetei noastre. O forță motrice pentru acest comportament complex al fluxului de fier este rotația Pământului, o alta este ceea ce se numește „convecție”, determinată de diferențele de temperatură: similar cu modul în care aerul cald se ridică deasupra unui radiator, unde înlocuiește aerul mai rece, relativ fierbinte. fierul din miezul Pământului curge în zonele mai reci, rezultând un transfer de căldură.
Deocamdată, totuși, se știe puțin despre modul în care au loc aceste procese în detaliu. Pentru a le înțelege mai bine, experții trebuie să se bazeze pe calcule teoretice și simulări pe computer, precum și pe experimente care simulează ceea ce se întâmplă – cel puțin într-o oarecare măsură – la scară de laborator.
Un astfel de experiment a fost realizat recent. la Institutul de Dinamica Fluidelor al HZDR. „Am luat două vase cilindrice – unul relativ mic de mărimea unei găleți și celălalt în formă de butoi cu un volum de 60 de litri”, a explicat liderul proiectului dr. Tobias Vogt. „Am umplut aceste vase cu un aliaj metalic de indiu, galiu și staniu, care este lichid la temperatura camerei”. Experții au încălzit fundul vaselor în timp ce au răcit partea superioară, creând o diferență de temperatură de până la 50 de grade Celsius între straturile superioare și inferioare.
Ultrasunetele oferă o vedere în profunzime
Această diferență substanțială de temperatură a cauzat agitarea metalului lichid din interiorul vaselor: conduse de convecție, zonele de curgere local mai calde, cum ar fi coloanele, s-au ridicat și s-au amestecat cu părțile mai reci - asemănător cu o lampă cu lavă. Deoarece aliajul metalic folosit de echipă este opac, ei au fost însă nevoiți să recurgă la o tehnică analitică specială: „Este o metodă cu ultrasunete folosită în medicină”, a explicat dr. Sven Eckert, șeful Departamentului Magnetohidrodinamică la HZDR. „Am montat aproximativ 20 de senzori ultrasonici pe vase, permițându-ne să detectăm modul în care metalul lichid curge în interiorul lor.”
La analizarea datelor, grupul de cercetare a făcut o descoperire surprinzătoare. În timpul experimentelor, experții se așteptau să găsească gruparea zonelor de curgere individuale pentru a forma o structură mai mare, mai extinsă, cunoscută sub numele de circulație la scară largă. „Acest lucru este comparabil cu un vânt termic, care este capabil să transporte căldura foarte eficient între partea de sus și de jos”, a raportat Vogt. „Într-adevăr, am putut observa acest vânt termic în vasul mai mic, dar cu vasul mai mare, butoiul, diferențele mari de temperatură au dus la o defalcare aproape completă a vântului”. Aceasta a însemnat că căldura nu a fost transportată atât de eficient pe cât s-ar fi așteptat. „Credem că cauza este formarea de turbulențe la scară mult mai mică, mai degrabă decât câteva vârtejuri mari, ceea ce face ca transportul de căldură să fie mai puțin eficient”, a declarat Vogt.
Implicații pentru tehnologia bateriilor.
Aceste noi descoperiri ar putea avea implicații pentru ceea ce se întâmplă în miezul Pământului: „Pentru a înțelege ce se întâmplă, experții încearcă să extrapoleze rezultatele experimentelor de laborator la scara Pământului”, a explicat Sven Eckert. „Dar acum am arătat că căldura este transportată mai puțin eficient în anumite condiții decât sugeraseră experimentele anterioare”. Aceasta înseamnă că previziunile pentru Pământ vor produce probabil și valori diferite. „Cu toate acestea, procesele din viața reală din nucleul Pământului sunt de multe ori mai complexe decât în experimentele noastre de laborator”, a adăugat Tobias Vogt. „De exemplu, fluxul de fier lichid este influențat și de câmpul magnetic și de rotație al Pământului – în cele din urmă, știm foarte puține despre aceste procese de flux.”
De fapt, noile descoperiri s-ar putea dovedi relevante și pentru tehnologie, în special în domeniile care implică metale lichide. De exemplu, metalele lichide sunt folosite în unele tipuri de baterii, precum și pentru viitoarele centrale solare și reactoare de fuziune rece. Pentru a putea privi și mai atent transportul căldurii în metale lichide, echipa HZDR lucrează în prezent la o tehnică analitică avansată. „Se așteaptă ca senzorii speciali de inducție să înregistreze fluxurile cu și mai multe detalii decât înainte și să producă imagini 3D adevărate”, a remarcat Sven Eckert. „Măsurătorile noastre inițiale sunt foarte promițătoare.”
Comentarii:
Adauga Comentariu