Alguns metais estão na forma líquida, sendo o principal exemplo o mercúrio. Mas também há enormes quantidades de metal líquido no núcleo da Terra, onde as temperaturas são tão altas que parte do ferro é derretido e sofre fluxos complexos. Uma equipe do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) agora simulou um processo semelhante em laboratório e fez uma descoberta surpreendente:sob certas circunstâncias, o fluxo de metal líquido é muito mais turbulento do que o esperado - e isso tem um impacto significativo no transporte de calor. A pesquisa é publicada em Cartas de Revisão Física .
As temperaturas no interior da Terra são tão altas que parte de seu núcleo de ferro é líquido. Este ferro líquido está em constante movimento, continuamente agitando e circulando. Ele age como um dínamo, fazendo com que o campo magnético do nosso planeta seja gerado. Uma força motriz para esse comportamento de fluxo complexo do ferro é a rotação da Terra, outra é o que é chamado de "convecção", impulsionada por diferenças de temperatura:semelhante à maneira como o ar quente sobe acima de um radiador, onde desloca o ar mais frio, relativamente quente o ferro no núcleo da Terra flui para áreas mais frias, resultando em transferência de calor.

Até o momento, no entanto, pouco se sabe sobre como esses processos ocorrem em detalhes. Para entendê-los melhor, os especialistas precisam confiar em cálculos teóricos e simulações de computador, bem como em experimentos que simulam o que está acontecendo – pelo menos até certo ponto – em escala de laboratório.

Um desses experimentos foi realizado recentemente no Instituto de Dinâmica de Fluidos do HZDR. "Pegamos dois recipientes cilíndricos - um relativamente pequeno do tamanho de um balde e outro em forma de barril com um volume de 60 litros", explicou o líder do projeto Dr. Tobias Vogt. "Enchemos esses recipientes com uma liga metálica de índio, gálio e estanho, que é líquida à temperatura ambiente." Os especialistas aqueceram o fundo dos vasos enquanto resfriavam o topo, criando uma diferença de temperatura de até 50 graus Celsius entre as camadas superior e inferior.

Ultrassom fornece visão detalhada

Essa diferença substancial de temperatura fez com que o metal líquido dentro dos vasos se agitasse:impulsionado por convecção, áreas de fluxo localmente mais quentes, como colunas, subiram e se misturaram com as partes mais frias - semelhante a uma lâmpada de lava. Como a liga metálica usada pela equipe é opaca, no entanto, eles tiveram que recorrer a uma técnica analítica especial:"É um método de ultrassom usado na medicina", explicou o Dr. Sven Eckert, chefe do departamento de magnetohidrodinâmica do HZDR. "Instalamos cerca de 20 sensores ultrassônicos nos vasos, o que nos permite detectar como o metal líquido flui dentro deles."

Ao analisar os dados, o grupo de pesquisa fez uma descoberta surpreendente. Durante os experimentos, os especialistas esperavam encontrar o agrupamento de áreas de fluxo individuais para formar uma estrutura maior e mais extensa, conhecida como circulação em larga escala. "Isso é comparável a um vento térmico, que é capaz de transportar calor de forma muito eficaz entre o topo e o fundo", relatou Vogt. "Conseguimos de fato observar esse vento térmico na embarcação menor - mas com a embarcação maior, o barril, grandes diferenças de temperatura levaram a uma quebra quase completa do vento". Isso significava que o calor não era transportado de forma tão eficaz quanto seria de esperar. “Acreditamos que a causa disso seja a formação de turbulência em escala muito menor, em vez de alguns grandes redemoinhos, o que torna o transporte de calor menos eficaz”, afirmou Vogt.

Implicações para a tecnologia de baterias

Essas novas descobertas podem ter implicações para o que acontece no núcleo da Terra:"Para entender o que está acontecendo, os especialistas estão tentando extrapolar os resultados de experimentos de laboratório para a escala da Terra", explicou Sven Eckert. "Mas agora mostramos que o calor é transportado de forma menos eficaz sob certas condições do que os experimentos anteriores sugeriram." Isso significa que as previsões para a Terra provavelmente também produzirão valores diferentes. "No entanto, os processos da vida real no núcleo da Terra são muitas vezes mais complexos do que em nossos experimentos de laboratório", acrescentou Tobias Vogt. "Por exemplo, o fluxo de ferro líquido também é influenciado pelo campo magnético e pela rotação da Terra - em última análise, sabemos muito pouco sobre esses processos de fluxo."

De fato, as novas descobertas também podem ser relevantes para a tecnologia, especialmente em áreas que envolvem metais líquidos. Por exemplo, metais líquidos são usados ​​em alguns tipos de baterias, bem como em futuras usinas de energia solar e reatores de fusão fria. Para poder observar ainda mais de perto o transporte de calor em metais líquidos, a equipe do HZDR está atualmente trabalhando em uma técnica analítica avançada. "Espera-se que sensores de indução especiais registrem fluxos com ainda mais detalhes do que antes e produzam imagens 3D verdadeiras", observou Sven Eckert. "Nossas medições iniciais são muito promissoras." + Explorar mais

O fluxo de calor mostrou-se mais eficiente quando a temperatura está oscilando do que quando estático