Dínamos de laboratorio para generar campos magnéticos igual que los planetas y las estrellas

A Daniel Lathrop le llevó siete años y us$ 2 millones construir una esfera de acero inoxidable en su laboratorio. Se trata de dos esferas, en realidad, que se encuentran una dentro de la otra como un par de muñecas rusas. Sólo que estas muñecas contienen 12 toneladas de metal fundido y giran de forma independiente a velocidades asombrosas

Con su artilugio, Lathrop, un físico de la Universidad de Maryland en College Park, espera recrear el núcleo metálico giratorio de la Tierra. Mientras el planeta gira sobre su eje, hierro líquido conductor de la electricidad se agita a miles de kilómetros de profundidad en el núcleo externo. El movimiento de chapoteo del hierro, en un proceso llamado dinamo, crea y mantiene el campo magnético de la Tierra.

Aunque el campo magnético del planeta juega un papel crucial en la orientación de los navegantes y la protección de la Tierra de las tormentas solares, los científicos saben muy poco sobre él. Los geofísicos no saben exactamente cómo se inició el campo magnético hace miles de millones de años, ni cómo se las ha arreglado para mantenerse durante tanto tiempo. Es aún un misterio por qué la Tierra tiene un campo magnético, en primer lugar. No todos los planetas lo tienen. El pequeño Mercurio tiene uno, por ejemplo, mientras que Marte no tiene. Las estrellas como el Sol generan poderosos dínamos internos también, y los modelos de laboratorio llenos de metal supercaliente podría recrearlos.

El objetivo de Lathrop es aportar algo de ciencia dura respecto a de donde surge el magnetismo de la Tierra. Sus muñecas rusas se alojan en un laboratorio en la universidad, donde se yerguen como una versión en miniatura de la Tierra. El sodio líquido que llena el espacio entre las esferas interior y exterior reemplaza núcleo exterior de hierro líquido del planeta. Lathrop espera que el remolino de sodio creará su propia dínamo y generará un campo magnético autosuficiente.

Si el experimento funciona, el equipo de Lathrop será capaz de estudiar las fuerzas mueven la dinamo de la Tierra y determinar qué le podría suceder a nuestro campo magnético en el futuro. Se ha invertido casi regularmente en el pasado de la Tierra, de modo que el norte magnético se vuelve el sur mágnetico, y viceversa. Algunos científicos creen que el planeta hará otro cambio. «Podríamos estar a los principios de un cambio en este momento, pero eso es sólo una corazonada», dice Lathrop. «Estamos atrapados entre las predicciones y la ciencia.»

Desde la primavera boreal pasada, cuando su dispositivo fue llenado por primera con sodio, Lathrop lo ha encendido una vez al mes. Se mueve un interruptor en la mañana del lunes, y el martes al mediodía todo el sodio —que es sólido a temperatura ambiente— se ha puesto suficientemente caliente como para derretirse. Se mueve otro interruptor y las esferas comienzan a girar como derviches, batiendo el sodio líquido entre ellas.


Para simular la dínamo de la Tierra, el espacio entre las esferas internas y externas del dispositivo de la Universidad de Maryland está lleno de sodio líquido. Las esferas giran de forma independiente a diferentes velocidades. La configuración permite que el equipo de investigación estudie cómo pueden afectar el calor y la rotación a la circulación de hierro en el núcleo externo de la Tierra.
Fuente: S. Young / Nature 2011; Imagen: M. Atarod

Los instrumentos ubicados en todo el dispositivo reunen información acerca de cómo fluye el líquido, y si está generando ningún magnetismo. No existe la dinamo todavía, pero el dispositivo permite que el equipo genere enormes cantidades de datos muy rápidamente. «Cada un segundo en nuestro experimento imita 5.000 años de historia de la Tierra», dice Lathrop. «Dentro de unas horas, puedo entregar millones de años de datos de alta calidad.»

La construcción de una mejor dínamo

«Lo que es interesante desde el punto de vista experimental es que las dinamos son un fenómeno de umbral; que o bien se consigue una o no se obtiene nada», dice Peter Olson, un geodinamicista en la Universidad Johns Hopkins. «Usted tiene dos opciones para crear uno: Se puede comenzar con la configuración más parecida a la Tierra y tratar de trabajar hasta ese umbral, o puede comenzar con una configuración menos realista, hacer una dinamo y luego empezar a eliminar los toques poco realistas.»

El último enfoque es cómo tres grupos ya han alcanzado dinamos en el laboratorio. Los dos primeros se registraron en 2000, en Riga, Letonia, y en Karlsruhe, Alemania. Todos pusieron sodio líquido en tanques cilíndricos y lo hicieron fluir en un patrón helicoidal, un movimiento sinuoso que fue suficiente para que el fluido generase una dinamo.

Sobre esta base, los físicos arman un tercer experimento de sodio en Cadarache, Francia. «Está basada en el modelo de una máquina de lavado francesa, un gran dispositivo de agitación», dice Olson. Se utiliza un cilindro de cobre lleno de sodio líquido agitado por un disco en cada extremo. Los discos pueden girar en la misma dirección o en direcciones opuestas, esencialmente empujando o tirando del sodio y creando todo tipo de flujos caóticos.

