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ERDE
So macht die Erde ihr Magnetfeld
von Stefan Deiters
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26. Januar 2000

Im Forschungszentrum Karlsruhe gelang unlängst ein aufschlussreiches Experiment: Zum ersten Mal wurde die Entstehung des Erdmagnetfelds im Labor nachvollzogen. Nötig waren dazu Unmengen flüssiges Natrium, 13,5 Millionen Mark und Überreste aus der Entwicklung neuer Kernreaktoren.

Dynamomodul
Das Dynamomodul ist das zentrale Element des Experimentes in Karlsruhe.  Foto: Forschungszentrum Karlsruhe/idw

Das Magnetfeld der Erde ist für die Menschen von entscheidender Bedeutung: So bietet es Schutz vor geladenen Teilchen aus dem Weltall und diente Generationen von Seefahrern und Fernreisenden als Orientierungshilfe. Doch über seine Entstehung konnte bisher nur spekuliert werden: Für einen Permanentmagneten ist es im Erdinnern zu heiß, so dass die Wissenschaft bald großräumige Strömungen eines elektrisch leitfähigen Mediums im Innern der Erde, etwa flüssiges Metall, für das Magnetfeld verantwortlich machte. 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. 

Soweit die Theorie. Doch fehlte bisher dafür der experimentelle Beweis. Ein großen Schritt in diese Richtung machte man jetzt am Forschungszentrum Karlsruhe, indem man nachwies, dass eine rotierende, elektrisch leitende Flüssigkeit ein sich selbst stabilisierendes Magnetfeld erzeugen kann. Dazu wurde flüssiges Natrium in einem Versuchsaufbau auf Bahnen gezwungen, die den vermuteten Bewegungen im flüssigen Erdkern entsprechen. Und 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 Forschungszentrums 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. 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."

Das Experiment hat dann auch eine beachtliche Dimension: Es wurde auf mehreren Ebenen in einer Versuchshalle des Instituts errichtet. Wichtigster Bestandteil des Experiments ist das Dynamomodul mit drei Natriumkreisläufen, in denen bei einer Temperatur von 130 Grad Celsius jeweils150 Kubikmeter flüssiges Natrium pro Stunde fließen. Das Dynamomodul hat einen Durchmesser von knapp zwei Metern. Mit dem ersten Erfolg geben sich die Karlsruher Wissenschaftler aber noch nicht zufrieden: Das Experiment soll wiederholt und auf komplexere Prozesse ausgedehnt werden.

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