Turbulenter Dynamo im Erdmagnetfeld nachgewiesen – das könnte auch der Kernfusion helfen

Unsere Sonne wird von einem gewaltigen Kraftspiel angetrieben. Tief im Inneren herrscht ein chaotisches Durcheinander aus extrem heißem, elektrisch geladenem Gas – einem Plasma. Es strömt, wirbelt und verschiebt sich ständig. Dabei entstehen elektrische Ströme, aus denen Magnetfelder wachsen. Sie beeinflussen, was wir an der Sonne beobachten: gewaltige Ausbrüche, dunkle Flecken und Schwankungen der Strahlung.

Ein solcher Mechanismus arbeitet offenbar auch direkt vor unserer Haustür im All. Neu ist nicht, dass es ihn gibt, sondern sein Nachweis. In einer Studie im Fachjournal Nature Communications beschreibt ein internationales Team um das Grazer Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften deutliche Hinweise auf einen natürlichen Dynamo in der turbulenten Grenzregion vor dem Erdmagnetfeld. Grundlage sind Messdaten der NASA-Mission MMS.

Das ist mehr als ein Detail aus der Weltraumforschung. Solche Vorgänge können helfen, das Weltraumwetter besser zu verstehen – also Prozesse, die Satelliten, Navigation und im Extremfall sogar Stromnetze stören. Auch für die Kernfusion ist der Befund interessant, weil dort ebenfalls turbulentes Plasma kontrolliert werden muss.

Wie der turbulente Dynamo im Erdmagnetfeld messbar wurde

Ein Dynamo ist hier kein Gerät, sondern ein natürlicher Prozess. Bewegungsenergie im Plasma wird dabei in Magnetfeld-Energie umgewandelt. Die Autoren formulieren es so: „Dynamoeffekte bezeichnen Energieaustauschprozesse, durch die Magnetfelder auf Kosten der kinetischen Energie von Plasmaströmungen erzeugt werden.“

Belegt wurde das in der sogenannten Magnetosheath, der Grenzschicht zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld. Dort werden geladene Teilchen abgebremst, verdichtet und wieder umgelenkt. Unter diesen Bedingungen können Ströme und Magnetfelder entstehen oder verstärkt werden.

Warum die Magnetosheath vor dem Erdmagnetfeld so wichtig ist

Auffällig sind vor allem die „Stretch-and-Fold“-Muster, von denen die Studie berichtet. Gemeint sind Magnetfeldlinien, die an manchen Stellen gestreckt und dadurch stärker werden. Anderswo falten sie sich zurück, krümmen sich stark und verlieren an Stärke. Dieses Wechselspiel galt seit langem als typisches Kennzeichen eines solchen Dynamos.

Der Ort ist dafür ideal. Die Magnetosheath zählt zu den unruhigsten Regionen im erdnahen Weltraum. Dort herrscht fast kollisionsloses Plasma, dazu kommen starke Schwankungen von Druck, Geschwindigkeit und Magnetfeld. Für Physiker ist das ein seltenes natürliches Testfeld. Vieles, was sonst nur im Labor oder in Rechnermodellen untersucht wurde, lässt sich dort direkt im All verfolgen.

Vier Satelliten liefern erstmals ein räumliches Bild

Möglich wurde der Nachweis durch die NASA-Mission MMS. Vier baugleiche Satelliten fliegen seit 2015 in enger Formation. Sie messen Magnetfelder, elektrische Felder und Teilchenbewegungen gleichzeitig. Anders als frühere Missionen erfassen sie nicht nur einen einzelnen Punkt, sondern mehrere Orte zur selben Zeit.

Erst dadurch lässt sich ein räumliches Bild der Strukturen rekonstruieren. Hinzu kommt die hohe Geschwindigkeit der Messung. Laut Missionsbeschreibung arbeiten die Instrumente bis zu 100-mal schneller als bei älteren Missionen. Das liefert eine Datendichte, die für solche feinen und schnellen Prozesse nötig ist.

Vier Minuten Messzeit: Satelliten erfassen 40.000 Kilometer Plasmafluss

Für die Analyse betrachtete das Team ein Zeitfenster von etwas mehr als vier Minuten. In dieser kurzen Phase erfassten die Satelliten ein mitströmendes Plasma-Volumen mit einer Ausdehnung von rund 40.000 Kilometern entlang der Flugbahn. Die angenommene Strömungsgeschwindigkeit lag bei etwa 200 Kilometern pro Sekunde. Das zeigt, wie dynamisch diese Region ist.

Die Daten passen erstaunlich gut zu dem, was Theorien seit Jahren vorhersagen. In den Messungen tauchen gestreckte und gefaltete Magnetfeldstrukturen auf. Dazu kommen Kompressionseffekte und Instabilitäten, die für die Verstärkung des Magnetfelds wichtig sind. Die Autoren sprechen deshalb vom „bisher eindeutigsten Beweis“ für einen turbulenten kleinskaligen Dynamo in einem natürlichen Weltraumplasma.

Warum das nicht nur Physiker interessiert

Im Umfeld der Erde bestimmt das Weltraumwetter mit darüber, wie stabil Satelliten, Navigation und Funkverbindungen arbeiten. Verändern sich Teilchenströme und Magnetfelder in dieser turbulenten Zone, kann das technische Systeme spürbar beeinträchtigen.

Die Folgen reichen von ungenauen Positionsdaten bis zu Störungen in der Kommunikation. Im Extremfall können auch Stromnetze belastet werden. Ein genaueres Verständnis dafür, wie sich Magnetfelder dort aufbauen, verstärken oder abschwächen, hilft dabei, solche Risiken besser einzuschätzen.

Auch die Kernfusion könnte davon profitieren

Bei der Kernfusion geht es ebenfalls um extrem heißes Plasma, das in einem Reaktor kontrolliert bleiben muss. Turbulenzen gehören dabei zu den größten Problemen. Sie können Energie entweichen lassen und den Betrieb instabil machen.

Die neuen Messdaten liefern zwar kein Rezept für den perfekten Fusionsreaktor. Sie helfen aber, grundlegende Vorgänge in turbulentem Plasma besser zu verstehen. Wer nachvollziehen kann, wie Magnetfelder in einem natürlichen Plasma wachsen, umklappen oder schwächer werden, gewinnt auch für die Fusionsforschung wertvolle Anhaltspunkte.

Kurz zusammengefasst:

• Im erdnahen Weltraum haben Forscher einen Prozess direkt gemessen, der lange vor allem aus Theorien bekannt war: In turbulentem Plasma kann Bewegungsenergie Magnetfelder aufbauen und verstärken.
• Die Studie basiert auf Daten der NASA-Mission MMS mit vier Satelliten und liefert nach Angaben der Autoren den bisher klarsten Nachweis eines kleinskaligen Dynamos in einem natürlichen Weltraumplasma.
• Das ist relevant, weil solche Vorgänge das Weltraumwetter mitbestimmen und damit GPS, Satelliten, Funk und im Extremfall Stromnetze beeinflussen können; zugleich hilft das Wissen, turbulentes Plasma auch für die Kernfusionsforschung besser zu verstehen.

Übrigens: Was Forscher im erdnahen Weltraum über turbulentes Plasma lernen, könnte schon bald im Rechner weitergedacht werden – in Großbritannien soll ein neuer KI-Supercomputer Fusionsreaktoren virtuell durchspielen und so teure Tests deutlich verkürzen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Earth Science and Remote Sensing Unit, Lyndon B. Johnson Space Center via Wikimedia unter Public Domain