Впервые миниатюрный магнит по силе соперничает с гигантскими магнитами
Ученые из Цюриха разработали миниатюрный сверхпроводящий магнит, который по силе (42 тесла) не уступает крупнейшим стационарным магнитам мира. При этом устройство имеет диаметр 3,1 мм, весит граммы и потребляет менее 1 ватта — что открывает путь к доступным ЯМР-установкам для химических лабораторий.
Физики создали магнит размером с ладонь, который по силе не уступает гигантским установкам
Впервые миниатюрное устройство достигает рекордных 42 тесла, потребляя при этом менее 1 ватта энергии. Это открытие может сделать мощные магниты доступными для тысяч лабораторий по всему миру.
Революция в мире сверхпроводимости
Сильные магниты обычно ассоциируются с гигантскими машинами, потребляющими мегаватты электроэнергии. Однако благодаря новой конструкции инженерам впервые удалось создать мощный магнит, который буквально помещается на ладони, — и он способен соперничать с самыми сильными стационарными магнитами на планете.
Мощные магниты играют ключевую роль в науке и технике: от МРТ-сканеров и ускорителей частиц до установок для термоядерного синтеза. Самые эффективные из них строятся на основе сверхпроводников — материалов, которые проводят ток с почти нулевыми потерями.
Проблема заключалась в том, что сверхпроводящие магниты всегда были огромными. По словам Александра Барнса из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, даже самые компактные из них по размеру напоминают робота R2D2 из «Звездных войн», а промышленные образцы достигают высоты двухэтажного дома.
Как это работает
Барнс и его коллеги пошли другим путем. Они создали магнит диаметром всего 3,1 миллиметра, свернув тонкую ленту из керамического материала REBCO. Этот материал становится сверхпроводящим при экстремально низких температурах и генерирует поле при пропускании тока.
Команда не ограничилась одной попыткой: чтобы найти оптимальную геометрию, ученые изготовили и протестировали более 150 прототипов.
«Наша стратегия заключалась в том, чтобы ошибаться часто и быстро», — объясняет Барнс.
В финальной версии они остановились на конструкции из двух или четырех «блинов» (плоских катушек) из REBCO. Результат:
-
Две катушки → поле 38 тесла.
-
Четыре катушки → поле 42 тесла.
Цифры, которые переворачивают представление
Для наглядности:
| Параметр | Обычный магнит на холодильник | Новый магнит (4 катушки) | Крупнейшие мировые магниты |
|---|---|---|---|
| Напряженность поля | < 0,01 Тл | 42 Тл | ~ 45 Тл |
| Вес | Граммы | Граммы (меньше ладони) | Много тонн |
| Энергопотребление | Миниатюрное | < 1 Вт | До 30 МВт |
Таким образом, новый магнит дает почти ту же силу, что и гигантские установки, но потребляет в миллионы раз меньше энергии.
Главная цель — ЯМР-спектроскопия
Исследователи нацелены на применение в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) — методе, позволяющем определять структуру сложных молекул (лекарств, катализаторов). Сейчас этот мощный инструмент недоступен большинству химиков именно из-за цены и размеров оборудования.
«Мы уже начали тестировать наш магнит в реальной ЯМР-установке», — сообщает Барнс.
Мнение экспертов
Марк Эйнсли из Королевского колледжа Лондона высоко оценивает разработку:
«Для полей свыше 40 Тл традиционно требовались огромные и дорогие комплексы. Тот факт, что та же напряженность достигается в компактном устройстве на сверхпроводящих лентах, — это огромный шаг вперед. Это сулит появление сверхсильных магнитов в обычных лабораториях в ближайшем будущем».
Что дальше?
Однако до массового внедрения еще предстоит решить технические вопросы:
-
Однородность поля — насколько стабильным будет магнитное поле в рабочем объеме.
-
Управляемость — как точно контролировать электромагнитное поведение катушек.
Тем не менее, сам факт рождения магнита, который по силе не уступает гигантам, но умещается в ладони, уже считается прорывом года в физике конденсированного состояния.
