Chiny budują rekordowy magnes – ale nie bez ceny

Chiny budują rekordowy magnes – ale nie bez ceny

W Chinach znajduje się obecnie najpotężniejszy na świecie magnes rezystancyjny, który wytwarza pole magnetyczne ponad 800 000 razy silniejsze niż ziemskie.

22 września magnes utrzymywał stałe pole magnetyczne o wartości 42,02 Tesli w ośrodku stałego wysokiego pola magnetycznego (SHMFF) w Instytutach Nauk Fizycznych Hefei Chińskiej Akademii Nauk. To osiągnięcie o włos pobiło rekord 41,4 Tesli ustanowiony w 2017 roku przez magnes rezystancyjny w amerykańskim Narodowym Laboratorium Wysokich Pola Magnetycznego (NHMFL) w Tallahassee na Florydzie. Magnesy rezystancyjne składają się z nawiniętych metalowych drutów i są stosowane w systemach magnesów na całym świecie.

Rekordzista z Chin kładzie podwaliny pod budowę niezawodnych magnesów, które potrafią utrzymać coraz silniejsze pola magnetyczne. Pozwoliłoby to badaczom uzyskać zaskakujące nowe spostrzeżenia fizyczne, mówi Joachim Wosnitza, fizyk z Dresden High Field Laboratory w Niemczech.

Magnes rezystancyjny, dostępny dla użytkowników międzynarodowych, to drugi ważny wkład Chin w globalne dążenie do generowania coraz silniejszych pól magnetycznych. W 2022 roku magnes hybrydowy SHMFF, będący połączeniem magnesu rezystancyjnego z magnesem nadprzewodzącym, wytworzył pole o natężeniu 45,22 Tesli i jest uważany za najpotężniejszy działający magnes trwały na świecie.

Narzędzie badawcze

Magnesy o wysokim polu są przydatnymi narzędziami do odkrywania ukrytych właściwości zaawansowanych materiałów, takich jak Nadprzewodniki – Materiały przewodzące prąd elektryczny w bardzo niskich temperaturach, nie tracąc przy tym ciepła. Wysokie pola dają także możliwość odkrycia zupełnie nowych zjawisk fizycznych, mówi Marc-Henri Julien, fizyk ciała stałego w Krajowym Laboratorium Intensywnych Pól Magnetycznych w Grenoble we Francji. „Możesz tworzyć nowe stany materii lub manipulować nimi” – wyjaśnia Julien.

Wysokie pola są również przydatne w eksperymentach opartych na bardzo czułych pomiarach, ponieważ zwiększają rozdzielczość i ułatwiają wykrywanie słabych zjawisk, mówi Alexander Eaton, fizyk ciała stałego na Uniwersytecie w Cambridge w Wielkiej Brytanii. „Każda dodatkowa Tesla jest wykładniczo lepsza od poprzedniej” – dodaje.

Guangli Kuang, fizyk specjalizujący się w wysokich polach magnetycznych w SHMFF, wyjaśnia, że ​​zespół spędził lata na modyfikowaniu magnesu, aby osiągnąć najnowszy rekord. „Nie było łatwo to zrealizować” – mówi.

Niezawodny, ale drogi

Magnesy rezystancyjne to starsza technologia, ale mogą utrzymywać pole magnetyczne przez dłuższy czas niż ich nowsze, hybrydowe i w pełni nadprzewodzące odpowiedniki, wyjaśnia Wosnitza. Ich pola magnetyczne można również zwiększać znacznie szybciej, co czyni je wszechstronnymi narzędziami eksperymentalnymi. „Możesz po prostu przełączyć przełącznik i w ciągu kilku minut przejść od zera Tesli do wysokich pól” – mówi.

Dużą wadą magnesów rezystancyjnych jest duże zużycie energii, co czyni je drogimi, twierdzi Eaton. Zatem magnes rezystancyjny SHMFF pobrał 32,3 megawatów energii elektrycznej, aby wytworzyć rekordowe pole. „Aby uzasadnić to źródło, trzeba mieć bardzo dobry powód naukowy” – wyjaśnia Eaton.

To wyzwanie napędza wyścig w opracowaniu magnesów hybrydowych i w pełni nadprzewodzących, które mogą generować duże pola przy mniejszym zużyciu energii. W 2019 roku badacze z NHMFL zbudowali zminiaturyzowany magnes nadprzewodzący będący dowodem słuszności koncepcji, który na krótko Pole 45,5 Tesli utrzymywane, a obecnie opracowują większy magnes nadprzewodzący o mocy 40 Tesli do eksperymentów. Zespół SHMFF buduje magnes hybrydowy o mocy 55 Tesli. Chociaż oczekuje się, że te nowsze magnesy będą tańsze w obsłudze niż ich rezystancyjne poprzedniki, wiążą się z nimi własne wyzwania: są droższe w produkcji i wymagają skomplikowanych systemów chłodzenia, wyjaśnia inżynier Mark Bird, współkierownik nauki i technologii magnetycznej w NHMFL. „Technologia jest wciąż rozwijana, a koszty nie są jeszcze jasne” – mówi Bird.