Dresdner Forscher schufen gigantisches magnetisches Feld

28. Juni 2011, 12:56
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200 Kilo schwere Spule baute für wenige Millisekunden Magnetfeld mit Flusstärken von bis zu 91,2 Tesla auf

Dresdner Wissenschafter haben mit 91,4 Tesla nach eigenen Angaben das bisher stärkste künstliche Magnetfeld der Welt hergestellt. Für ihren Erfolg haben Sergei Zherlitsyn und seine Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf eine rund 200 Kilogramm schwere Spule entwickelt, in der ein elektrischer Strom das gigantische magnetische Feld aufbaut - für einen Zeitraum von wenigen Millisekunden. Die Spule hat das Experiment unbeschadet überstanden.

"Bei diesem Rekord geht es uns gar nicht so sehr um physikalische Spitzenwerte, sondern um Materialforschung", erklärt der Leiter des HLD Joachim Wosnitza. Vielmehr sind die Wissenschafter stolz darauf, als erstes Nutzerlabor weltweit Magnetfelder oberhalb von 85 Tesla für die Forschung bereit zu stellen.

Je stärker ein Magnetfeld ist, umso genauer können die Forscher Substanzen untersuchen, die für neuartige elektronische Bauteile oder auch für sogenannte Supraleiter in Frage kommen, die Strom ohne Widerstand leiten. Solch hohe Magnetfelder erzeugt eine Kupfer-Spule, durch die ein elektrischer Strom fließt. Das Magnetfeld wirkt allerdings auch auf den elektrischen Strom zurück und versucht ihn aus der Spule herauszudrücken. Je stärker nun der Strom fließt, umso heftiger wirkt diese Kraft. "Bei 25 Tesla würde das Kupfer reißen", schildert Joachim Wosnitza ein mögliches Ergebnis dieses Tauziehens zwischen Magnetfeld und Metall. Zum Vergleich: Ein handelsüblicher starker Neodym-Eisen-Bor-Magnet, wie er auch in Musikboxen eingesetzt werden kann, verfügt über eine magnetische Flussdichte von 1 Tesla und 1,5 Tesla.

Spezielle Kupferlegierungen halten den Kräften Stand

Um aber die elektrische Ladung in den Materialien der Zukunft möglichst genau unter die Lupe zu nehmen, brauchen die Forscher höhere Magnetfelder, die zum Beispiel 90 oder 100 Tesla haben. "Bei 100 Tesla aber würde die Lorentzkraft im Kupfer einen Druck erzeugen, der dem 40.000-fachen Luftdruck auf Meereshöhe entspricht", rechnet Wosnitza vor. Kupfer würden solche Kräfte explosionsartig zerreißen. Also nutzen die Forscher spezielle Kupfer-Legierungen, die immerhin das Zehntausendfache des Atmosphärendrucks aushalten.

Diesem Metall verpassen sie noch eine Art Korsett aus einem Spezialkunststoff, der sonst für schusssichere Westen verwendet wird und der die Legierung von außen zusammenhält. Insgesamt sechs solche Spezialdrähte mit Korsett wickeln die Techniker am HZDR zu einer Spule, in deren Zentrum ein Hohlraum mit einem Durchmesser von 16 Millimetern bleibt. Immerhin 50 Tesla lassen sich in dieser Spezialspule erzeugen, wenn man einen kurzen, aber starken Stromimpuls durch das Kupfer jagt, der nach 0,02 Sekunden bereits wieder zu Ende ist.

Los Alamos bisheriger Rekordhalter

Das ist aber immer noch weit vom Weltrekord entfernt, den die US-Amerikaner in Los Alamos einige Jahre lang mit 89 Tesla verteidigt haben. Also legen die Techniker um die erste Spule eine zweite, die aus zwölf Lagen Kupferdraht besteht. Dieser Draht verkraftet zwar nur das 2.500-fache des Atmosphärendrucks. Aber geschützt von einem Kunststoff-Korsett reicht ein Stromstoß von einer fünftel Sekunde Länge immerhin für ein 40 Tesla-Magnetfeld in dieser Spule aus. Zusammen mit den 50 Tesla der inneren Spule gibt das dann den Weltrekordwert von über 90 Tesla. Verkleidet mit einem Stahlmantel ist diese Doppelspule 55 Zentimeter hoch, hat einen Durchmesser von 32 Zentimetern und ähnelt damit einem reichlich groß geratenen Wassereimer.

Mehrere Wochen haben die Techniker an dieser Spule gebaut, die in Zukunft noch viele Untersuchungen von neuen Materialen in ihrem Supermagnetfeld erlauben wird. Dabei ist sie in der Herstellung mit 35.000 Euro deutlich günstiger als ihr Pendant in den USA (10 Millionen Dollar). Und es gibt noch einen weiteren Unterschied zum Labor in Los Alamos: Dort werden die Magneten mit einem Schwungradgenerator betrieben, in Rossendorf hingegen mit der weltgrößten Kondensatorbank. Diese kann deutlich flexibler und kostengünstiger eingesetzt werden.

Für Experimente in höchsten Magnetfeldern reisen Forscher aus ganz Europa nach Dresden. Selbst Japaner und US-Amerikaner melden sich im HZDR an, um ihre Materialien dort unter die Lupe zu nehmen. Und weil die vorhandenen fünf Räume mit ähnlichen Spulen dem Andrang der Forscher schon heute nicht mehr gewachsen sind, sollen bis 2014 sechs weitere dieser "Pulszellen" entstehen. (red)

  • Mitarbeiter des Hochfeld-Magnetlabors am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bereiten eine Magnetspule vor.
    foto: helmholtz-zentrum dresden-rossendorf

    Mitarbeiter des Hochfeld-Magnetlabors am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bereiten eine Magnetspule vor.

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