Was in Sternen passiert, zeigt sich erstmals in rotierendem Gallium

Ein 40 cm hoher Zylinder, knapp 20 cm breit und gefüllt mit flüssigem Gallium: Mit diesem vergleichsweise kleinen Versuchsaufbau haben Forschende einen Strömungszustand erzeugt, den Modelle seit Jahrzehnten für schnell rotierende Sterne und Planeten vorhersagen. In klassischen Laborversuchen ließ sich dieser Zustand bislang nicht eindeutig nachweisen.

Ein internationales Team unter Leitung der University of California, Los Angeles (UCLA) hat diese experimentelle Lücke nun geschlossen. Beteiligt war auch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Die Studie erschien am 24. August 2026 in den Physical Review Letters.

Warum Strömungen in Sternen schwer nachzubilden sind

Im Inneren von Sternen und in den flüssigen Bereichen von Planeten wird Wärme unter anderem durch Konvektion transportiert. Wärmeres Material steigt auf, kühleres sinkt ab. Gleichzeitig rotieren die Himmelskörper. Dadurch entstehen komplexe Strömungen.

Solche Prozesse spielen auch bei der Entstehung planetarer Magnetfelder eine Rolle. Wie wichtig Strömungen im Inneren eines Planeten sind, zeigt etwa die Forschung zum Erdmagnetfeld ohne festen inneren Kern.

Für sehr schnell rotierende Systeme sagen theoretische Modelle einen besonderen Grenzfall voraus: die diffusivitätsfreie rotierende Konvektion. Der Begriff klingt komplizierter, als das Prinzip ist. Viskosität und Wärmeleitung verschwinden dabei nicht. Für die großräumige Strömung sollen sie aber immer weniger bestimmend werden. Stattdessen prägen vor allem Rotation und Auftrieb das Verhalten der Flüssigkeit. Im Labor ließ sich dieser Zustand bislang nur schwer nachweisen.

Warum normale Versuche an ihre Grenzen kommen

Für solche Experimente wird häufig eine Flüssigkeit von unten erwärmt und von oben gekühlt. Gleichzeitig rotiert das Gefäß um seine vertikale Achse. Das Problem entsteht an den Begrenzungsflächen. Dort bilden sich dünne Grenzschichten, in denen Reibung und Wärmeleitung besonders stark wirken. Diese Effekte beeinflussen den Wärmetransport und können den gesuchten Strömungszustand überdecken.

Das Team um Jewel Abbate von der UCLA wählte deshalb einen anderen Strömungszustand. Das Gallium bewegt sich dabei nicht gleichmäßig, sondern die Strömung pulsiert beziehungsweise schwingt. Dieser Effekt tritt besonders bei schnell rotierenden Flüssigkeiten auf, in denen sich Wärme deutlich schneller ausbreitet als Bewegungsimpulse. Flüssige Metalle wie Gallium eignen sich dafür besonders gut.

Für die Forschenden hatte diese schwingende Strömung einen wichtigen Vorteil: Sie wird stärker durch die Temperaturunterschiede im Inneren der Flüssigkeit geprägt als durch die Vorgänge direkt an den Begrenzungsflächen. Dadurch ließ sich der theoretisch vorhergesagte Bereich erstmals deutlich untersuchen.

Ein rotierender Zylinder voller Gallium

Für die Experimente nutzte das Team die RoMag-Anlage an der UCLA. Die Versuchszelle besteht aus einem Edelstahlzylinder zwischen zwei Kupferblöcken. Der Zylinder ist 40 cm hoch und hat einen Durchmesser von knapp 20 cm. Von unten wird Wärme zugeführt, während ein Wärmetauscher die Oberseite kühlt. Die gesamte Versuchszelle rotiert um ihre vertikale Achse.

Temperatursensoren erfassten das Temperaturgefälle zwischen Ober- und Unterseite sowie Schwankungen im Inneren des Galliums. Zusätzlich bestimmten die Forschenden mit Ultraschall, wie schnell sich die Flüssigkeit vertikal bewegte.

So konnten sie nicht nur messen, wie viel Wärme durch das Gallium transportiert wurde, sondern gleichzeitig beobachten, wie sich Strömung und Temperatur im Inneren veränderten.

Forscher vom HZDR war an den Experimenten beteiligt

Während zweier Forschungsaufenthalte an der UCLA war Dr. Tobias Vogt vom HZDR-Institut für Fluiddynamik an den Experimenten und Messungen beteiligt.

Für den Nachweis verglich das Team drei voneinander unabhängige Kenngrößen mit den theoretischen Vorhersagen:

• den Wärmetransport,
• die Strömungsgeschwindigkeit,
• die Temperaturschwankungen im Inneren der Flüssigkeit.

Alle drei stimmten quantitativ mit den Modellen überein. Hochauflösende numerische Simulationen bestätigten die Ergebnisse zusätzlich.

Vogt fasst die Bedeutung der Arbeit so zusammen:

„Die besondere Stärke unserer Arbeit liegt darin, dass Theorie, Experiment und numerische Simulationen nun quantitativ übereinstimmen. Damit konnten wir experimentell bestätigen, dass die zugrunde liegenden physikalischen Modelle den beobachteten Wärmetransport sehr gut beschreiben. Dadurch können wir solche Modelle nun mit deutlich größerem Vertrauen auch auf das Innere von Planeten und Sternen anwenden.“

Frühere Messungen ergänzen die neuen Daten

Für ihre Auswertung griffen die Forschenden nicht nur auf die aktuelle Messkampagne zurück. Sie bezogen auch frühere Experimente mit anderen Abmessungsverhältnissen der Versuchszelle ein.

Dabei zeigte sich, dass sich die gemessenen Strömungen unter bestimmten Geometrien noch stärker den theoretischen Vorhersagen annäherten. Der Vergleich stärkt damit die Annahme, dass die beobachteten Skalierungsgesetze kein Sonderfall eines einzelnen Versuchsaufbaus sind.

Was sich aus dem Experiment ableiten lässt

Der Gallium-Zylinder bildet weder einen Stern noch den Erdkern im verkleinerten Maßstab nach. Sein Nutzen liegt darin, physikalische Modelle unter kontrollierten Bedingungen zu überprüfen.

Bei Sternen und Planeten herrschen Bedingungen, die sich im Labor nicht direkt herstellen lassen. Forschende müssen deshalb aus Experimenten und Simulationen ableiten, wie sich Strömungen bei wesentlich größeren Dimensionen und stärkeren Rotationen verhalten.

Auch beim Erdinneren sind solche Modelle unverzichtbar. Untersuchungen zeigen beispielsweise, dass sich Strömungen im äußeren Erdkern verändern und sogar ihre Richtung wechseln können. Darüber berichtet ingenieur.de im Beitrag zur Strömungsumkehr im äußeren Erdkern.

Quellen

• Physical Review Letters, 24.08.2026: Originalstudie „Diffusivity-Free Turbulence in Liquid Metal Rotating Rayleigh-Bénard Convection Experiments“ – experimenteller Nachweis, Messgrößen, Simulationen und Autoren. Zur Studie
• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf / Informationsdienst Wissenschaft, 26.08.2026: Presseinformation zur deutschen Beteiligung von Tobias Vogt und zur Bedeutung der Ergebnisse für geophysikalische und astrophysikalische Modelle. Zur Presseinformation
• arXiv: Volltextfassung mit Angaben zum RoMag-Versuchsaufbau, zu Abmessungen, Messverfahren, Prandtl-Zahl und Zellgeometrien. Zum Preprint