Po raz pierwszy badacze stworzyli miniaturowy magnes nadprzewodzący o sile porównywalnej z niektórymi z najpotężniejszych magnesów przemysłowych na świecie. To osiągnięcie stanowi znaczący krok w technologii magnetycznej, potencjalnie demokratyzując dostęp do zastosowań magnetycznych o dużym polu magnetycznym, wcześniej ograniczonych rozmiarem i kosztami.
Problem silnych pól magnetycznych
Silne magnesy mają kluczowe znaczenie w różnych zastosowaniach, w tym w obrazowaniu medycznym (MRI), badaniach fizyki cząstek elementarnych i eksperymentalnej energii termojądrowej. Najpotężniejsze magnesy tradycyjnie opierają się na nadprzewodnikach — materiałach przewodzących prąd praktycznie bez oporu. Jednak te nadprzewodniki często wymagają ogromnej infrastruktury: mniejsze wersje nadal dorównują rozmiarem małemu pojazdowi, a największe są porównywalne z wielopiętrowymi budynkami.
Nowy miniaturowy magnes
Zespół z ETH Zurich pod kierownictwem Alexandra Barnesa opracował magnes nadprzewodzący o średnicy zaledwie 3,1 milimetra, który pod względem wytrzymałości dorównuje większym systemom. Przełom nastąpił po nawinięciu ultracienkiej taśmy REBCO, będącej ceramicznym nadprzewodnikiem, i ochłodzeniu jej do ekstremalnie niskich temperatur. Dzięki iteracyjnemu podejściu polegającemu na uczeniu się na zasadzie niepowodzenia z ponad 150 prototypami zespół ostatecznie opracował projekt wykorzystujący dwie lub cztery cewki naleśnikowe REBCO.
Wskaźniki wydajności
Powstałe magnesy generują pola o natężeniu od 38 do 42 Tesli – czyli znacznie więcej niż siła konwencjonalnych magnesów na lodówkę (mniej niż 0,01 Tesli). Dla porównania, obecny rekord świata w zakresie stałego pola magnetycznego wynosi około 45 Tesli, ale wymaga wielu ton sprzętu i do 30 megawatów mocy. Magnes Barnesa działa przy mocy mniejszej niż 1 wat.
Implikacje i przyszłe zastosowania
Bezpośrednim celem jest włączenie tej technologii do spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). NMR to technika stosowana do określania struktury cząsteczek, ale jej dostępność jest ograniczona rozmiarem i kosztem nowoczesnych systemów magnetycznych. Zmniejszając rozmiar i koszt magnesów o wysokim polu, ta innowacja może udostępnić zaawansowaną analizę chemiczną szerszemu gronu badaczy.
Opinia eksperta
Mark Ainslie z King’s College London potwierdza znaczenie tej technologii: „Tworzenie pól o mocy powyżej 40 Tesli tradycyjnie wymagało bardzo dużych i kosztownych obiektów… osiągnięcie podobnego natężenia pola w tak kompaktowym urządzeniu jest znaczące”.
Konieczne jest jednak dalsze udoskonalenie. Pozostają pytania dotyczące jednorodności pola magnetycznego i precyzyjnej kontroli zachowania elektromagnetycznego, zanim nastąpi powszechne przyjęcie. Jednakże rozwój ten sugeruje, że magnesy o dużym polu magnetycznym mogą wkrótce stać się bardziej dostępne dla laboratoriów różnych dyscyplin.
Postęp ten może zmienić podejście do zastosowań magnetycznych o wysokim polu, udostępniając potężne narzędzia szerszemu gronu użytkowników naukowych i przemysłowych.
