Un nuovo magnete delle dimensioni della metà di un rotolo di carta igienica in cartone ha usurpato il titolo di "campo magnetico più forte del mondo" dal titano di metallo che lo aveva tenuto per due decenni presso il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University.

E i suoi creatori dicono che non abbiamo ancora visto nulla:impacchettando un magnete a campo eccezionalmente alto in una bobina potresti metterlo in una borsa, Gli scienziati e gli ingegneri di MagLab hanno mostrato un modo per costruire e utilizzare elettromagneti che sono più forti, più piccolo e versatile che mai.

Il loro lavoro è delineato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura .

"Stiamo davvero aprendo una nuova porta, ", ha affermato l'ingegnere MagLab Seungyong Hahn, la mente dietro il nuovo magnete e professore associato presso il FAMU-FSU College of Engineering. "Questa tecnologia ha un ottimo potenziale per cambiare completamente gli orizzonti delle applicazioni ad alto campo a causa della sua natura compatta".

Questo nuovo magnete è un coraggioso David per i tradizionali Goliath del MagLab, ha affermato il direttore del National MagLab Greg Boebinger.

"Questa è davvero una pietra miliare della miniaturizzazione che potrebbe potenzialmente fare per i magneti ciò che il silicio ha fatto per l'elettronica, " ha detto. "Questa tecnologia creativa potrebbe portare a piccoli magneti che svolgono grandi lavori in luoghi come rilevatori di particelle, reattori a fusione nucleare e strumenti diagnostici in medicina".

Gary Ostrander, vicepresidente per la ricerca presso la Florida State University, ha detto che il nuovo record è un omaggio all'ingegnosità della facoltà e alla natura interdisciplinare della ricerca in laboratorio.

"I nostri ricercatori hanno progettato un'impresa notevole qui, " ha detto. "Questa tecnologia mostra davvero come la forza della nostra facoltà combinata con le risorse del laboratorio possa portare a qualcosa di speciale".

Nuovi materiali, design innovativo

Il magnete in miniatura creato da Hahn e dal suo team ha generato un campo magnetico da record mondiale di 45,5 tesla. Un tipico magnete per risonanza magnetica ospedaliera è di circa 2 o 3 tesla, e il più forte, magnete a campo continuo nel mondo è lo strumento ibrido a 45 tesla del MagLab, un colosso di 35 tonnellate che ha mantenuto quel record dal 1999.

Il 45-T, come viene chiamato, è ancora il magnete operativo più potente del mondo, consentendo una ricerca fisica all'avanguardia sui materiali. Ma in una prova, il magnete di mezza pinta inventato da Hahn, inclinando la bilancia a 390 grammi (0,86 libbre), ha superato brevemente il campo del campione in carica di mezzo tesla, una prova convincente del concetto.

Come potrebbe qualcosa di così piccolo creare un campo così grande? Usando un promettente, nuovo conduttore e un nuovo design del magnete.

Sia il magnete 45-T che il magnete di prova 45,5-T sono costruiti in parte con superconduttori, una classe di conduttori con proprietà speciali, compresa la capacità di trasportare elettricità con perfetta efficienza.

I superconduttori utilizzati nel 45-T sono leghe a base di niobio, che esistono da decenni. Ma nel magnete a prova di principio da 45,5 T, Il team di Hahn ha utilizzato un composto più recente chiamato REBCO (ossido di rame di bario di terre rare) con molti vantaggi rispetto ai superconduttori convenzionali.

In particolare, REBCO può trasportare più del doppio di corrente rispetto a una sezione delle stesse dimensioni di un superconduttore a base di niobio. Questa densità di corrente è cruciale:dopo tutto, l'elettricità che scorre attraverso un elettromagnete genera il suo campo, quindi più puoi stiparti dentro, più forte è il campo.

Altrettanto critico è stato lo specifico prodotto REBCO utilizzato:sottilissimo, fili a forma di nastro prodotti da SuperPower Inc.

David Larbalestier, capo scienziato dei materiali di MagLab, che è anche professore al FAMU-FSU College of Engineering, visto la promessa del prodotto di racchiudere più potenza in un potenziale magnete da record mondiale, e ha incoraggiato Hahn a fare un tentativo.

