A iniciativa surgiu quando Thomas Wondrak e sua equipe do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf se propuseram a estudar metais líquidos opacos, um campo de grande interesse industrial – especialmente para a metalurgia e siderurgia – e com implicações significativas em geofísica e astrofísica, como o fluxo de magma dentro dos planetas.
No entanto, esses estudos enfrentaram grandes desafios devido à opacidade dos metais em estado líquido, o que impossibilita a visualização do fluxo de calor e turbulência em todo o seu volume.
Atualmente, os pesquisadores exploram as propriedades dos fluxos turbulentos ao submeter o fluido em estudo a um recipiente aquecido na base e resfriado na tampa simultaneamente. “Quando a diferença de temperatura no fluido ultrapassa um limite específico, ocorre um aumento drástico no transporte de calor,” explicou Wondrak. Isso resulta na formação de um fluxo convectivo, que efetivamente transporta o calor. O líquido na parte inferior se expande, torna-se menos denso e sobe, enquanto as camadas mais frias na parte superior afundam devido à sua maior densidade.
“No início, uma circulação regular se forma, mas conforme as diferenças de temperatura aumentam, o fluxo se torna progressivamente turbulento. Visualizar adequadamente esse processo em todas as três dimensões representa um desafio,” destacou Wondrak ao descrever o desafio que eles decidiram enfrentar.
Para visualizar o que ocorre dentro do metal fundido, a equipe alemã empregou o princípio da indução de movimento: quando um campo magnético estático é aplicado, uma corrente elétrica é gerada no fluido devido ao seu próprio movimento.
Essas correntes induzidas resultam em uma alteração no campo magnético original, que pode ser detectada externamente. Dessa forma, a estrutura do fluxo é refletida na distribuição do campo magnético e pode ser extraída dos dados de medição usando um método matemático adequado, por meio de um programa de computador. A técnica é denominada “tomografia indutiva de fluxo sem contato”.
O material escolhido para os testes dessa nova técnica foi o tradicional metal líquido, uma liga de gálio-índio-estanho que funde em torno de 10 ºC. O elemento central do experimento é um cilindro com 64 centímetros de altura contendo aproximadamente 50 litros (cerca de 350 quilogramas) de metal líquido, equipado com um sofisticado arranjo de 68 sensores para registrar a distribuição de temperatura e 42 sensores de campo magnético altamente sensíveis.
Os dados experimentais obtidos são únicos, uma vez que simulações numéricas para os mesmos parâmetros de fluxo não são viáveis em um tempo razoável, mesmo na era atual da computação de alto desempenho.
Os primeiros testes revelaram estruturas espaciais complexas. Por exemplo, os cientistas conseguiram identificar padrões recorrentes de um ou mais vórtices giratórios sobrepostos. Isso traz, pelo menos em parte, uma certa ordem ao caos turbulento e, dentre outros benefícios, contribui para uma compreensão mais aprofundada da relação entre fluxo e transporte de calor.
O conhecimento adquirido nos experimentos de laboratório também pode ser extrapolado para dimensões muito maiores, permitindo a análise de processos que ocorrem na geofísica e astrofísica, como os fluxos internos de planetas e estrelas – para isso, é necessário aplicar parâmetros adimensionais derivados da teoria da similaridade.
Os pesquisadores já planejam aprimorar ainda mais a qualidade e a resolução das imagens. A inclusão de um campo magnético de excitação adicional e o uso de novos tipos de sensores de campo magnético têm o potencial de aumentar a precisão das medições. Com isso, a equipe espera obter em breve insights ainda mais profundos sobre os fluxos turbulentos de metais líquidos ou fundidos.
Com informações de Cambridge.
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