Deze week werd de nieuwste magneet van het magnetenlaboratorium in Nijmegen in gebruik genomen. Het bakbeest is met een veldsterkte van bijna 38 tesla ‘s werelds sterkste magneet in zijn soort. Hij zal onder andere worden gebruikt voor onderzoek naar super- en halfgeleidende materialen.
Het magnetenlab in Nijmegen.
Radboud UniversiteitEen zacht gezoem is te horen, maar verder lijkt er deze middag niet zoveel te gebeuren in het High Field Magnet Laboratory (HFML). Maar dat is maar schijn. In een hoek staat de nieuwste magneet die zojuist is opgestart en deze middag een wereldrecord zal vestigen. Op een scherm is te volgen wat de sterkte is van het magneetveld in de slechts drie centimeter brede opening van het apparaat.
Langzaam kruipt de meter het richting de 38 tesla, zo’n 8000 keer de sterkte van een gemiddelde koelkastmagneet. Vrijwel nergens ter wereld worden zo’n hoge veldsterktes opgewekt en er is geen enkele andere niet-supergeleidende magneet die zo krachtig is. Als de meter 37,5 tesla aanwijst klinken de champagneglazen van de pakweg vijftig aanwezigen.
Het apparaat waar het allemaal om draait is een extreem opgevoerde elektromagneet. In feite is het een grote spoel waar monsterlijke hoeveelheden stroom doorheen worden geperst. Hoe meer stroom er door de magneet loopt, des te sterker het magneetveld binnenin de spoel. In Nijmegen verbruikt de magneet op volle kracht 22.000.000 watt, het vermogen van zo’n tienduizend waterkokers.
De elektromagneet in aanbouw. De spoel bestaat uit metalen platen (direct om de persoon heen) die in een stalen vat zijn geplaatst. Aan de zijkant zijn de aansluitingen zichtbaar voor het koelwater.
HFML/Radboud UniversiteitEigenlijk heeft de magneet ook wel iets weg van een gigantische waterkoker. Vier dikke stalen buizen zijn aangesloten op het ongeveer 1,5 meter hoge vat waar de magneet in zit. Daardoorheen stroomt met een druk van 30 bar zo’n 160 liter water per seconde. Dat is nodig om de warmte af te voeren die de spoel, gemaakt van honderden op elkaar gestapelde platen van verzilverd koper, genereert.
Onderzoek naar supergeleiders
De specificaties van de nieuwe magneet zijn indrukwekkend. Evenals het gebouw dat volledig in dienst staat van het creëren van het minuscule maar ijzersterke magneetveld. De vraag is natuurlijk waar al dat geweld voor nodig is. Het antwoord is het onderzoeken van materiaaleigenschappen. “Er zijn ruwweg drie gebieden binnen ons onderzoek waar dergelijke magneten voor gebruikt worden”, zegt Peter Christianen, professor Soft Matter & Nanomaterials van het HFML.
Zo wordt er onderzoek gedaan naar de eigenschappen van supergeleidende materialen, die de bijzondere eigenschap hebben dat ze stroom zonder weerstand kunnen geleiden. “Zowel een hoge temperatuur als hoge magneetvelden kunnen die eigenschappen verstoren”, zegt Christianen. “Door het gedrag van de elektronen in het materiaal onder deze omstandigheden te bestuderen hopen we uiteindelijk te begrijpen hoe supergeleiding precies werkt.”
Ook halfgeleidende materialen worden hier onderzocht. Zoals grafeen, dat door Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov in het Nijmeegse lab onder de loep werd genomen. Deze materialen kunnen hun weg vinden naar toepassing in micro-elektronica, maar dat vereist kennis over hun werking. Zeker wanneer halfgeleidende schakelaars zo klein worden dat quantummechanische effecten een rol gaan spelen. “Door sterke magnetische velden kunnen we deze effecten al het ware simuleren en onderzoeken op grotere schaal”, zegt Christianen.
Verder onderzoekt men er polymeren, organische materialen en vloeistoffen. Christianen: “We proberen bijvoorbeeld organische nanostructuren te maken, zoals kleine holle bolletjes van polymeren. Het blijkt dat we een opening kunnen maken door ze in een sterk magneetveld te plaatsen. Op die manier kun je er stoffen in opsluiten. Het zijn misschien wel deze bolletjes die uiteindelijk een rol gaan spelen in bijvoorbeeld het afleveren van medicijnen in het lichaam.”
Nog sterkere velden
De 38-tesla magneet komt naast de vijf andere operationele magneten in het gebouw te staan, waarvan de sterkste tot nu toe 33 tesla kon opwekken. De ogenschijnlijk kleine verhoging van 33 naar 38 tesla maakt voor het onderzoek dat ermee gedaan wordt een wereld van verschil, aldus de directeur van het HFML Nigel Hussey. “De intensiteit van sommige signalen die we proberen te meten, als gevolg van elektronbewegingen in het materiaal, worden tot wel honderd maal sterker.”
De bovenkant van de elektromagneet. In het midden kan een veld worden opgewekt van bijna 38 tesla.
Jan GerritsenDe 1,5 miljoen euro kostende magneet is gefinancierd door NWO en Stichting FOM. Daarnaast worden de stroomkosten voor het hele laboratorium nu geschat op een indrukwekkende één miljoen euro per jaar. Toch is dat relatief goedkoop, aldus de medewerkers van het HFML. Ze wijzen op de zogenoemde hybridemagneten die weliswaar nóg hogere magneetvelden kunnen maken, maar juist in aanschaf en onderhoud veel duurder zijn. Dat komt vanwege de gebruikte supergeleidende magneten die met vloeibaar helium moeten worden gekoeld.
Ook in Nijmegen wordt momenteel werk gemaakt van zo’n hybride magneet, waarvoor nu al plek is gemaakt in de grote hal. In 2017 moet het apparaat klaar zijn en velden tot 45 tesla kunnen opwekken. “Dat is prachtig voor het onderzoek,” zegt Christianen. “Maar ik vermoed dat magneten zoals we die vandaag in gebruik hebben genomen vanwege het kostenplaatje de werkpaarden van het materiaalonderzoek zullen blijven.”