Een nieuwe magneet, half zo groot als een kartonnen toiletpapierrol, nam de titel van 's werelds sterkste magnetische veld' toe aan de metalen titaan die het twee decennia lang had vastgehouden in het National High Magnetic Field Laboratory, met het hoofdkantoor van de Florida State University.

En de makers zeggen dat we nog niets hebben gezien:door een magneet met een uitzonderlijk hoog veld in een spoel te stoppen die je in een tas zou kunnen verpakken, Wetenschappers en ingenieurs van MagLab hebben een manier laten zien om elektromagneten te bouwen en te gebruiken die sterker zijn, kleiner en veelzijdiger dan ooit tevoren.

Hun werk wordt beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur .

"We openen echt een nieuwe deur, " zei MagLab-ingenieur Seungyong Hahn, het brein achter de nieuwe magneet en een universitair hoofddocent aan het FAMU-FSU College of Engineering. "Deze technologie heeft een zeer goed potentieel om de horizon van high-field-toepassingen volledig te veranderen vanwege het compacte karakter."

Deze nieuwe magneet is een dappere David voor de conventionele Goliaths van het MagLab, zei National MagLab-directeur Greg Boebinger.

"Dit is inderdaad een miniaturisatiemijlpaal die mogelijk voor magneten zou kunnen doen wat silicium heeft gedaan voor elektronica, " zei hij. "Deze creatieve technologie zou kunnen leiden tot kleine magneten die groot werk doen op plaatsen zoals deeltjesdetectoren, kernfusiereactoren en diagnostische hulpmiddelen in de geneeskunde."

Gary Ostrander, vice-president voor onderzoek aan de Florida State University, zei dat het nieuwe record een eerbetoon is aan de vindingrijkheid van de faculteit en het interdisciplinaire karakter van onderzoek in het laboratorium.

"Onze onderzoekers hebben hier een opmerkelijke prestatie neergezet, " zei hij. "Deze technologie laat echt zien hoe de kracht van onze faculteit in combinatie met de middelen van het lab tot iets bijzonders kan leiden."

nieuwe materialen, nieuw ontwerp

De miniatuurmagneet gemaakt door Hahn en zijn team genereerde een wereldrecord magnetisch veld van 45,5 tesla. Een typische MRI-magneet voor ziekenhuizen is ongeveer 2 of 3 tesla, en de sterkste, continu-veldmagneet ter wereld is het eigen 45-tesla hybride instrument van MagLab, een kolos van 35 ton die dat record sinds 1999 heeft behouden.

De 45-T, zoals dat heet, is nog steeds 's werelds sterkste werkende magneet, baanbrekend natuurkundig onderzoek naar materialen mogelijk maken. Maar bij een proef de halve pint-magneet uitgevonden door Hahn, de weegschaal kantelen op 390 gram (0,86 pond), overtrof het veld van de regerend kampioen kort met een halve tesla, een overtuigend proof of concept.

Hoe kan zoiets kleins zo'n groot veld creëren? Door gebruik te maken van een veelbelovende nieuwe geleider en een nieuw magneetontwerp.

Zowel de 45-T-magneet als de 45,5-T-testmagneet zijn gedeeltelijk gebouwd met supergeleiders, een klasse geleiders met bijzondere eigenschappen, inclusief de mogelijkheid om elektriciteit met perfecte efficiëntie te vervoeren.

De supergeleiders die in de 45-T worden gebruikt, zijn legeringen op basis van niobium, die al tientallen jaren bestaan. Maar in de 45,5-T proof-of-principle magneet, Het team van Hahn gebruikte een nieuwere verbinding genaamd REBCO (zeldzame aarde-bariumkoperoxide) met veel voordelen ten opzichte van conventionele supergeleiders.

Opmerkelijk, REBCO kan meer dan twee keer zoveel stroom voeren als een sectie van dezelfde grootte van een op niobium gebaseerde supergeleider. Deze stroomdichtheid is cruciaal:de elektriciteit die door een elektromagneet loopt, wekt zijn veld op, dus hoe meer je erin kunt proppen, hoe sterker het veld.

Ook cruciaal was het specifieke REBCO-product dat werd gebruikt:flinterdun, tape-vormige draden vervaardigd door SuperPower Inc.

MagLab Chief Materials Scientist David Larbalestier, die ook professor is aan het FAMU-FSU College of Engineering, zag de belofte van het product om meer kracht in een potentiële wereldrecordmagneet te stoppen, en moedigde Hahn aan om het eens te proberen.

