Voor het eerst hebben onderzoekers een supergeleidende miniatuurmagneet gemaakt die de sterkte van enkele van ‘s werelds krachtigste industriële magneten evenaart. Deze prestatie vertegenwoordigt een aanzienlijke sprong voorwaarts in de magneettechnologie, waardoor mogelijk de toegang tot magnetische toepassingen met een hoog veld wordt gedemocratiseerd die voorheen beperkt waren door omvang en kosten.
De uitdaging van sterke magnetische velden
Sterke magneten zijn van cruciaal belang voor diverse vakgebieden, waaronder medische beeldvorming (MRI), onderzoek naar deeltjesfysica en experimentele fusie-energie. De krachtigste magneten zijn traditioneel afhankelijk van supergeleiders – materialen die elektriciteit vrijwel zonder weerstand geleiden. Deze supergeleiders vereisen echter vaak een enorme infrastructuur: kleinere versies zijn nog steeds even groot als een klein voertuig, terwijl de grootste vergelijkbaar zijn met gebouwen met meerdere verdiepingen.
De nieuwe miniatuurmagneet
Een team van ETH Zürich, onder leiding van Alexander Barnes, heeft een supergeleidende magneet met een diameter van slechts 3,1 millimeter ontwikkeld die qua sterkte met deze grotere systemen concurreert. De doorbraak kwam door het oprollen van een ultradunne tape van REBCO, een keramische supergeleider, en deze af te koelen tot extreem lage temperaturen. Via een iteratieve ‘fail fast’-aanpak waarbij meer dan 150 prototypes betrokken waren, voltooide het team een ontwerp met twee of vier pannenkoekvormige REBCO-spoelen.
Prestatiestatistieken
De resulterende magneten genereren velden van 38 tot 42 Tesla – wat de sterkte van typische koelkastmagneten (minder dan 0,01 Tesla) ver overtreft. Ter context: het huidige wereldrecord voor stabiele magnetische velden ligt rond de 45 Tesla, maar hiervoor is apparatuur van meerdere tonnen en tot 30 megawatt aan vermogen nodig. De magneet van Barnes werkt op minder dan 1 watt.
Implicaties en toekomstige toepassingen
Het directe doel is om deze technologie te integreren in nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. NMR is een techniek die wordt gebruikt om de structuur van moleculen te bepalen, maar de toegankelijkheid ervan wordt beperkt door de omvang en de kosten van de huidige magnetische systemen. Door magneten met een hoog veld kleiner en betaalbaarder te maken, zou deze innovatie geavanceerde chemische analyse toegankelijk kunnen maken voor een breder scala aan onderzoekers.
Expertperspectief
Mark Ainslie van King’s College London bevestigt het belang: “Het produceren van velden boven de 40 Tesla vereist traditioneel zeer grote en dure faciliteiten… het bereiken van vergelijkbare veldsterktes in zo’n compact apparaat is aanzienlijk.”
Er is echter verdere verfijning nodig. Er blijven vragen bestaan over de uniformiteit van het magnetische veld en de precieze controle over elektromagnetisch gedrag voordat dit op grote schaal wordt toegepast. Niettemin suggereert deze ontwikkeling dat magneten met een hoog veld binnenkort toegankelijker kunnen worden voor laboratoria in verschillende disciplines.
Deze vooruitgang belooft een nieuwe vorm te geven aan de manier waarop we magnetische toepassingen met een hoog veld benaderen, waardoor krachtige tools beschikbaar worden voor een breder scala aan wetenschappelijke en industriële gebruikers.
