Einer der grundlegendsten Mechanismen dieser kosmischen Energieumwandlungen ist der Dynamo: ein Prozess, bei dem die Bewegung einer elektrisch leitfähigen Materie (Plasma) Magnetfelder erzeugt oder verstärkt. Man weiß, dass Dynamos im Erdkern, in der Sonne, in fernen Sternen und im gesamten Kosmos wirken. Trotz ihrer Bedeutung gab es bislang nur äußerst wenige direkte experimentelle Hinweise darauf, wie Dynamos in natürlichen Weltraumplasmen tatsächlich funktionieren.

Die aktuelle Studie, die vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) unterstützt wurde, liefert nun den bislang eindeutigsten Beweis für einen turbulenten kleinskaligen Dynamoin der sogenannten "Magnetosheath" der Erde. Diese Grenzschicht, die sich zwischen der Bugstoßwelle (Bow Shock) und der Magnetopause der Erde befindet, zählt zu den turbulentesten Bereichen im erdnahen Weltraum.

"Diese Merkmale wurden noch nie zuvor so deutlich im Weltraum beobachtet", so Vörös.

Mithilfe der NASA‑Mission Magnetospheric MultiScale (MMS) – vier Raumsonden, die in einer pyramidenartigen Formation fliegen und dadurch gleichzeitig an vier Punkten messen können – beobachtete das Forschungsteam typische „Stretch‑and‑Fold“-Muster in den Magnetfeldern. Genau solche Muster sagt die Dynamotheorie voraus. Nun konnten die Forscher:innen jedoch erstmals direkt beobachten, wie sich Magnetfelder durch chaotische Bewegung von Plasma selbst verstärken. "Wir entdeckten Regionen, in denen Magnetfelder durch Plasmaflüsse verstärkt werden, und andere, in denen die Felder schwächer und zurückgefaltet werden", schildert IWF-Plasmaphysiker Zoltan Vörös, Erstautor der Studie. "Diese Merkmale stimmen mit langjährigen theoretischen Vorhersagen und numerischen Simulationen überein, wurden jedoch noch nie zuvor so deutlich im Weltraum beobachtet", setzt Vörös fort.

Die Studie stellt einen wichtigen Schritt dar, um Theorie, Laborexperimente und numerische Simulationen von Plasmaprozessen durch direkte Beobachtung im Weltraum zu ergänzen und hilft uns bei der Erklärung eines der grundlegendsten Energieumwandlungsprozesse des Universums.

Die NASA-Mission MMS hat zum Ziel, die Vorgänge bei der magnetischen Rekonnexion zu untersuchen, einem fundamentalen Prozess, bei dem sich Magnetfeldlinien verbinden und wieder trennen. Dabei wird magnetische Energie explosionsartig in Wärme und kinetische Energie umgewandelt. Vier identische Satelliten, die in einer engen, pyramidenförmigen Formation fliegen, ermöglichen es den Wissenschaftler:innen, dreidimensionale Daten über die magnetische Rekonnexion zu sammeln. Die Instrumente an Bord messen Teilchen und Felder im Magnetfeld der Erde in höchster Auflösung und bis zu 100-mal schneller als alle bisherigen Missionen. Das IWF Graz ist der größte nicht-amerikanische Partner dieser Mission und hat entscheidendes technologisches Know-how beigesteuert.

Die neuen Erkenntnisse verbessern nicht nur unser Verständnis des Weltraumwetters, das Navigation, Kommunikation und Stromnetze beeinflussen kann. Sie liefern auch wichtige Einsichten in die chaotischen, turbulenten und instabilen Bewegungen von Plasma – Prozesse, die im Weltraum ebenso auftreten wie in Fusionsreaktoren. Dieses Wissen kann dabei helfen, Plasmainstabilitäten in künftigen Fusionsanlagen besser vorherzusagen und zu kontrollieren und damit den Weg zu sauberer, sicherer Fusionsenergie zu ebnen.