In jedem Film oder Cartoon, in dem ein verrückter Wissenschaftler vorkommt, gibt es einen Moment, in dem er einen Schalter umlegt oder zwei Chemikalien mischt, und bumm, explodiert sein Labor und Rauchschwaden steigen aus den Fenstern und Türen. In der Realität, zumindest in der modernen Ära, wird von Laborexplosionen abgeraten. Doch bei einem kürzlich in Tokio durchgeführten Experiment mit Elektromagnetismus wurde das stärkste kontrollierte Magnetfeld erzeugt, das jemals erzeugt wurde, berichtet Samuel K. Moore bei IEEE Spectrum, und zwar so stark, dass die Explosionstüren des Labors aufgesprengt werden konnten.
Der große Knall entstand, als Forscher der Universität Tokio 3,2 Megajoule Strom in eine speziell entwickelte Spule pumpten, um ein massives Magnetfeld zu erzeugen. Die Forscher hofften, dass das Feld 700 Tesla erreichen würde, die Einheit, mit der die magnetische Flussdichte oder informell die magnetische Feldstärke gemessen wird. Stattdessen erreichte das Feld 1.200 Tesla. Das ist etwa 400 Mal stärker als das stärkste MRT-Gerät, das drei Tesla erzeugt. Die daraus resultierende Explosion verformte den Eisenschrank, in dem sich das Gerät befand, und sprengte die Metalltüren auf.
„Ich habe das Eisengehäuse so konstruiert, dass es etwa 700 T standhält“, erklärt der Physiker Shojiro Takeyama, Hauptautor der Studie, die in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments veröffentlicht wurde, gegenüber Moore. „Ich hatte nicht erwartet, dass die Belastung so hoch sein würde. Nächstes Mal mache ich es stärker.“
Glücklicherweise befanden sich die Forscher selbst in einem Kontrollraum, der vor der Explosion geschützt war.
Warum haben Takeyama und seine Kollegen also mitten in Tokio massive magnetische Ausschläge ausgelöst? Rafi Letzer von LiveScience erklärt, dass Wissenschaftler seit mehreren Jahrzehnten nach immer größeren kontrollierten Magnetfeldern suchen. Takeyama hat in den letzten 20 Jahren versucht, die 1.000-Tesla-Grenze zu überschreiten, und hat das Ziel mit diesem neuen Gerät erreicht.
Im Wesentlichen besteht der Elektromagnet aus einer Reihe von Röhren, die aus einer Spule mit einer inneren Kupferspule bestehen. Wenn große Mengen an Elektrizität durch die Spulen fließen, kollabiert die innere Spule mit einer Geschwindigkeit von Mach 15, d.h. über 3 Meilen pro Sekunde, in sich selbst. Das Magnetfeld in der Spule zieht sich immer enger zusammen, bis es unglaublich hohe Werte erreicht. Dann, im Bruchteil einer Sekunde, kollabiert das Ganze und es kommt zur Explosion. Mit ein wenig mehr Technik und einigen stärkeren Türen könnte das Team sein Gerät auf 1.800 Tesla bringen.
Dies war nicht das größte Magnetfeld, das jemals von Menschen erzeugt wurde. Einige superstarke Felder werden von Lasern erzeugt, aber sie sind so klein und kurzlebig, dass sie schwer zu untersuchen oder zu nutzen sind. Takeyama berichtet Letzer, dass amerikanische und russische Forscher in der Vergangenheit einige groß angelegte Tests im Freien durchgeführt haben, bei denen Sprengstoffe um Magnetspulen herum gepackt wurden und Felder bis zu 2.800 Tesla erzeugten. Aber auch diese Versuche sind unvollkommen.
„Sie können diese Experimente nicht in Innenräumen durchführen, also führen sie normalerweise alles im Freien durch, z.B. in Sibirien auf einem Feld oder irgendwo auf einem sehr großen Gelände in Los Alamos“, sagt er. „
Das Gerät des Teams kann jedoch in einer kontrollierten Laborumgebung verwendet werden und erzeugt ein relativ großes Feld von etwas weniger als einem Nanometer, das groß genug ist, um echte wissenschaftliche Arbeit zu leisten. Laut einer Pressemitteilung besteht das Ziel darin, ein kontrolliertes Magnetfeld zu erzeugen, das von Physikern genutzt werden kann. Die Hoffnung ist, dass das Feld so gut kontrolliert werden kann, dass Materialien in das winzige Feld eingebracht werden können, so dass die Forscher die Elektronen an ihre „Quantengrenze“ bringen können, in der sich die Teilchen alle in ihrem Grundzustand befinden und Eigenschaften offenbaren, die die Forscher noch entdecken müssen. In diesem Fall ist größer besser.
„Im Allgemeinen wird die Auflösung der Messung immer besser, je höher das Feld ist“, erklärt Takeyama gegenüber Moore von der IEEE.
Die andere mögliche Anwendung – sobald sie die Explosionen aus dem System herausgearbeitet haben – ist die Verwendung in Fusionsreaktoren, einer Art von Energieerzeugungsgerät, in dem das Plasma mit Hilfe eines starken Magnetfeldes stabil gehalten wird, während der Wasserstoff fusioniert, wodurch eine Reaktion ähnlich der der Sonne entsteht und nahezu unbegrenzt saubere Energie erzeugt wird. Der Pressemitteilung zufolge glauben die Forscher, dass sie in der Lage sein müssen, ein Magnetfeld von 1.000 Tesla zu kontrollieren, um eine anhaltende Kernfusion zu erzeugen.