En 2006, el experimento Cadarache generó una dinamo. El dispositivo mostró una variedad mucho más profunda de comportamiento magnético que los dos anteriores. Por ejemplo, la dirección del campo magnético en el dispositivo invierte la dirección de vez en cuando, como ocurre con el de la Tierra.


La circulación de corrientes eléctricas en el núcleo externo de hierro fundido da lugar al campo magnético de la Tierra, que es como un imán de barra inclinado 11 grados respecto al eje de rotación del planeta y por tanto de los polos geográficos. Las líneas del campo convergen donde la fuerza magnética es fuerte en los polos, y se extienden donde es débil.
Globe: Umberto shtanzman / Shutterstock; Ilustración: M. Atarod

Sin embargo, la máquina funciona sólo porque contiene algunos de esos toques no realistas a los que se refiere Olson. En particular, se forma una dinamo sólo si uno o ambos de los discos están hechos de hierro. Esto introduce una fuerza magnética extra que ayuda a la dinamo a ponerse en marcha. Se saca el hierro, y la máquina de Cadarache ya no cruza el umbral.

La última serie de experimentos con sodio utiliza esferas, y no cilindros, para hacer girar el líquido en un escenario más similar al de un planeta. La Tierra, después de todo, es esférica. Ninguno de estos experimentos ha llegado aún a una dinamo, pero han contribuido a algunos descubrimientos importantes que pueden ayudar a Lathrop a crear la suya. En particular, los investigadores han aprendido mucho acerca de la turbulencia, los cambios impredecibles que se producen a veces en la dirección del flujo del líquido.

Imagina un río de corriente rápida en la que los remolinos llevan el agua de la corriente principal a los bancos estacionarios. Esos remolinos —la turbulencia— absorben velocidad de la mitad del río y se la llevan a donde decae rápidamente. Una turbulencia de este mismo tipo es la que normalmente causa estragos en una dínamo experimental, dice Cary Forest, un físico de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Forest y sus colegas han estado trabajando con un experimento de sodio más pequeño que el de Maryland. En el 2006, se informó que la turbulencia en el flujo de sodio en su dispositivo genera su propio campo magnético débil. Eso, a su vez, reduce la conductividad de las sales de sodio, haciendo difícil conseguir que la suficiente carga eléctrica fluya suficientemente rápido como para iniciar una verdadera dinamo.

«Esa es una importante causa de detención», dice Forest. «Hay que girar el sistema cinco veces más rápido para llevarla hasta el punto en que pensé que debía.» Sin embargo, el descubrimiento ayudó a explicar por qué la nueva generación de experimentos de sodio no han podido generar dínamos aún.

Por otro lado, si usted consigue una dinamo arrancando en principio, la turbulencia puede no un gran problema. En un experimento en Grenoble, Francia, los científicos han forzado un fuerte campo magnético en el fluido de sodio. Debido a que, en esencia, pueden suprimir gran parte de la turbulencia que normalmente disturba el líquido, dice el líder del equipo de Henri-Claude Nataf de la Universidad de Grenoble.


La turbulencia (visto aquí en agua teñida de verde) complica loas experimentos que tratan de crear una dinamo y un campo magnético agitando sodio líquido caliente.
Por Daniel P. Lathrop, Santiago A. Triana, Daniel S. Zimmerman

Eso, dice Nataf, indica lo que ocurre en los núcleos planetarios. Una vez que un planeta como la Tierra comienza a girar y generar su propio campo magnético, ese magnetismo disminuye la turbulencia. Los científicos en Grenoble pueden ahora estudiar cómo sucede esto en el interior del sodio que fluye en su experimento.

Mientras tanto, en Maryland

Las esferas giratorias de Lathrop en Maryland son sin duda el gran padre de los experimentos con sodio, y mientras que la porción de sodio recién ahora está en marcha, el equipo probó el experimento con agua hace varios años para asegurarse de que todas las partes mecánicas funcionaban antes de llenar el tanque con un metal líquido que puede desprender un gas altamente inflamable.

Incluso entonces, los científicos comenzaron a descubrir cosas inesperadas. Se observaron en el agua flujos forzados por la precesión de la Tierra, el bamboleo del eje de rotación del planeta en el espacio. Esa observación, dice Lathrop, apoya la idea de que existen flujos similares en el núcleo de la Tierra.

A partir de finales de 2011, los científicos de Maryland drenaron el agua de entre las esferas para dar paso al sodio. El metal está disponible en el mercado para la fabricación de añil para los pantalones vaqueros azules, y el equipo de Lathrop ordenó 62 barriles. Tan solo calentarlo lo suficiente para licuarlo y luego cargarlo todo tomó casi cinco meses.

