Wetenschappers creëren krachtigste magnetisch veld ooit en blazen zo labo op

Met de magneet willen de wetenschappers verborgen natuurkundige eigenschappen van elektronen onderzoeken die onzichtbaar zijn onder normale omstandigheden. Het team zal verschillende materialen in de magneet stoppen om te bestuderen hoe de elektronen zich gedragen.

Het eerste experiment vond plaats in april en wordt nu beschreven in het vakblad Review of Scientific Instruments. De missie van de wetenschappers was duidelijk: het krachtigste gecontroleerde magnetische veld ooit opwekken. Dat hun toestel die kracht zelf niet aankon, kwam niet helemaal onverwachts. Maar toch was het magnetisch veld aanzienlijk sterker dan de onderzoekers hadden voorspeld.

Magnetische kracht wordt gemeten in tesla (T), naar de Amerikaans-Servische wetenschapper Nikola Tesla. Om je een idee te geven van de kracht: een doorsnee luidspreker genereert een magnetisch veld van zo'n 3 T, terwijl MRI-scanners een magnetisch veld tot zo'n 12 T opwekken. Opmerkelijk genoeg hebben wetenschappers ooit een magnetisch veld van 16 T gebruikt om dieren op te tillen, zoals kikkers.

Hoofdonderzoeker Shojiro Takeyama vertelt IEEE Spectrum dat hij de ijzeren behuizing van het instrument had ontworpen om een kracht van 700 T aan te kunnen. De echte kracht bleek echter bijna 42 procent sterker dan verwacht, tot zelfs 1.200 T. En dat hadden de onderzoekers dus niet verwacht. De deur werd gebogen en uit de hengsels getrokken, maar zat nog wel in een ijzeren kast die de kracht aankon. Daarbuiten liepen dus geen onderzoekers verwondingen op.

Om het record te vestigen, bevestigden ze een kleine elektromagnetische spoel aan een reeks condensatoren die een enorme hoeveelheid energie van 3,2 megajoule genereerden. Met deze elektromagnetische fluxcompressie versterkten ze zo het zwakke, statische magnetisch veld van 3,2 T dat het basisinstrument genereerde supersnel in een piepklein gebied. Die compressie kan echter niet lang blijven duren, waardoor het magnetisch veld vroeg of laat terugbotst en zo een schokgolf creëert die het instrument vernielt. 

Russische onderzoekers zijn er in 2001 weliswaar in geslaagd om een veld van 2.800 T op te wekken, maar hun materiaal ging meteen samen met het oncontroleerbare veld de lucht in. Lasers kunnen ook krachtige magnetische velden creëren, maar in experimenten houden die het maar enkele nanoseconden uit. Het magnetisch veld van Takeyama en zijn team hield veel 'langer' stand, namelijk ongeveer 100 microseconden, pakweg een duizendste van de tijd die nodig is om met je ogen te knipperen, aldus de Universiteit van Tokio.  Elektromagnetische fluxcompressie kan doorgaans niveaus van 1.000 T bereiken, en het overstijgen van dat aantal vertegenwoordigt een cruciale mijlpaal voor de natuurkunde.

Spectaculair was het resultaat dus wel, maar was het ook nuttig? Jazeker, legt Takeyama uit. "Met magnetische velden boven 1.000 T, leg je een aantal interessante mogelijkheden bloot. Je kunt de beweging van elektronen observeren buiten de materiële omgevingen waarin ze zich normaal bevinden. We kunnen ze dus bestuderen op een heel nieuwe manier en zo nieuwe soorten elektronische apparaten onderzoeken. Dit onderzoek zou ook nuttig kunnen zijn voor wie werkt aan kernfusie."

Die laatste techniek wordt vaak beschouwd als de heilige graal van energieproductie. Ze is namelijk veiliger en schoner dan de verbranding van fossiele brandstoffen en genereert enorme hoeveelheden energie door kernfusiereacties zoals in de zon.

Takeyama gaat alvast door met zijn onderzoek. Hij wil het nieuwe record opnieuw verbreken met een groter, sterker magnetisch veld van maar liefst 1.500 T.