자기 불안정은 블랙홀과 다른 우주 현상의 출현에서 매우 중요한 역할을 한다. 드레스덴-로젠도르프 연구센터(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR)의 연구진은 포츠담에 있는 라이프니쯔 천체 물리학 연구소(Leibniz Institute for Astrophysics)와 협력하여, 타일러 불안정(Tayler instability)을 최초로 확인하였다. 이 결과물은 재생 에너지를 위한 저렴한 저장 설비로 논의되고 있는 대규모 액체 금속 전지에도 도움을 줄 것이다.

타일러 불안정은 중성자별의 출현과 관련하여 천체물리학자들의 많은 관심을 받고 있다. 이론에 의하면, 중성자별은 실제보다 훨씬 더 빠른 속도로 회전한다고 한다. 신비로운 제동 효과(Braking effects)는 이제껏 타일러 불안정의 영향 때문이라고 알려져 왔으며, 이것은 중성자 별의 회전 속도를 1,000rps에서 약 10-100rps로 감소시킨다. DNA의 이중 나선 구조와 그 모양이 비슷한 구조들도 블랙홀 주변의 원반이 회전하면서 발하는 수직 모양의 물질 격류인 우주 제트기류에서 종종 관찰된다.

드레스덴-로젠도르프 연구센터의 실험실에서 처음으로 관찰된 이 자기 현상은 1973년 R.J. Tayler의 이론에 의해 알려지기 시작했다. 타일러 불안정은 강한 전류가 전기적으로 전도된 액체를 통해 흐를 때, 항상 나타난다. 특정 크기에서 시작하여, 그것의 자체 자기장과 상호 작용하는 전류는 소용돌이 꼴의 흐름 구조를 만든다. 액체 금속 전지 개발에 이것이 관련된 이후로, HZDR 과학자들은 이 현상이 우주 뿐아니라 지구에도 그 영향을 미칠 수 있다는 점을 주시했다. 미래의 재생 에너지 저장은 충전과 방전 동안 일어나는 타일러 불안정으로 말미암아, 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡해질 수 있다.

미국의 과학자들이 최초의 액체 금속 밧데리 프로토타입을 개발했을 때, 그들은 이 시스템이 쉽게 확장될 수 있으리라 가정했다. 그러나 HZDR 물리학자인 Frank Stefani 박사는 이에 의문을 제시했다. “우리는 타일러 불안정이 나타나고 금속 층사이에서 강력한 유체 흐름을 만들어 내기 시작하는 전류 밀도와 밧데리의 크기를 계산했다. 이러한 유체 흐름은 액체층을 휘젓기 시작하고, 마침내 단락이 되게한다.” Stefani 박사가 이끄는 연구진은 Gunther Rudiger 교수가 이끄는 연구진과 협력하여, physical Review Letters에 액체 금속에서 나타나는 타일러 불안정을 증명한 그들의 성공적인 첫 번째 실험을 발표했다. 그들은 인듐과 갈륨, 그리고 주석으로 구성된 상온의 액체 합금에 8,000 암페르의 전류를 보냈다. 전도성의 불규칙성같은 관측될 불안정성을 일으키는 다른 원인을 제거하기 위하여, 연구진은 고의적으로 속도 센서의 사용을 생략했다. 그 대신, 그들은 14개의 초민감 자기장 센서를 사용했다. 이 데이터는 타일러 불안정의 성장률과 중요한 스트리밍 효과를 수집하였으며, 이러한 데이터는 수치 예측과 놀랍도록 일치했다.

미국 연구진이 개발한 좀 더 작은 크기의 프로토타입의 경우, 이 타일러 불안정은 전혀 일어나지 않았지만, 액체 전지가 경제적으로 유효하기 위해서는 매우 커야 한다. “제곱미터의 밑면적을 가진 액체 금속 전지는 가능하다고 나는 생각한다. 매우 큰 용기에 액체를 부어 넣음으로써, 이것을 쉽게 제조할 수 있다. 그러면 그들은 독립적으로 그들 자신의 층 구조를 형성하면서, 필요할 때마다 충전과 방전을 거듭하게 된다. 이정도는 경제적으로 의미있게 제작될 수 있다. 그러한 시스템은 고 변동 부하에 쉽게 대처할 수 있다.”라고 Stefani 교수가 설명했다. 액체 금속 전지는 태양이 비추지 않거나 풍력 발전기가 작동하지 않아도 언제나 충분한 양의 전류를 공급할 수 있다.

액체 금속 전지의 기본 원리는 매우 간단하다. 액체 금속은 전도성이 있기 때문에, 직접 음극과 양극의 역할을 한다. 이 금속를 용기에 부으면, 무거운 금속은 아래로, 그리고 가벼운 금속은 위로 가게 된다. 두 금속은 용융염층으로 인하여 서로 분리되고, 이들은 갈바니 전지가 되는 것이다. 이 금속은 합금을 형성하는 경향이 있지만, 가운데에 있는 용융염은 이들이 섞이는 것을 방해한다. 따라서 한 금속의 원자는 전자를 방출하게 된다. 그리고 이온은 용융염을 통해서 이리저리 떠돌게 된다. 이것들이 다른 금속에 도착하면, 이들 이온은 전자를 받아들여, 다른 금속과 합금을 만든다. 충전 과정 동안, 이러한 과정은 반대되어, 합금은 원래의 성분 요소로 분해된다. 대규모 전지에서 단락을 일으키는 타일러 불안정을 피하기 위해서는, 전류를 역방향으로 통과하게 이끄는 내부 튜브를 Stefani 박사는 제안했다. 이것이 이 전지의 용량을 상당히 늘릴 것이다.

로젠도르프 연구진은 Riga의 연구진과 협력하여 1999년 성공적으로 지구와 태양의 자기장 생성을 도맡고 있는 다이나모 효과(Dynamo-effect)를 처음으로 실험적으로 증명하였다. 라이프니쯔 천체 물리학 연구소와 공동으로 그들은 2006년 행성과 블랙홀의 성장을 가능케 하는 자기-순환 불안정을 실험실에서 만들어 낼 수 있었다. 미래 프로젝트인 DRESDYN에서 연구진은 액체 나트륨을 이용한 두 개의 큰 실험을 현재 준비하고 있다. 세차(precession)의 영향와 자기 불안정성의 결합하에서 다이나모효과를 관찰하는 것이다.

그림) 타일러 불안정은 대규모 액체 금속 전지에도 영향을 미치며, 이는 미래의 재생 에너지 저장에 활용될 수 있을 것이다.