Supraleiter-Magnet bricht Rekord

Magnetischer Rekord: Ein aus einem Hochtemperatur-Supraleiter konstruierter Magnet hat das bisher stärkste anhaltende Magnetfeld erzeugt. Der Magnet erreichte Feldstärke von 45,5 Tesla – und damit mehr als die bisherigen Spitzenwerte herkömmlicher Gleichstrom-Elektromagneten und supraleitender Magneten. Die neue Konstruktion eröffne damit einen Weg zu noch stärkeren Magneten für Medizin, Physik und technische Anwendungen, berichten die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Starke Magnetfelder werden in vielen Bereichen der Forschung und Technik gebraucht. In der Medizin ermöglichen sie die Magnetresonanztomografie (MRT), in der physikalischen Grundlagenforschung treiben Magnete Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) an oder erzeugen Magnetfelder für quantenphysikalische Experimente und Analysen. Auch Testreaktoren für die Kernfusion wie Wendelstein 7-X benötigen starke Magnetfelder, um das heiße Plasma einzuschließen.

Hohe Feldstärken gesucht

Das Problem jedoch: Um extrem starke Magnetfelder zu erzeugen, benötigen herkömmliche Elektromagnete enorme Mengen an Energie. Um ein Feld von 45 Tesla zu erzeugen – der bisher stärksten erreichten anhaltenden Feldintensität, werden Magnete mit 31 Megawatt eingesetzt. „Solche leistungsstarken Widerstands-Magneten stehen jedoch nur in wenigen Anlagen weltweit zur Verfügung“, erklären Seungyong Hahn von der Florida State University in Tallahassee und seine Kollegen.

Zwar gibt es Magnete, die noch höhere Feldstärken von 90 Tesla und sogar 1.200 Tesla erreichen können, diese können jedoch nur über wenige Millisekunden aufrecht erhalten werden. Um höhere Feldstärken auch längere Zeit zu generieren, kommen in letzter Zeit immer häufiger Hochtemperatur-Supraleiter in Form von Cupraten zum Einsatz. Wegen ihres geringen Widerstands benötigen diese weniger Energie, erreichten aber bisher geringere Feldstärken als herkömmliche Elektromagnete.

Ultradünnes Band aus Seltenerd-Cuprat

Jetzt ist es Hahn und seinem Team gelungen, einen Supraleiter-Magneten zu entwickeln, der bisherige Anlagen in seiner Feldstärke noch übertrifft. Im Test erreichte der neue Magnet eine Feldstärke von 45,5 Tesla. „Das ist das höchste bisher erreichte Feld eines Gleichstrommagneten“, berichten die Forscher. Aufgrund der ersten Tests gehen sie davon aus, dass Magnete dieses Typs sogar Feldstärken von 60 Tesla und mehr produzieren können.

Herzstück des Rekordmagneten ist ein nur 43 Mikrometer dünnes, mehrschichtiges Band, das sogenannte REBCO-Tape. Dieses besteht aus einer Trägerschicht, auf die eine Schicht aus einem Cuprat von Yttrium, Gadolinium und Barium aufgetragen ist (REBa2Cu3Ox). Als Abschluss dienen eine Silberschicht und ein Kupferstabilisator, wie die Forscher erklären. Dieses Tape wird eng um einen Kupferkern gewunden.

Die Kombination machts

Die Wissenschaftler platzierten diesen Supraleiter-Elektromagnet in eine mit Helium gekühlte Röhre, die wiederum im Inneren eines herkömmlichen Elektromagneten stand. „Unser Magnet ist damit ein Hybrid, bei dem der Supraleitende Magnet im Inneren des Ohm-magneten steht“, erklären Hahn und seine Kollegen. Wurde nun Strom angelegt, erreichte diese Konstruktion eine Feldstärke von 45,5 Tesla – ein neuer Rekord.

„Noch kann dieser Test-Magnet nicht als einsetzfähiger Arbeitsmagnet angesehen werden“, räumen die Forscher ein. Denn nachträgliche Untersuchungen ergaben, dass ein Teil der eng gewundenen REBCO-Bänder während des Tests Schäden erlitten hatten. Wie sie aber herausfanden, lassen sich diese durch die Art der Windung vermeiden. „Dieser Magnet zeigt uns damit einen gangbaren Weg zu feldstarken supraleitenden Magneten aus Cuprat-Hochtemperatur-Supraleitern“, sagen Hahn und sein Team. (Nature, 2019; doi: 0.1038/s41586-019-1293-1)

Quelle: Nature