Wetenschappers hebben een supergeleidende magneet gebouwd die drieduizendmaal sterker is dan de kleine magneet die aan jouw koelkast hangt.
Grote kans dat je je koelkast hebt versierd met allerlei magneten. En gelukkig kun je die er weer elk moment af halen, wanneer je ze zat bent bijvoorbeeld. Maar dan moet je niet magneten ophangen die wetenschappers van het National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) in de VS hebben ontwikkeld. Zij hebben namelijk, onder leiding van de Nederlandse natuurkundige Huub Weijers, de krachtigste supergeleidende magneet op aarde gebouwd. Het magnetisch veld tikte de 32 Tesla aan, 33 procent sterker dan het vorige record en drieduizendmaal sterker dan een kleine koelkastmagneet.
Supergeleiders
De nieuwe magneet, 32T, bestaat uit een bijzondere combinatie van materialen, namelijk lage-temperatuur-supergeleiders en hoge-temperatuur-supergeleiders. Supergeleiders zijn stoffen die wrijvingsloos stroom doorlaten. Dit in tegenstelling tot niet-supergeleiders als koper, waarbij veel energie verloren gaat in de vorm van warmte.
Eerder dit jaar braken collega’s aan het MagLab het wereldrecord magneetsterkte voor een resistieve magneet, een magneet gemaakt van niet-supergeleidende materialen. De magneet haalde toen 41,4 Tesla. Maar hij slurpt daarbij wel een goede 32 megawatt op als energie. Ongeveer evenveel als 30 windturbines aan vermogen genereren.
Lage en hoge temperatuur
Nee, dan liever supergeleiders. Lage-temperatuur-supergeleiders werden al een eeuw geleden ontdekt. Ze hebben als nadeel dat ze alleen werken onder een bepaalde temperatuurgrens (-253,15 graden Celsius) en houden ermee op als het magnetische veld een sterkte van 25 Tesla bereikt. Om de MRI-apparaten in ziekenhuis mee aan te drijven is dat prima. (De magneet in kwestie moet wel worden gekoeld door vloeibaar helium, maar dat is nog altijd goedkoper dan een resistieve magneet gebruiken.) Maar als je wereldrecords wilt vestigen, kom je er niet ver mee.
Gelukkig hebben wetenschappers sinds zo’n 30 jaar ook de beschikking over hoge-temperatuur-supergeleiders. Deze kunnen ook boven de -253 graden Celsius werken en kunnen krachtigere magneetvelden aan.
Grootste sprong vooruit
De magneet 32T maakt gebruikt van een conventionele lage-temperatuur-supergeleider als buitenmagneet (die neemt 15 Tesla voor zijn rekening) en de hoge-temperatuur-supergeleider YBCO (een combi van ytterbium, barium, koperoxide) als binnenmagneet (17 Tesla). Het geheel werkt bij een temperatuur van -269 graden Celsius.
“Wij zijn niet de eersten die een combinatie van lage- en hogetemperatuur-supergeleiders gebruiken”, mailt Weijers. “Er is een groep op de Tohoku-Universiteit in Japan die sinds een jaar een magneet van 24 Tesla in gebruik heeft. Maar wij maakten de grootste sprong (8 Tesla) vooruit in de geschiedenis van supergeleidende magneten, waar in de afgelopen veertig jaar de gemiddelde vooruitgang 0,2 Tesla per jaar was. Dat mag een doorbraak heten!”
Complex ontwerp
“Een magneetveld opwekken van 32 Tesla is specialistisch werk maar niet uitzonderlijk”, zegt natuurkundige en expert op het gebied van supergeleiding Thom Palstra (Universiteit Twente). “In Nijmegen en elders worden zelfs hogere velden opgewekt. Maar dan wel met behulp van conventionele technologie op basis van koperlegeringen. De energie die hiervoor nodig is, is gigantisch. Met supergeleidende technologie wordt dit gebruik teruggebracht tot een verwaarloosbare fractie.”
“Maar hoge-temperatuurgeleiders zijn zeer broze materialen; ze breken makkelijk”, vervolgt Palstra. “Bij deze magneetvelden zijn de krachten op het materiaal enorm en is het uitermate lastig om die krachten te beheersen. Dit vergt een complex ontwerp. Dat hebben ze knap gedaan!”
Het duurde dan ook zo’n 8 jaar en 150.000 mensuren om het bouwplan voor de krachtige magneet te maken en het team van Weijers moest voor de bouw diverse nieuwe technieken uitvinden om het hele systeem goed te kunnen isoleren en versterken. Maar het resultaat mag er zijn.
Naar 100 Tesla?
De onderzoekers denken trouwens dat het allemaal nog veel krachtiger kan. “Met de huidige materialen zijn we nog lang niet aan de grenzen van wat mogelijk is”, stelt Weijers. “Boven de 100 Tesla moet mogelijk zijn. Daar is nog wel heel wat engineering, tijd en geld voor nodig, en een stapsgewijze aanpak.”
Voor nu zijn al veel wetenschappers ontzettend blij met de bouw van deze krachtige magneet. Bezoekende chemici, biologen en natuurkundigen mogen er volgend jaar mee gaan werken. Vooral voor de quantummechanica vormt de magneet goed nieuws.”Dit staat wetenschappers toe verder door te dringen in het door quantummechanica-gedomineerde bereik van temperaturen dichtbij het absolute nulpunt”, vertelt Weijers’ collega Tim Murphy aan ons. “De 32T-magneet stelt wetenschappelijke onderzoek nu vrij letterlijk in staat de quantumsprong in die wereld te maken.”
Bronnen: National High Magnetic Field Laboratory, Science Alert
Beeld: National MagLab
Lees ook:
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!