China bouwt aan een recordmagneet – maar niet zonder prijs

China bouwt aan een recordmagneet – maar niet zonder prijs

China is nu de thuisbasis van de krachtigste resistieve magneet ter wereld, die een magnetisch veld produceerde dat meer dan 800.000 keer sterker was dan dat van de aarde.

Op 22 september handhaafde de magneet een constant magnetisch veld van 42,02 Tesla bij de Steady High Magnetic Field Facility (SHMFF) van het Hefei Institute of Physical Sciences van de Chinese Academie van Wetenschappen. Deze mijlpaal verslaat nipt het record van 41,4 Tesla dat in 2017 werd gevestigd door een resistieve magneet in het Amerikaanse National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Tallahassee, Florida. Resistieve magneten bestaan ​​uit gewikkelde metaaldraden en worden wereldwijd in magneetsystemen gebruikt.

De recordhouder uit China legt de basis voor het bouwen van betrouwbare magneten die steeds sterkere magneetvelden in stand kunnen houden. Hierdoor zouden onderzoekers verrassende nieuwe fysische inzichten kunnen verwerven, zegt Joachim Wosnitza, natuurkundige aan het Dresden High Field Laboratory in Duitsland.

De resistieve magneet, open voor internationale gebruikers, is China's tweede grote bijdrage aan de mondiale drang om steeds hogere magnetische velden te genereren. In 2022 produceerde de hybride magneet van de SHMFF, die een resistieve magneet combineert met een supergeleidende magneet, een veld van 45,22 Tesla en wordt beschouwd als de krachtigste werkende permanente magneet ter wereld.

Onderzoeksinstrument

Hoogveldmagneten zijn nuttige hulpmiddelen voor het onthullen van verborgen eigenschappen van geavanceerde materialen zoals Supergeleiders – Materialen die bij zeer lage temperaturen elektriciteit geleiden zonder warmte te verliezen. Hoge velden bieden ook de mogelijkheid om geheel nieuwe fysische verschijnselen te ontdekken, zegt Marc-Henri Julien, vastestoffysicus bij het Nationaal Laboratorium voor Intense Magnetische Velden in Grenoble, Frankrijk. “Je kunt nieuwe toestanden van materie creëren of manipuleren”, legt Julien uit.

Hoge velden zijn ook nuttig voor experimenten op basis van zeer gevoelige metingen, omdat ze de resolutie verhogen en het gemakkelijker maken om zwakke verschijnselen te detecteren, zegt Alexander Eaton, een vastestoffysicus aan de Universiteit van Cambridge, VK. “Elke extra Tesla is exponentieel beter dan de vorige”, voegt hij eraan toe.

Guangli Kuang, een natuurkundige die bij SHMFF gespecialiseerd is in hoge magnetische velden, legt uit dat het team jarenlang de magneet heeft aangepast om het nieuwste record te bereiken. “Het was niet eenvoudig om dit voor elkaar te krijgen”, zegt hij.

Betrouwbaar maar duur

Resistieve magneten zijn een oudere technologie, maar kunnen magnetische velden langer in stand houden dan hun nieuwere hybride en volledig supergeleidende tegenhangers, legt Wosnitza uit. Hun magnetische velden kunnen ook veel sneller worden vergroot, waardoor ze veelzijdige experimentele hulpmiddelen zijn. “Je kunt gewoon een schakelaar omzetten en binnen enkele minuten van nul Tesla naar hoge velden gaan”, zegt hij.

Het grote nadeel van resistieve magneten is het hoge stroomverbruik, wat ze duur maakt, zegt Eaton. Dus de resistieve magneet van de SHMFF trok 32,3 megawatt aan elektriciteit om een ​​recordbrekend veld te creëren. “Je moet een hele goede wetenschappelijke reden hebben om deze hulpbron te rechtvaardigen”, legt Eaton uit.

Deze uitdaging stimuleert de race om hybride en volledig supergeleidende magneten te ontwikkelen die met minder energie hoge velden kunnen genereren. In 2019 bouwden NHMFL-onderzoekers een geminiaturiseerde, proof-of-concept supergeleidende magneet die kortstondig Veld van 45,5 Tesla onderhouden en ontwikkelen momenteel een grotere supergeleidende magneet van 40 Tesla voor experimenten. Het team van SHMFF bouwt een hybride magneet met 55 Tesla. Hoewel verwacht wordt dat deze nieuwere magneten minder duur in gebruik zullen zijn dan hun resistieve voorgangers, brengen ze hun eigen uitdagingen met zich mee: ze zijn duurder in de productie en vereisen ingewikkelde koelsystemen, legt ingenieur Mark Bird uit, co-lead van magnetische wetenschap en technologie bij NHMFL. “De technologie is nog in ontwikkeling en de kosten zijn nog niet duidelijk”, zegt Bird.