42 Tesla: Neuer Höchstleistungs-Magnet misst nur wenige Millimeter

Forschende der ETH Zürich haben einen neuartigen Magneten entwickelt, der trotz seiner winzigen Größe eine außergewöhnlich hohe Magnetfeldstärke erreicht. Obwohl er nur wenige Millimeter groß ist, kann er mit großen, stationären Magnetanlagen mithalten.

Supraleitende Keramik

Starke Magnetfelder sind in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik unverzichtbar. Sie werden etwa in der Magnetresonanztomografie (MRT), in Teilchenbeschleunigern oder bei der Erforschung der Kernfusion eingesetzt. Besonders leistungsfähige Magnete basieren auf Supraleitern, Materialien, die elektrischen Strom nahezu verlustfrei leiten, wenn sie stark gekühlt werden.

Bislang waren solche Hochleistungsmagnete jedoch sehr groß. Kleinere Exemplare erreichen oft die Größe eines Haushaltsgeräts, während die größten Anlagen mehrere Stockwerke hoch sein können. Das Team um Alexander Barnes von der ETH Zürich wollte dieses Problem überwinden und entwickelte einen deutlich kompakteren Ansatz: Ihr neuer Magnet misst im Durchmesser gerade einmal 3,1 Millimeter.


Der neue Magnet besteht aus einem extrem dünnen Band eines keramischen Materials namens REBCO, das bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend wird. Dieses Band wurde zu kleinen Spulen aufgewickelt. Fließt Strom durch die Spulen, erzeugen sie ein starkes Magnetfeld. Die Forschenden kauften das Material von einem Hersteller und testeten anschließend mehr als 150 verschiedene Magnetdesigns, um die optimale Konstruktion zu finden.

Für winzige Kernspin-Anlagen

Am Ende entschieden sie sich für eine Bauweise mit zwei oder vier sogenannten "Pancake"-Spulen. Diese Anordnung erzeugt Magnetfelder von 38 beziehungsweise 42 Tesla. Zum Vergleich: Ein gewöhnlicher Kühlschrankmagnet erreicht weniger als 0,01 Tesla. Die derzeit stärksten stationären Magnetanlagen der Welt liegen bei etwa 45 Tesla, wiegen mehrere Tonnen und benötigen bis zu 30 Megawatt Leistung. Der neue Mini-Magnet kommt dagegen mit weniger als einem Watt aus.

Langfristig wollen die Forschenden das System für die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) einsetzen, ein Verfahren zur Analyse der Struktur von Molekülen, etwa in der Medikamentenentwicklung oder bei industriellen Katalysatoren. Da die dafür nötigen Magnete bislang sehr groß und teuer sind, hoffen die Entwickler, die Technik mit ihrer kompakten Lösung für mehr Labore zugänglich zu machen. Erste Tests in einem NMR-Aufbau laufen bereits.

Fachleute sehen darin einen vielversprechenden Ansatz, weisen jedoch darauf hin, dass noch Fragen zur Gleichmäßigkeit des Magnetfelds und zur Kontrolle der elektromagnetischen Eigenschaften der Spulen geklärt werden müssen, bevor die Technologie breit eingesetzt werden kann.


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