Астрофизический феномен осложняет работу высокоемких батарей
В лаборатории Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) в сотрудничестве с Астрофизическим институтом Лейбница в Потсдаме получено первое экспериментальное подтверждение явления магнитной неустойчивости, теоретически предсказанного Тэйлером (R.J. Tayler) в 1973 г. Этот эффект возникает при пропускании достаточно сильного тока через электропроводную жидкость — взаимодействие тока с ее собственным магнитным полем приводит к созданию воронкообразной структуры потоков.
В новом издании Physical Review Letters команда, возглавляемая доктором Франком Стефани (Frank Stefani) из HZDR, сообщила о первом успешном эксперименте по демонстрации неустойчивости Тэйлера в жидком металле, с высокой точностью подтвердившем результаты численного моделирования. Ими применялся жидкий сплав индия, олова и галлия, через который при комнатной температуре пропускался ток в 8 килоампер. Чтобы исключить другие возможные факторы развития неустойчивости, было решено отказаться от применения зондов скорости, применив вместо них 14 бесконтактных высокочувствительных сенсоров магнитного поля.
До сих пор, неустойчивость Тэйлера представляла интерес главным образом для астрофизиков, объяснявшие ею торможение вращения нейтронных звезд и спиральное закручивание потоков материи аккреционных дисков вблизи черных дыр.
Своим исследованием немецкие ученые показали, что данное явление имеет непосредственное отношение и к более прикладной области — технологии жидкометаллических батарей. Перспективы использования таких устройств для аккумулирования больших объемов энергии, представляются не такими безоблачными из-за опасности развития тэйлеровской неустойчивости в процессе зарядки и разрядки.
Первые прототипы батарей из двух слоев жидких металлов, разделенных слоем расплавленной соли, были созданы в США и авторы полагали, что емкость подобных системы можно наращивать без особых проблем. Однако, как отмечает Стефани, проведенные расчеты говорят о неизбежности, начиная с определенного размера батарей и плотностей тока, возникновения неустойчивости Тэйлера. Это приводит к развитию мощных потоков, смешивающих слои и вызывающих короткие замыкания.
Тем не менее, Стефани считает вполне возможным и экономически оправданным создание жидкометаллических батарей с площадью основания в несколько квадратных метров, способных в составе аккумулирующих станций справляться с флуктуациями нагрузки в общественных энергосетях. В качестве одного из способов предотвращения неустойчивости он предлагает оснащать крупные батареи внутренней трубкой, разворачивающей электрический ток в обратном направлении, — по его мнению это позволит существенно повысить емкость подобных устройств.