Un nouvel aimant de la moitié de la taille d'un rouleau de papier hygiénique en carton a usurpé le titre de "champ magnétique le plus puissant au monde" du titan métallique qui l'avait détenu pendant deux décennies au National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University.
Et ses fabricants disent que nous n'avons encore rien vu :en emballant un aimant à champ exceptionnellement élevé dans une bobine que vous pourriez emballer dans un sac à main, Les scientifiques et les ingénieurs de MagLab ont montré un moyen de construire et d'utiliser des électro-aimants plus puissants, plus petit et plus polyvalent que jamais.
Leur travail est décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue La nature .
"Nous ouvrons vraiment une nouvelle porte, " a déclaré l'ingénieur de MagLab Seungyong Hahn, le cerveau derrière le nouvel aimant et professeur agrégé au FAMU-FSU College of Engineering. "Cette technologie a un très bon potentiel pour changer complètement les horizons des applications à haut champ en raison de sa nature compacte."
Ce nouvel aimant est un David courageux pour les Goliaths conventionnels du MagLab, a déclaré Greg Boebinger, directeur national du MagLab.
"C'est en effet un jalon de miniaturisation qui pourrait potentiellement faire pour les aimants ce que le silicium a fait pour l'électronique, " at-il dit. " Cette technologie créative pourrait conduire à de petits aimants qui font de gros travaux dans des endroits comme les détecteurs de particules, réacteurs de fusion nucléaire et outils de diagnostic en médecine."
Gary Ostrander, vice-président de la recherche à la Florida State University, a déclaré que le nouveau record est un hommage à l'ingéniosité du corps professoral et à la nature interdisciplinaire de la recherche au laboratoire.
"Nos chercheurs ont réalisé un exploit remarquable ici, " at-il dit. " Cette technologie montre vraiment comment la force de notre faculté combinée avec les ressources du laboratoire peut aboutir à quelque chose de spécial. "
De nouveaux matériaux, conception de roman
L'aimant miniature créé par Hahn et son équipe a généré un champ magnétique record de 45,5 tesla. Un aimant d'IRM hospitalier typique est d'environ 2 ou 3 teslas, et le plus fort, l'aimant à champ continu dans le monde est le propre instrument hybride de 45 teslas du MagLab, un mastodonte de 35 tonnes qui maintient ce record depuis 1999.
Le 45-T, comme on l'appelle, est toujours l'aimant de travail le plus puissant au monde, permettant des recherches de pointe en physique sur les matériaux. Mais dans un essai, l'aimant d'une demi-pinte inventé par Hahn, faire pencher la balance à 390 grammes (0,86 livre), a brièvement dépassé le champ du champion en titre d'une demi-tesla, une preuve de concept convaincante.
Comment quelque chose d'aussi petit a-t-il pu créer un champ aussi grand ? En utilisant une promesse, nouveau conducteur et une nouvelle conception d'aimant.
L'aimant 45-T et l'aimant de test 45,5-T sont construits en partie avec des supraconducteurs, une classe de conducteurs aux propriétés particulières, y compris la capacité de transporter l'électricité avec une efficacité parfaite.
Les supraconducteurs utilisés dans le 45-T sont des alliages à base de niobium, qui existent depuis des décennies. Mais dans l'aimant de preuve de principe 45,5 T, L'équipe de Hahn a utilisé un composé plus récent appelé REBCO (oxyde de cuivre et de baryum de terre rare) avec de nombreux avantages par rapport aux supraconducteurs conventionnels.
Notamment, REBCO peut transporter plus de deux fois plus de courant qu'une section de même taille de supraconducteur à base de niobium. Cette densité de courant est cruciale :après tout, l'électricité qui traverse un électro-aimant génère son champ, donc plus tu peux t'entasser, plus le champ est fort.
Le produit REBCO spécifique utilisé était également essentiel :fin comme du papier, fils en forme de ruban fabriqués par SuperPower Inc.
David Larbalestier, scientifique en chef des matériaux de MagLab, qui est également professeur au FAMU-FSU College of Engineering, vu la promesse du produit d'emballer plus de puissance dans un aimant potentiel de record du monde, et a encouragé Hahn à essayer.
