Er is een moment in een film of cartoon met een gekke wetenschapper wanneer ze een schakelaar omdraaien of twee chemicaliën en giek mengen, hun laboratorium explodeert en rook golven uit de ramen en deuren. In werkelijkheid worden labexplosies, althans in de moderne tijd, afgeraden. Maar een recent experiment met elektromagnetisme in Tokio produceerde het sterkste gecontroleerde magnetische veld ooit gemaakt, meldt Samuel K. Moore bij IEEE Spectrum, krachtig genoeg om de explosiedeuren van het laboratorium open te blazen.
De oerknal kwam toen onderzoekers van de Universiteit van Tokio 3, 2 megajoule elektriciteit in een speciaal ontworpen spoel pompten om een enorm magnetisch veld te produceren. Terwijl de onderzoekers hoopten dat het veld 700 tesla zou bereiken, gebruikte de eenheid de magnetische fluxdichtheid of informeel, magnetische veldsterkte. In plaats daarvan bereikte het veld 1200 teslas. Dat is ongeveer 400 keer sterker dan de krachtigste MRI-machine, die drie tesla produceert. De resulterende explosie boog de ijzeren kast waarin het apparaat was ingesloten en schoot de metalen deuren open.
"Ik ontwierp de ijzeren behuizing tegen ongeveer 700 T, " vertelt natuurkundige Shojiro Takeyama, senior auteur van de studie in het tijdschrift Review of Scientific Instruments, aan Moore. “Ik had niet verwacht dat het zo hoog zou zijn. De volgende keer zal ik het sterker maken. '
Gelukkig waren de onderzoekers zelf weggestopt in een controlekamer, beschermd tegen de explosie.
Dus, wat deden Takeyama en zijn collega's die enorme magnetische knallen in het midden van Tokio loslieten? Rafi Letzer van LiveScience legt uit dat wetenschappers al tientallen jaren steeds grotere gecontroleerde magnetische velden nastreven. Takeyama probeert de afgelopen 20 jaar het niveau van 1.000 tesla te verslaan en bereikte het doel met dit nieuwe apparaat.
In wezen is de elektromagneet een reeks buizen bestaande uit een spoel met een koperen binnenste spoel erin. Wanneer enorme hoeveelheden elektriciteit door de spoelen worden geleid, stort de binnenste spoel op zichzelf in met een snelheid van Mach 15, die meer dan 3 mijl per seconde is. Het magnetische veld in de spoel comprimeert steeds strakker tot het ongelooflijk hoge niveaus bereikt. Dan stort in een fractie van een seconde het hele ding in, wat resulteert in de explosie. Met een beetje meer engineering en een aantal sterkere deuren, gelooft het team dat ze hun apparaat naar 1.800 teslas zouden kunnen duwen.
Dit was niet het grootste magnetische veld dat ooit door mensen is gegenereerd. Sommige supersterke velden worden geproduceerd door lasers, maar zijn zo klein en van korte duur dat ze moeilijk te bestuderen of te gebruiken zijn. Takeyama vertelt Letzer dat Amerikaanse en Russische onderzoekers in het verleden een aantal grootschalige buitentests hebben gedaan met behulp van explosieven die rond magnetische spoelen zijn gepakt en velden produceren tot 2.800 teslas. Maar ook deze zijn onvolmaakt.
"Ze kunnen deze experimenten niet uitvoeren in binnenlaboratoria, dus meestal doen ze alles buitenshuis, zoals Siberië in een veld of ergens op een zeer brede plek in Los Alamos [New Mexico]", zegt hij. "En ze proberen een wetenschappelijke meting te doen, maar vanwege deze omstandigheden is het erg moeilijk om nauwkeurige metingen te verrichten."
De tool van het team kan echter worden gebruikt in een gecontroleerde laboratoriumomgeving en produceert een relatief groot veld, iets minder dan een nanometer, dat groot genoeg is om echte wetenschap te doen. Volgens een persbericht is het doel om een gecontroleerd magnetisch veld te produceren dat door natuurkundigen zou kunnen worden gebruikt. De hoop is dat het veld goed genoeg kan worden bestuurd zodat materialen in het kleine veld kunnen worden geplaatst, zodat onderzoekers de elektronen naar hun "kwantumlimiet" kunnen brengen, waarin de deeltjes zich allemaal in hun grondtoestand bevinden, eigenschappen onthullend die onderzoekers nog hebben ontdekken. In dat geval is groter beter.
"In het algemeen geldt dat hoe hoger het veld, de meetresolutie steeds beter wordt", zegt Takeyama tegen Moore van IEEE.
De andere mogelijke toepassing - zodra ze de explosies uit het systeem hebben laten werken - is gebruik in fusiereactoren, een soort energieproducerend apparaat waarin plasma stabiel wordt gehouden met behulp van een sterk magnetisch veld als de waterstof smelt, waardoor een reactie ontstaat die vergelijkbaar is met die van de zon en bijna onbeperkte schone energie produceren. Volgens de release geloven onderzoekers dat ze een magnetisch veld van 1.000 tesla moeten kunnen regelen om duurzame kernfusie te produceren.
