Schweben mit dem Mega-Magnet
Japanische Forscher treiben den Rekord für nicht-Helium-gekühlte Supermagneten auf 27,5 Tesla. Dadurch soll die Schwerkraft billiger überwunden werden als mit traditionellen Riesenmagneten.
- Martin Kölling
Der stärkste, nicht mit flüssigem Helium gekühlte Magnet der Welt steht in der nordjapanischen Stadt Sendai. Ein Magnetfeld von 27,5 Tesla entlockt dem Magneten das Team von Kazuo Watanabe, Professor vom Institut für Materialforschung der Tohuko Universität, und vom japanischen Großkonzern Sumitomo Heavy Industries. Nur Helium-gekühlte Magneten übertreffen ihn. Der stärkste in Florida erzeugt 45 Tesla. Zum Vergleich: Das Magnetfeld eines großen Hufeisenmagneten beträgt 0,001 Tesla, das des stärksten Kernspintomographen etwa 7 Tesla.
Die Tesla-Jagd dient nicht etwa dem akademischem Selbstzweck, sondern einem Menschheitstraum: An der Erdoberfläche die Schwerkraft zu überwinden. „Wir können mit den Hochfeldmagneten Experimente auf der Erde durchführen, die sonst nur in der Schwerelosigkeit des Weltraums möglich sind“, sagt Watanabe. Preiswerter, schneller und vor allem sicherer für die Forscher als mit Flügen ins All.
Das Hochfeldlabor der holländischen Radboud Universität Nijmegen ließ bereits 1997 einen Frosch abheben. Heute führt Watanabe stolz in seinem Büro im Zeitraffer vor, wie ein Stockwerk tiefer ein 1 cm großer Glaswürfel im Feld schwerelos schwebt und sich erhitzt – von einem Laser in einen perfekten, runden Ball verwandelt wird. In kleinstem Format dienen solche Glaskugeln der Medizin. Sie können zum Beispiel radioaktive Substanzen nahe an Tumore transportieren, um die kranken Zellen zu zerstören.
Auch neue, hochreine Metall-Legierungen lassen sich im künstlichen Mini-All herstellen, denn der Schmelzprozess findet ohne Kontakt mit einem Container statt, der die Probe verunreinigen würde. Auch riesige Eiweißkristalle hat Watanabes Team gezüchtet und die in der Halbleiterindustrie begehrte Indium-Antimon-Verbindung zum Schweben gebracht.
Wie bei allen Megamagneten handelt es sich auch bei Watanabes Entwicklung um einen „Hybridmagneten“, bei dem ein supra-leitender Magnet um einen resistiven Magneten gewickelt ist. Denn bisher können reine supraleitende Magneten nur Felder bis 20 Tesla erzeugen, da noch kein supraleitendes Material gefunden wurde, das den hohen Spannungen im Magneten standhält.
Den Hauptteil des Magnetfeldes erzeugt mit 19 Tesla der resistive Elektromagnet, durch dessen Spule bis zu zehn Megawatt elektrischer Leistung gepresst werden. Der Magnet in Florida hat sogar eine 30 Megawatt-Stromversorgung, aber das verbietet sich in Japan aus finanziellen Gründen, sagt Watanabe. „Hier sind die Strompreise dreimal so hoch wie in den USA.“ Der Vorteil dieses Magneten: Die Metallspule braucht nur mit Wasser gekühlt zu werden. 350 Tonnen pro Minute leistet die Pumpe in Sendai.
Der supra-leitende Magnet hingegen muss auf minus 269 Grad Celsius abgekühlt werden, damit der Strom widerstandslos durch den metallischen Leiter fließen kann. Anders als bei der Konkurrenz wird der japanische Felderzeuger nicht in flüssigem Helium gebadet, sondern durch vier Gifford-MacMahon-Kryostat-Kühler abgekühlt. Die Kryostat-Kühler erzeugen Kälte durch Induktion.
Das Helium-freie System hat mehrere Vorteile, wirbt Watanabe. Erstens seien die Betriebskosten 95 Prozent niedriger als der etwa gleich starke konventionelle Magnet gleich daneben, weil kein flüssiges Helium gekauft werden muss. 50.000 Liter braucht der Bruder, der Literpreis beträgt auf dem Markt etwa 1000 Yen. Zweitens nimmt der Rekordhalter mit einer Höhe von 1,60 m und einem Durchmesser von 1,30 m nur noch die Hälfte vom Platz wie sein Nachbar ein, denn Heliumbad und -tank entfallen. Drittens können die Experimente statt fünf bis sechs Stunden bei einem konventionellen Super-Magneten mehrere Tage, im Extremfall vielleicht sogar Wochen dauern, weil das Helium nicht mehr getauscht werden muss.
Die Stärken seines Produkts sieht Watanabe daher in der Kristallzüchtung. Für die Überprüfung physikalischer Eigenschaften von Materialen, die einen schnellen Wechsel des Magnetfelds erfordern, eignet sich sein Rekordprodukt hingegen weniger. Denn es benötigt mit einer Stunde etwa dreimal so lange, um seine maximale Feldstärke zu erreichen wie die Helium-gekühlte Konkurrenz.
Im nächsten Schritt will Watanabe einen supra-leitenden Magneten mit 20 bis 25 Tesla entwickeln. In fünf Jahren hofft er, das Ziel zu erreichen. Sein bislang stärkstes Stück schimmert seit Sommer 2005 Jahres in einer Halle nebenan: Ein ovaler helium-freier Silberling mit 18,1 Tesla. „In seiner Klasse ist auch das Weltrekord“, sagt Watanabe. (wst)