L'autre ingrédient clé n'était pas quelque chose qu'ils ont mis dedans, mais plutôt quelque chose qu'ils ont laissé de côté :l'isolation.
Les électro-aimants d'aujourd'hui contiennent une isolation entre les couches conductrices, qui dirige le courant le long du chemin le plus efficace. Mais cela ajoute aussi du poids et du volume.
L'innovation de Hahn :un aimant supraconducteur sans isolation. En plus de produire un instrument plus élégant, cette conception protège l'aimant d'un dysfonctionnement connu sous le nom de quench. Des trempes peuvent se produire lorsque des dommages ou des imperfections dans le conducteur bloquent le courant de son chemin désigné, provoquant l'échauffement du matériau et la perte de ses propriétés supraconductrices. Mais s'il n'y a pas d'isolation, ce courant suit simplement un chemin différent, éviter une trempe.
"Le fait que les spires de la bobine ne soient pas isolées les unes des autres signifie qu'elles peuvent partager le courant très facilement et efficacement afin de contourner l'un de ces obstacles, " expliqua Larbalestier, auteur correspondant sur le papier Nature.
Il y a un autre aspect amincissant de la conception de Hahn qui concerne les trempes :les fils et les rubans supraconducteurs doivent incorporer du cuivre pour aider à dissiper la chaleur des points chauds potentiels. Sa bobine "sans isolation", avec des rubans de seulement 0,043 mm d'épaisseur, nécessite beaucoup moins de cuivre que les aimants conventionnels.
Avec les conseils de l'ingénieur vétéran de MagLab Iain Dixon, l'équipe a construit trois prototypes de plus en plus puissants en succession rapide qui sont devenus connus sous le nom de série Little Big Coil (LBC). Le long du chemin, ils ont raffiné, résolu des problèmes et utilisé des supraconducteurs toujours meilleurs.
La recherche de réponses a amené l'équipe à la pointe de la technologie, littéralement.
En raison de contraintes de production, Les rubans REBCO sont fabriqués à une largeur spécifique —12 mm, ou environ un demi-pouce. Pour répondre aux exigences de la LBC, cependant, ces rubans devaient être coupés dans le sens de la longueur à 4 mm de large.
C'est difficile à faire, même avec le plus grand soin, car REBCO est assez cassant. Par conséquent, les côtés de la bande qui avaient été fendus étaient vulnérables à la fissuration sous la contrainte mécanique de champs magnétiques élevés.
"Cela a été magnifiquement découvert dans ces expériences, " Larbalestier a déclaré. "Nous avons trouvé un moyen de contrôler ces dégâts, c'est-à-dire insister pour que nous achetions un matériau qui a un bord non fendu, et nous orientons le bord non fendu loin du centre de l'aimant. Et dans ces circonstances, jusqu'à présent, nous ne voyons pas de dégâts."
L'étape suivante? Plus de recherche et de dépannage. La conception LBC de Hahn est actuellement envisagée pour une utilisation dans un futur aimant supraconducteur potentiellement record qui est actuellement en recherche et développement financé par la National Science Foundation.
"Le problème fondamental de REBCO est que c'est un conducteur monofilament qui ne peut pas être parfaitement réalisé, " Larbalestier a déclaré. " Ainsi, toute longueur de conducteur contient une variété de défauts dont l'impact sur tout futur aimant n'est pas encore bien compris. Mais nous aimons ce genre de défis. »
Même avec ces défis, les scientifiques sont toujours ravis des progrès réalisés.
"Lorsque la NSF a lancé pour la première fois le Laboratoire national de champ magnétique élevé il y a des décennies, il a révolutionné l'utilisation d'aimants puissants pour la recherche, " a déclaré Linda Sapochak, directeur de la Division de la recherche sur les matériaux de la NSF. "En annonçant leur nouvel aimant record du monde, le MagLab a montré qu'il continue d'être à la pointe de ce domaine, et les percées qui suivront."
Léonard Spinu, le responsable du programme NSF qui supervise le financement du MagLab, fait écho aux commentaires de Sapochak.
"Cette percée accélérera les efforts soutenus par la NSF du MagLab pour développer l'efficacité énergétique, aimants à champ élevé, qui, une fois réalisé, pourrait démocratiser l'accès national à cette technologie, " il a dit.
