Najbardziej działa tu kontrast skali. W świecie wielkich magnesów przywykliśmy do obrazka rodem z przemysłu ciężkiego: potężna aparatura, skomplikowane chłodzenie, ogromny pobór mocy, infrastruktura, która bardziej przypomina elektrownię niż sprzęt laboratoryjny. W tym przypadku fizycy pokazali coś odwrotnego – że pole magnetyczne porównywalne z największymi systemami można zamknąć w obudowie, która nie dominuje całego pomieszczenia. To trochę tak, jakby zamiast wielkiego fortepianu koncertowego ktoś zbudował kieszonkowy instrument o niemal tej samej sile brzmienia.
Mały rozmiar, bardzo duża ambicja
Zespół z ETH Zurich zbudował dwa typy magnesów, które osiągnęły 38 i 42 tesle. Oba mają zewnętrzną średnicę 63 mm i otwór o średnicy 3,1 mm. Dla porównania, rekordowy magnes w National High Magnetic Field Laboratory na Florydzie osiągał 45,5 tesli i wymagał aż 20 megawatów mocy. To porównanie mówi właściwie wszystko: różnica w sile pola nie jest ogromna, ale różnica w skali systemu – kolosalna.
W klasycznym podejściu do uzyskania tak wysokich pól potrzeba dużych magnesów rezystywnych, które pożerają gigantyczne ilości energii i wymagają bardzo złożonego chłodzenia. Tutaj kluczem okazały się nadprzewodniki wysokotemperaturowe, a konkretnie taśma REBCO. To materiał, który po schłodzeniu potrafi przewodzić bardzo duże prądy bez oporu elektrycznego. W praktyce oznacza to mniej strat energii i znacznie większą efektywność całej konstrukcji.
Samo “42 tesle” niewiele mówi, dopóki nie zestawi się tego z codziennością. Pole magnetyczne Ziemi jest setki tysięcy razy słabsze. Magnes na lodówkę przy takim wyniku wyglądałby jak dziecięca zabawka porzucona obok silnika rakietowego. Wysokie pola magnetyczne to dziś jeden z tych obszarów technologii, w których każdy kolejny skok nie jest drobnym ulepszeniem, tylko otwarciem nowych drzwi dla badań nad materiałami, chemią czy obrazowaniem.
Najciekawsze jest to, jak ten wynik osiągnięto. Badacze wykorzystali płaską taśmę REBCO, którą nawijali w formie dysków przypominających naleśniki, a następnie układali je warstwowo. Taka konstrukcja pozwoliła skupić bardzo silne pole magnetyczne w małej objętości i zrobić to przy użyciu krótszego odcinka materiału niż w bardziej tradycyjnych rozwiązaniach.
Sprytny był również sposób ograniczenia strat energii. W standardowych konstrukcjach problemem bywają połączenia między kolejnymi fragmentami magnesu, bo właśnie tam pojawia się ciepło i część energii dosłownie ucieka bokiem. Tutaj taśmę nawinięto w jedną ciągłą pętlę, dzięki czemu prąd mógł płynąć z minimalnymi stratami. Do tego zrezygnowano z izolacji między zwojami, co pozwoliło jeszcze bardziej zagęścić całą strukturę. To trochę jak pakowanie walizki przez kogoś, kto nie tylko umie złożyć ubrania, ale jeszcze potrafi wykorzystać każdy milimetr wolnej przestrzeni.
W testach przez prototypy przepuszczono prąd przekraczający 1000 amperów. Efektem były właśnie pola 38 i 42 tesli, czyli wynik, który jeszcze niedawno wyglądałby jak domena wielkich laboratoriów narodowych. Z naukowego punktu widzenia poza samym wynikiem, ciekawe jest też to, że uzyskano go w konstrukcji całkowicie opartej na nadprzewodnikach wysokotemperaturowych. To ważny sygnał dla całej branży wysokich pól magnetycznych.
Wielkie przełomy coraz rzadziej wyglądają jak pojedyncza gigantyczna maszyna, a coraz częściej jak inteligentne miniaturyzowanie tego, co kiedyś wydawało się nieredukowalne. 42 tesle w konstrukcji wielkości dłoni to właśnie taki moment.
Źródła: Phys; National Magnetic Lab