L'altro ingrediente chiave non era qualcosa che mettevano dentro, ma piuttosto qualcosa che hanno tralasciato:l'isolamento.

Gli elettromagneti odierni contengono isolamento tra strati conduttori, che dirige la corrente lungo il percorso più efficiente. Ma aggiunge anche peso e volume.

L'innovazione di Hahn:un magnete superconduttore senza isolamento. Oltre a produrre uno strumento più elegante, questo design protegge il magnete da un malfunzionamento noto come quench. Le estinzioni possono verificarsi quando danni o imperfezioni nel conduttore bloccano la corrente dal suo percorso designato, provocando il riscaldamento del materiale e la perdita delle sue proprietà superconduttive. Ma se non c'è isolamento, quella corrente segue semplicemente un percorso diverso, scongiurare un esaurimento.

"Il fatto che le spire della bobina non siano isolate l'una dall'altra significa che possono condividere la corrente molto facilmente ed efficacemente per aggirare uno di questi ostacoli, " ha spiegato Larbalestier, autore corrispondente sul documento Nature.

C'è un altro aspetto dimagrante del design di Hahn che riguarda i quench:i fili e i nastri superconduttori devono incorporare del rame per aiutare a dissipare il calore da potenziali punti caldi. La sua bobina "senza isolamento", con nastri di soli 0,043 mm di spessore, richiede molto meno rame rispetto ai magneti convenzionali.

Con la guida del veterano ingegnere MagLab Iain Dixon, il team ha costruito tre prototipi sempre più potenti in rapida successione che sono diventati noti come la serie Little Big Coil (LBC). Lungo la strada, hanno raffinato, problemi risolti e utilizzato superconduttori sempre migliori.

La ricerca di risposte ha portato il team all'avanguardia della tecnologia, letteralmente.

A causa dei vincoli di produzione, I nastri REBCO sono prodotti con una larghezza specifica —12 mm, o circa mezzo pollice. Per soddisfare i requisiti di LBC, però, quei nastri dovevano essere tagliati longitudinalmente a 4 mm di larghezza.

è difficile da fare, anche con la massima cura, perché REBCO è piuttosto fragile. Di conseguenza, i lati del nastro che erano stati tagliati erano vulnerabili alla rottura sotto lo stress meccanico di alti campi magnetici.

"Questo è stato scoperto magnificamente in questi esperimenti, " Ha detto Larbalestier. "Abbiamo trovato un modo per controllare questo danno, che è insistere affinché acquistiamo materiale con un bordo non fessurato, e orientiamo il bordo non fessurato lontano dal centro del magnete. E in queste circostanze, finora non stiamo vedendo danni".

Il prossimo passo? Più ricerca e risoluzione dei problemi. Il design LBC di Hahn è attualmente considerato per l'uso in un futuro magnete superconduttore potenzialmente da record che è ora in ricerca e sviluppo finanziato dalla National Science Foundation.

"Il problema fondamentale di REBCO è che è un conduttore a filamento singolo che non può essere realizzato perfettamente, " Ha detto Larbalestier. "Quindi qualsiasi lunghezza del conduttore contiene una varietà di difetti il ​​cui impatto su qualsiasi futuro magnete non è ancora ben compreso. Ma amiamo questo tipo di sfide".

Anche con queste sfide, gli scienziati sono ancora entusiasti dei progressi compiuti.

"Quando NSF ha lanciato per la prima volta il National High Magnetic Field Laboratory decenni fa, ha rivoluzionato l'uso di potenti magneti per la ricerca, " disse Linda Sapochak, direttore della Divisione di ricerca sui materiali della NSF. "Nell'annunciare il loro nuovo magnete da record mondiale, il MagLab ha dimostrato di continuare a guidare l'avanguardia in questo campo, e le scoperte che seguiranno".

Leonard Spinu, il responsabile del programma NSF che sovrintende al finanziamento del MagLab, fece eco ai commenti di Sapochak.

"Questa svolta accelererà lo sforzo sostenuto da NSF del MagLab per sviluppare soluzioni efficienti dal punto di vista energetico, magneti ad alto campo, che una volta realizzato potrebbe democratizzare l'accesso nazionale a questa tecnologia, " Egli ha detto.