Magnes wielkości dłoni, który czyni cuda
Silne pola magnetyczne są kluczowym narzędziem współczesnej nauki. Wykorzystuje się je między innymi w badaniach materiałów, fizyce ciała stałego czy w technikach spektroskopowych takich jak rezonans magnetyczny. Problem polega na tym, iż generowanie pól o natężeniu przekraczającym kilkadziesiąt tesli zwykle wymaga ogromnych instalacji badawczych. Najsilniejsze magnesy na świecie są częścią specjalistycznych laboratoriów i mogą zużywać nawet dziesiątki megawatów energii elektrycznej. Dla porównania rekordowy magnes w Narodowym Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych w Stanach Zjednoczonych osiąga około 45,5 tesli, lecz jego działanie wymaga infrastruktury o skali przemysłowej.
Czytaj też: Zmieniają kierunek rozchodzenia się światła. Aż trudno uwierzyć, jak wiele zmienia nowy materiał
Nowy projekt znacząco zmniejsza skalę takiego urządzenia. Opracowane przez badaczy magnesy mają zaledwie około 63 milimetry średnicy, czyli mniej więcej tyle, ile szerokość dłoni. Mimo niewielkich rozmiarów generują pole magnetyczne o natężeniu od 38 do 42 tesli. Otwór wewnętrzny, w którym powstaje pole, ma średnicę około 3,1 milimetra. Tak duża siła pola w tak małej objętości stanowi jedno z najbardziej kompaktowych rozwiązań tego typu, jakie dotąd zaprezentowano.
Kluczem do osiągnięcia takiej wydajności było wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych, czyli materiałów, które po schłodzeniu przewodzą prąd elektryczny bez oporu. W konstrukcji zastosowano taśmy wykonane z materiału REBCO (tlenku baru, miedzi i metali ziem rzadkich). Taśmy te mogą przewodzić ogromne prądy elektryczne przy bardzo niewielkich stratach energii, co umożliwia generowanie ekstremalnych pól magnetycznych w znacznie mniejszej objętości niż w przypadku tradycyjnych elektromagnesów.
To nie tylko teoretyczny rekord, ale i masa potencjalnych zastosowań
Inżynierowie zastosowali również nietypową architekturę uzwojenia. Taśmy nadprzewodzące zwijano w płaskie, dyskowe cewki przypominające kształtem naleśniki, a następnie układano je jedna na drugiej w zwarte stosy. Taka konstrukcja pozwala bardzo silnie skoncentrować pole magnetyczne w niewielkim obszarze. Dodatkową innowacją było nawijanie taśmy w jednym ciągłym odcinku, bez wielu połączeń elektrycznych między segmentami. W klasycznych magnesach takie złącza powodują straty energii i generują ciepło, które ogranicza maksymalne osiągane pole magnetyczne.
Podczas testów przez cewki przepuszczono prąd przekraczający 1000 amperów. W takich warunkach prototypowe magnesy osiągnęły wartości odpowiednio 38 i 42 tesli. Wyniki pokazują, iż konstrukcja oparta wyłącznie na nadprzewodnikach wysokotemperaturowych może w przyszłości zastąpić znacznie większe systemy wymagające ogromnych instalacji zasilających.
Czytaj też: Silnik przyszłości nie potrzebuje większej mocy. Potrzebuje lepszego materiału
Potencjalne zastosowania tej technologii są bardzo szerokie. Należy do nich między innymi spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego, która pozwala badać strukturę cząsteczek chemicznych i biomolekuł. Obecnie aparatura NMR wykorzystująca bardzo silne pola magnetyczne jest duża, kosztowna i dostępna głównie w wyspecjalizowanych centrach badawczych. Czas więc na zmiany. Kompaktowe magnesy o tak dużej mocy mogą również znaleźć zastosowanie w badaniach nowych materiałów, fizyce kwantowej oraz technologii medycznej.
Źródło: Science Advances
