Magnet Sets World Record at 45.5 Teslach

To najsilniejsze ciągłe pole magnetyczne DC, jakie kiedykolwiek zarejestrowano i może pomóc naukowcom w badaniu fuzji jądrowej i egzotycznych stanów materii

Nowy wieloskładnikowy, częściowo nadprzewodzący elektromagnes – obecnie najsilniejszy na świecie magnes prądu stałego jakiegokolwiek rodzaju – ma szansę odkryć drogę do znacznie silniejszych magnesów. Nowa technologia magnesów może pomóc naukowcom w badaniu wielu innych zjawisk, w tym fuzji jądrowej, egzotycznych stanów materii, molekuł „zmieniających kształt” i rakiet międzyplanetarnych, by wymienić tylko kilka z nich.

Narodowe Laboratorium Wysokiego Pola Magnetycznego w Tallahassee na Florydzie jest domem dla czterech typów zaawansowanych, ultra silnych magnesów. Jeden z nich służy do badań nad rezonansem magnetycznym. Inny jest skonfigurowany do spektrometrii masowej. Jeszcze inny typ wytwarza najsilniejsze pole magnetyczne na świecie. (Siostrzane kampusy MagLab na Uniwersytecie Florydy i Los Alamos National Laboratory zapewniają jeszcze trzy magnesy o dużej pojemności dla innych dziedzin nauki.)

To właśnie ta ostatnia kategoria na kampusie w Tallahassee – najsilniejszy magnes na świecie – jest przedmiotem najnowszych badań, które starają się uzupełnić. Tak zwany MagLab DC Field Facility, działający od 1999 roku, zbliża się do granicy wytrzymałości pola magnetycznego, które może wytworzyć przy użyciu obecnych materiałów i technologii.

Magnes DC MagLabu utrzymuje stałe natężenie pola 45 Tesli, co do niedawna było najsilniejszym ciągłym polem magnetycznym wytwarzanym na świecie. (Nie należy mylić z marką samochodów elektrycznych o tej samej nazwie, Tesla jest również jednostką natężenia pola magnetycznego. Im wyższy wskaźnik Tesli, tym silniejszy magnes. Dla porównania, typowy aparat MRI zbudowany jest z nadprzewodzącego magnesu o natężeniu pola około 3 Tesli. Ziemskie pole magnetyczne, odczuwalne na powierzchni planety, wynosi 0,00005 T.)

Nowy magnes badawczy o włos wyprzedza magnes MagLab DC Field, utrzymując ciągłe pole o wartości 45,5 T. Jednak to nie niewielka przewaga w sile jest tak obiecująca, mówi David Larbalestier, główny specjalista ds. materiałów w Magnetic Field Laboratory.

„To jest przyczółek na terytorium 50 Tesli,” mówi Larbalestier.

Nowy magnes, opisany w niedawnym liście do czasopisma Nature, wykorzystuje wysokotemperaturowy materiał nadprzewodzący, schłodzony do temperatury ciekłego helu, z którego korzystają nadprzewodniki starej szkoły. Schłodzenie tego konkretnego nadprzewodnika poniżej jego temperatury krytycznej (temperatury, poniżej której traci on wszelką oporność elektryczną) w rzeczywistości zwiększa jego zdolność do radzenia sobie z większymi prądami. A wyższe prądy przekładają się oczywiście na wyższe pola magnetyczne.

Starsze nadprzewodniki, takie jak te używane w magnesach MRI, nie są w stanie obsłużyć pól magnetycznych przekraczających 30 Tesli, twierdzi Larbalestier. Pary elektronów Coopera, kluczowe dla kwantowych właściwości nadprzewodnictwa w tym materiale, stają się zbyt niestabilne, więc nadprzewodnik traci swoje właściwości zerowego oporu i staje się jak ośmiopasmowa autostrada zatrzymana.

Uniknięcie tak zwanego katastrofalnego „wygaszenia” jest niezbędne do działania magnesu nadprzewodzącego przez dłuższy czas. (W 2008 roku problem ten dotknął magnesy nadprzewodzące Wielkiego Zderzacza Hadronów.)

„Pracujemy w ciekłym helu, ponieważ nadprzewodnictwo staje się tym silniejsze, im niższa jest temperatura” – mówi Larbalestier. „Chcemy uniknąć zniszczenia nadprzewodnictwa przez pole magnetyczne.”

Inną innowacją, która pomaga magnesowi uniknąć lub ograniczyć wygaszanie, jest brak izolacji. Larbalestier twierdzi, że typowy elektromagnes miałby izolację elektryczną pomiędzy warstwami taśmy nadprzewodzącej.

Jego grupa odkryła jednak, że nieizolowana taśma ułożona warstwa po warstwie – jak wiele bandaży Ace owiniętych wokół kostki sportowca – zachowuje się trochę jak jednowarstwowy gruby nadprzewodnik.

Więc jakaś przeszkoda lub zanieczyszczenie w siatce nadprzewodzącej może, w jednowarstwowym kawałku taśmy wykonanej z rzadkiego tlenku baru miedzi (REBCO), utrudnić powstawanie par Coopera i podgrzać tę część nadprzewodnika powyżej temperatury przemiany. A to oznacza wygaszenie – czyli koniec gry dla silnego pola magnesu.

Uniknięcie izolacji pozwala parom Coopera na obejście nieczystości w sieci, unikając wygaszenia.

Zespół badawczy stale poprawia zdolność magnesu do radzenia sobie z silniejszymi polami. (Zwiększyli również pole poprzez umieszczenie nadprzewodzącego magnesu wewnątrz większego magnesu z miedzi i srebra.)

„Wciąż jesteśmy zainteresowani przesuwaniem się do przodu” – mówi Larbalestier. „Wnętrze nowego magnesu użytkownika o mocy 32 T zostało wykonane z taśmy REBCO. Zobaczyliśmy możliwość uzyskania nowych wariantów taśmy… bardzo cienkich, a także nową metodę konstruowania magnesu nadprzewodzącego bez izolacji, wynalezioną przez głównego autora naszej pracy, Seungyonga Hahna.”

Grupa uważa, że jest w stanie rozwinąć swoją technologię co najmniej do 50-tych Tesli natężenia pola. Larbalestier nie widzi jednak żadnego wyraźnego powodu, dla którego mieliby się na tym zatrzymać.

„Prawdziwe znaczenie ma tutaj walidacja nadprzewodników z rzadkiego tlenku baru i miedzi do stosowania w bardzo wysokich temperaturach”, mówi. „I myślę, że to wyraźnie mówi, że droga do 60 Tesli … jest, w zasadzie, teraz otwarta.”

Ten post został zaktualizowany 18 czerwca 2019 r.