«No me gustaría volver a hacerlo», dice Lathrop. Él y los oficiales de seguridad locales de bomberos tuvieron que ser creativos porque el sodio líquido es muy peligroso. Inventaron una nueva forma de apagar incendios de laboratorio en caso de cualquier accidente. Y por razones de seguridad, el experimento funcionó inicialmente a dos revoluciones por segundo, que es la mitad de la velocidad máxima que puede alcanzar.

Incluso a esa velocidad, y antes de lograr una dinamo, la máquina de Maryland está insinuando nuevos descubrimientos. El equipo ha documentado 15 estados de flujo diferentes. Al igual que los patrones climáticos en la atmósfera de la Tierra, cada flujo tiene sus propias complicaciones. «Estamos navegando en un territorio desconocido», dice Lathrop.

Él piensa que la máquina no tendrá ningún problema para generar una dínamo, una vez que se encienda a toda velocidad, probablemente a finales de este año. Entre otras cosas, Lathrop observará la inversión de los campos magnéticos, como las que se observan en la Tierra.

Desde que los científicos generaron el primer modelo del campo magnético global de la Tierra hace cerca de 180 años, su fuerza se ha reducido en un 10 por ciento. Esto podría indicar que el planeta se encamina a una próxima inversión (la última ocurrió hace 780.000 años, y por lo general tardan aproximadamente varios miles de años de principio a fin). Si la máquina de Lathrop puede generar una dinamo y luego empezar a mover a cambiar la dirección, los científicos podrían tener una visión más clara lo que desencadena los cambios en la Tierra, y qué tan probable es que nos dirigimos a otra.

Más allá de sodio

No todos los científicos están conformes con los experimentos con sodio, incluso los muy grandes. En Wisconsin, Forest está tratando llevar la idea de una dinamo a un nivel superior. Un buen número de niveles, en realidad… con el estado sobrecalentado de la materia conocido como plasma.

Los metales líquidos son una buena generalización para el estudio del núcleo de la Tierra, dice Foreste. Pero la mayoría de los dínamos en el universo, los que están dentro de las estrellas, son entidades totalmente diferentes. Operan en regímenes magnéticos mucho más allá del de la Tierra.

Los científicos miden la fuerza de una dinamo con algo que se llama el número magnético de Reynolds. Un número magnético de Reynolds bajo significa que la dinamo es débil y pronto podría disiparse. Un número alto significa que la dinamo es poderosa. El número de Reynolds magnético de la Tierra es del orden de 1.000. El del Sol es del orden de 100 millones. Y el plasma que fluye entre las galaxias pueden tener un número de Reynolds magnético de más de mil millones de millones.

Forest diseñó su experimento con plasma para reflejar los regímenes magnéticos mucho más allá de la Tierra. Si tiene éxito, podría dar a los investigadores una visión sin precedentes de lo que sucede alrededor de los agujeros negros y dentro de los núcleos de las estrellas. «Hay mucho que aprender», dice.

El problema es que el plasma es difícil de contener. En las máquinas de investigación tales como los reactores de fusión, los científicos utilizan fuertes campos magnéticos para confinar el plasma, pero esos campos interfieren con la visión de lo que podría ocurrir durante una dinamo natural. «Es casi imposible estudiar cómo los campos magnéticos llegar a la existencia a partir de plasma porque para empezar se necesita un campo magnético allí», dice Forest. «Esto viola las reglas del juego de la dínamo.»

Forest ha descubierto una solución alternativa, poniendo la máquina en una especie de cubo magnético y luego adjuntando 3.000 potentes imanes a la superficie de la esfera externa. Los imanes en la superficie separan el plasma en la parte más externa del dispositivo y mueven el plasma restante hacia dentro para crear flujos turbulentos para el estudio.

De 3 metros de diámetro, el experimento de plasma Madison es del mismo tamaño que el de sodio de Maryland. El equipo de Foreste puede bombear un poco de helio o argón, añadir voltaje y crear un plasma a unos 50.000° a 100.000° Celsius. «Se ve aún más lindo que el de Dan», dice Forest. Una ventana transparente a un lado de la esfera exterior ofrece una vista del resplandeciente plasma parpadeando en el interior, como la etérea danza de la aurora boreal.

Forest y sus colegas crearon plasma por primera vez en el dispositivo el otoño pasado, y desde entonces han estado midiendo su densidad, temperatura y otras propiedades. Algunos de los flujos se mueven a lo largo de casi 10 kilómetros por segundo, lo que les permite lograr muy altos números magnéticos de Reynolds.

El equipo ya está viendo una peculiar viscosidad en los flujos. Forest cree que el equipo está a punto de imitar fenómenos astrofísicos tales como los discos de acreción de gas y polvo girando en un agujero negro.

Así que la competencia es ahora para ver qué equipo puede lograr una dinamo primero: el experimento de plasma de Madison o el de sodio de Maryland. Ambos son tan grandes que pueden tener éxito además de gran tamaño. Si es así, entonces los físicos van a estar ocupados por un tiempo muy largo, dice Forest: «Nadie ha construido algo como esto.»

Fuente: Science News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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