Het andere belangrijke ingrediënt was niet iets dat ze erin stopten, maar eerder iets dat ze hebben weggelaten:isolatie.

De elektromagneten van vandaag bevatten isolatie tussen geleidende lagen, die de stroom langs het meest efficiënte pad leidt. Maar het voegt ook gewicht en volume toe.

Innovatie van Hahn:een supergeleidende magneet zonder isolatie. Naast het opleveren van een slanker instrument, dit ontwerp beschermt de magneet tegen een storing die bekend staat als quench. Quenches kunnen optreden wanneer schade of onvolkomenheden in de geleider de stroom van het aangewezen pad blokkeren, waardoor het materiaal opwarmt en zijn supergeleidende eigenschappen verliest. Maar als er geen isolatie is, die stroom volgt gewoon een ander pad, het afwenden van een blussing.

"Het feit dat de windingen van de spoel niet van elkaar zijn geïsoleerd, betekent dat ze de stroom heel gemakkelijk en effectief kunnen delen om een ​​van deze obstakels te omzeilen, " legde Larbalestier uit, corresponderende auteur op de Nature paper.

Er is nog een ander afslankend aspect van het ontwerp van Hahn dat betrekking heeft op blussers:supergeleidende draden en banden moeten wat koper bevatten om de warmte van potentiële hotspots te helpen afvoeren. Zijn "niet-isolatie" spoel, met tapes van slechts 0,043 mm dik, vereist veel minder koper dan conventionele magneten.

Met de begeleiding van veteraan MagLab-ingenieur Iain Dixon, het team bouwde snel achter elkaar drie steeds krachtigere prototypes die bekend werden als de Little Big Coil (LBC) -serie. Onderweg, zij verfijnden, loste problemen op en gebruikte steeds betere supergeleiders.

De zoektocht naar antwoorden bracht het team naar het snijvlak van technologie - vrij letterlijk.

Als gevolg van productiebeperkingen, REBCO-tapes worden vervaardigd met een specifieke breedte van —12 mm, of ongeveer een halve inch. Om aan de eisen van de LBC te voldoen, echter, die tapes moesten in de lengte worden gesneden tot 4 mm breed.

Dat is moeilijk om te doen, zelfs met de grootste zorg, omdat REBCO vrij bros is. Als resultaat, de zijkanten van de tape die was gesneden waren kwetsbaar voor scheuren onder de mechanische spanning van hoge magnetische velden.

"Dat werd prachtig ontdekt in deze experimenten, "Zei Larbalestier. "We hebben een manier gevonden om deze schade te beheersen, dat is erop aandringen dat we materiaal kopen dat één niet-gespleten rand heeft, en we oriënteren de niet-spleetrand weg van het midden van de magneet. En onder deze omstandigheden tot nu toe zien we geen schade."

De volgende stap? Meer onderzoek en probleemoplossing. Het LBC-ontwerp van Hahn wordt momenteel overwogen voor gebruik in een potentieel recordbrekende toekomstige supergeleidende magneet die nu in onderzoek en ontwikkeling wordt gefinancierd door de National Science Foundation.

"Het fundamentele probleem van REBCO is dat het een geleider met één filament is die niet perfect kan worden gemaakt, "Zei Larbalestier. "Dus elke lengte van de geleider bevat een verscheidenheid aan defecten waarvan de impact op een toekomstige magneet nog niet goed wordt begrepen. Maar we houden van dit soort uitdagingen."

Zelfs met deze uitdagingen wetenschappers zijn nog steeds enthousiast over de vooruitgang die is geboekt.

"Toen NSF decennia geleden voor het eerst het National High Magnetic Field Laboratory lanceerde, het bracht een revolutie teweeg in het gebruik van krachtige magneten voor onderzoek, " zei Linda Sapochak, directeur van de afdeling materiaalonderzoek van NSF. "Bij de aankondiging van hun nieuwe wereldrecordbrekende magneet, het MagLab heeft laten zien dat het voorop blijft lopen op dit gebied, en de doorbraken die zullen volgen."

Leonard Spinu, de NSF-programmamanager die toezicht houdt op de financiering van het MagLab, herhaalde de opmerkingen van Sapochak.

"Deze doorbraak zal de NSF-ondersteunde inspanning van MagLab versnellen om energie-efficiënte, hoogveldmagneten, die, wanneer gerealiseerd, de nationale toegang tot deze technologie zou kunnen democratiseren, " hij zei.