Zum ersten Mal haben Forscher einen supraleitenden Miniaturmagneten geschaffen, der die Stärke einiger der stärksten Industriemagnete der Welt erreicht. Diese Errungenschaft stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Magnettechnologie dar und könnte den Zugang zu Hochfeld-Magnetanwendungen demokratisieren, die bisher durch Größe und Kosten begrenzt waren.
Die Herausforderung starker Magnetfelder
Starke Magnete sind von entscheidender Bedeutung für verschiedene Bereiche, darunter medizinische Bildgebung (MRT), Teilchenphysikforschung und experimentelle Fusionsenergie. Die stärksten Magnete basieren traditionell auf Supraleitern – Materialien, die Elektrizität praktisch ohne Widerstand leiten. Allerdings erfordern diese Supraleiter oft eine umfangreiche Infrastruktur: Kleinere Versionen erreichen immer noch die Größe eines Kleinfahrzeugs, während die größten mit mehrstöckigen Gebäuden vergleichbar sind.
Der neue Miniaturmagnet
Ein Team der ETH Zürich unter der Leitung von Alexander Barnes hat einen supraleitenden Magneten mit nur 3,1 Millimetern Durchmesser entwickelt, der mit diesen größeren Systemen an Stärke konkurriert. Der Durchbruch gelang durch das Aufwickeln eines ultradünnen Bandes aus REBCO, einem keramischen Supraleiter, und das Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen. Durch einen iterativen „Fail-Fast“-Ansatz mit über 150 Prototypen finalisierte das Team einen Entwurf mit entweder zwei oder vier pfannkuchenförmigen REBCO-Spulen.
Leistungsmetriken
Die resultierenden Magnete erzeugen Felder von 38 bis 42 Tesla – weit über der Stärke typischer Kühlschrankmagnete (unter 0,01 Tesla). Zum Vergleich: Der aktuelle Weltrekord für konstante Magnetfelder liegt bei etwa 45 Tesla, erfordert jedoch tonnenschwere Ausrüstung und bis zu 30 Megawatt Leistung. Der Magnet von Barnes verbraucht weniger als 1 Watt.
Implikationen und zukünftige Anwendungen
Das unmittelbare Ziel besteht darin, diese Technologie in die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zu integrieren. NMR ist eine Technik zur Bestimmung der Struktur von Molekülen, ihre Zugänglichkeit ist jedoch durch die Größe und Kosten aktueller magnetischer Systeme begrenzt. Indem diese Innovation Hochfeldmagnete kleiner und erschwinglicher macht, könnte sie einem breiteren Spektrum von Forschern die fortschrittliche chemische Analyse eröffnen.
Expertenperspektive
Mark Ainslie vom King’s College London bestätigt die Bedeutung: „Die Erzeugung von Feldern über 40 Tesla erfordert traditionell sehr große und teure Anlagen … das Erreichen ähnlicher Feldstärken in einem so kompakten Gerät ist von Bedeutung.“
Allerdings ist eine weitere Verfeinerung erforderlich. Es bleiben Fragen zur Gleichmäßigkeit des Magnetfelds und zur präzisen Kontrolle des elektromagnetischen Verhaltens, bevor es weit verbreitet wird. Dennoch deutet diese Entwicklung darauf hin, dass Hochfeldmagnete bald für Labore verschiedener Disziplinen zugänglicher werden könnten.
Dieser Fortschritt verspricht, die Art und Weise, wie wir Hochfeld-Magnetanwendungen angehen, neu zu gestalten und leistungsstarke Werkzeuge einem breiteren Spektrum wissenschaftlicher und industrieller Anwender zugänglich zu machen.
