Magnet stellt Weltrekord mit 45 auf.5 Tesla

Es ist das stärkste kontinuierliche DC-Magnetfeld, das jemals aufgezeichnet wurde und könnte Wissenschaftlern helfen, Kernfusion und exotische Materiezustände zu untersuchen

Ein neuer, teilweise supraleitender Mehrkomponenten-Elektromagnet – derzeit der stärkste Gleichstrommagnet der Welt – könnte einen Weg zu noch wesentlich stärkeren Magneten aufzeigen. Die neue Magnettechnologie könnte Wissenschaftlern helfen, viele andere Phänomene zu untersuchen, darunter Kernfusion, exotische Materiezustände, „formverändernde“ Moleküle und interplanetare Raketen, um nur einige zu nennen.

Das National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, beherbergt vier Arten von fortschrittlichen, ultrastarken Magneten. Einer unterstützt Magnetresonanzstudien. Ein anderer ist für die Massenspektrometrie konfiguriert. Und ein anderer Typ erzeugt die stärksten Magnetfelder der Welt. (Die MagLab-Schwestereinrichtungen an der University of Florida und am Los Alamos National Laboratory verfügen über drei weitere Hochleistungsmagnete für andere Forschungsbereiche.)

Es ist die letzte Kategorie auf dem Campus in Tallahassee – der stärkste Magnet der Welt -, die die neueste Forschung zu ergänzen versucht. Die sogenannte MagLab DC Field Facility, die seit 1999 in Betrieb ist, nähert sich der Grenze der Stärke der Magnetfelder, die sie mit ihren aktuellen Materialien und Technologien erzeugen kann.

Der Gleichstrommagnet des MagLab hält eine Feldstärke von 45 Tesla aufrecht, was bis vor kurzem das stärkste kontinuierliche Magnetfeld der Welt war. (Nicht zu verwechseln mit der gleichnamigen Elektroauto-Marke, Tesla ist auch eine Einheit der magnetischen Feldstärke. Je höher der Tesla-Wert, desto stärker ist der Magnet. Zum Vergleich: Ein typisches MRT-Gerät ist um einen supraleitenden Magneten mit einer Feldstärke von etwa 3 Tesla herum gebaut. Das Erdmagnetfeld, das an der Erdoberfläche zu spüren ist, beträgt 0,00005 T.)

Der neue Forschungsmagnet übertrifft den MagLab-Gleichfeldmagneten um ein Haar, indem er ein kontinuierliches Feld von 45,5 T aufrechterhält. Aber es ist nicht der leichte Vorsprung in der Stärke, der so vielversprechend ist, sagt David Larbalestier, leitender Materialwissenschaftler am Magnetfeldlabor.

„Das ist ein Vorstoß in den Bereich von 50 Tesla“, sagt Larbalestier.

Der neue Magnet, der in einem kürzlich erschienenen Brief an die Zeitschrift Nature beschrieben wurde, verwendet ein Hochtemperatur-Supraleitermaterial, das auf die Temperatur von flüssigem Helium abgekühlt ist, die bei Supraleitern alter Schule verwendet wird. Das Abkühlen dieses speziellen Supraleiters unter seine kritische Temperatur (die Temperatur, unter der er jeglichen elektrischen Widerstand verliert) erhöht tatsächlich seine Fähigkeit, höhere Ströme zu verarbeiten. Und höhere Ströme bedeuten natürlich auch höhere Magnetfelder.

Ältere Supraleiter, wie sie in MRT-Magneten verwendet werden, können laut Larbalestier keine Magnetfelder von mehr als 30 Tesla verarbeiten. Die Cooper-Elektronenpaare, die für die quantensupraleitenden Eigenschaften des Materials entscheidend sind, werden zu instabil, so dass der Supraleiter seine Null-Widerstands-Eigenschaften verliert und wie eine achtspurige Autobahn zum Stillstand kommt.

Um einen supraleitenden Magneten über längere Zeit zu betreiben, ist es wichtig, einen sogenannten katastrophalen „Quench“ zu vermeiden. (Die supraleitenden Magnete des Large Hadron Collider litten 2008 bekanntlich unter diesem Problem.)

„Wir betreiben diese in flüssigem Helium, weil die Supraleitung stärker wird, je tiefer man in der Temperatur geht“, sagt Larbalestier. „Und was wir vermeiden wollen, ist die Zerstörung der Supraleitung durch das Magnetfeld.“

Die andere Innovation, die dem Magneten hilft, das Quenching zu vermeiden oder zu reduzieren, ist seine fehlende Isolierung. Larbalestier sagt, ein typischer Elektromagnet hätte eine elektrische Isolierung zwischen den Schichten des supraleitenden Bandes.

Aber seine Gruppe entdeckte, dass nicht isoliertes Band, das Schicht auf Schicht gelegt wird – wie mehrere Ace-Binden, die um den Knöchel eines Sportlers gewickelt werden – sich ein wenig wie ein einlagiger dicker Supraleiter verhält.

Ein Hindernis oder eine Verunreinigung im supraleitenden Gitter könnte also in einem einlagigen Stück Klebeband aus Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxid (REBCO) die Cooper-Paare behindert und diesen Abschnitt des Supraleiters über die Übergangstemperatur hinaus erhitzt haben. Und das ist ein Quench – was das Aus für das starke Feld des Magneten bedeutet.

Wenn man die Isolierung vermeidet, können die Cooper-Paare um eine Verunreinigung im Gitter herum geleitet werden, wodurch der Quench vermieden wird.

Das Forscherteam hat die Fähigkeit des Magneten, mit stärkeren Feldern umzugehen, stetig verbessert. (Sie haben auch das Feld erhöht, indem sie den supraleitenden Magneten innerhalb eines größeren Kupfer- und Silbermagneten platziert haben.)

„Wir sind immer noch daran interessiert, an die Grenzen zu gehen“, sagt Larbalestier. „So ist das Innere des neuen 32-T-Benutzermagneten aus diesem REBCO-Band gefertigt. Und wir sahen die Möglichkeit, neue Varianten des Bandes zu bekommen … die sehr dünn sind – und eine neue Methode, einen supraleitenden Magneten ohne Isolierung zu konstruieren, die der Hauptautor unserer Arbeit, Seungyong Hahn, erfunden hat.“

Die Gruppe glaubt, dass sie ihre Technologie mindestens bis in die 50er Jahre des Teslas der Feldstärke iterieren kann. Aber Larbalestier sieht keinen klaren Grund, warum sie dort aufhören sollten.

„Die wirkliche Bedeutung hier ist, dass es eine Validierung dieser Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxid-Supraleiter für sehr hohe Feldstärke bei niedrigen Temperaturen ist“, sagt er. „Und ich denke, es sagt deutlich, dass der Weg zu 60 Tesla … im Prinzip jetzt offen ist.“

Dieser Beitrag wurde am 18. Juni 2019 aktualisiert.