Er is een moment in elke film of tekenfilm met een gekke wetenschapper wanneer ze een schakelaar omzetten of twee chemicaliën mengen en boem, hun lab explodeert en de rook uit de ramen en deuren spuit. In werkelijkheid, althans in het moderne tijdperk, worden laboratoriumexplosies ontmoedigd. 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 grote knal kwam toen onderzoekers aan de Universiteit van Tokio 3,2 megajoule elektriciteit in een speciaal ontworpen spoel pompten om een massief magnetisch veld te produceren. Terwijl de onderzoekers hoopten dat het veld 700 teslas zou bereiken, de eenheid die wordt gebruikt om de magnetische fluxdichtheid of informeel, de magnetische veldsterkte te meten. In plaats daarvan bereikte het veld 1.200 teslas. Dat is ongeveer 400 keer sterker dan het krachtigste MRI-apparaat, dat drie teslas produceert. De resulterende explosie verboog de ijzeren kast waarin het apparaat was opgesloten en blies de metalen deuren open.
“Ik ontwierp de ijzeren behuizing om bestand te zijn 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 maak ik hem sterker.”
Gelukkig waren de onderzoekers zelf weggestopt in een controlekamer, beschermd tegen de ontploffing.
Wat deden Takeyama en zijn collega’s dan met het afvuren van enorme magnetische booms in het midden van Tokio? Rafi Letzer van LiveScience legt uit dat wetenschappers al tientallen jaren streven naar steeds grotere gecontroleerde magnetische velden. Takeyama heeft de afgelopen 20 jaar geprobeerd het 1000-tesla-niveau te verslaan, en bereikte het doel met dit nieuwe apparaat.
In essentie is de elektromagneet een serie buizen bestaande uit een spoel met daarin een koperen binnenspiraal. Wanneer enorme hoeveelheden elektriciteit door de spoelen worden geleid, stort de binnenste spoel in zichzelf met een snelheid van Mach 15, dat is meer dan 3 mijl per seconde. Het magnetisch veld in de spoel wordt steeds strakker samengeperst tot het een ongelooflijk hoog niveau bereikt. Dan, in een fractie van een seconde, stort het hele ding in elkaar, resulterend in de explosie. Met een beetje meer techniek en een paar sterkere deuren, denkt het team dat ze hun apparaat tot 1800 teslas kunnen opvoeren.
Dit was niet het grootste magnetische veld dat ooit door mensen is opgewekt. Sommige supersterke velden worden geproduceerd door lasers, maar zijn zo klein en kortstondig dat ze moeilijk te bestuderen of te gebruiken zijn. Takeyama vertelt Letzer dat in het verleden Amerikaanse en Russische onderzoekers enkele grootschalige openluchtproeven hebben gedaan met behulp van hoge explosieven verpakt rond magnetische spoelen, waarbij velden tot 2.800 teslas werden geproduceerd. Maar ook deze zijn onvolmaakt.
“Ze kunnen deze experimenten niet in overdekte laboratoria uitvoeren, dus voeren ze meestal alles in de buitenlucht uit, zoals in Siberië in een veld of ergens op een zeer uitgestrekte plaats in Los Alamos ,” zegt hij. “En ze proberen een wetenschappelijke meting te doen, maar vanwege deze omstandigheden is het erg moeilijk om nauwkeurige metingen te doen.”
Het instrument van het team kan echter worden gebruikt in een gecontroleerde laboratoriumomgeving en produceert een relatief groot veld, iets minder dan een nanometer, wat groot genoeg is om echte wetenschap te bedrijven. Volgens een persbericht is het doel om een gecontroleerd magnetisch veld te produceren dat door natuurkundigen kan worden gebruikt. De hoop is dat het veld zo goed kan worden gecontroleerd dat materialen in het minuscule veld kunnen worden geplaatst zodat onderzoekers de elektronen naar hun “quantumgrens” kunnen brengen, waarin de deeltjes zich allemaal in hun grondtoestand bevinden en eigenschappen onthullen die onderzoekers nog moeten ontdekken. In dat geval is groter beter.
“In het algemeen, hoe hoger het veld, hoe beter en beter de resolutie van de meting wordt,” vertelt Takeyama aan Moore bij IEEE.
De andere mogelijke toepassing – zodra ze de explosies uit het systeem hebben gewerkt – is gebruik in fusiereactoren, een type energieproducerend apparaat waarin plasma stabiel wordt gehouden met behulp van een sterk magnetisch veld terwijl de waterstof fuseert, waardoor een reactie ontstaat die vergelijkbaar is met die van de zon en bijna onbeperkte schone energie produceert. Volgens het persbericht denken de onderzoekers dat ze een magnetisch veld van 1000 Tesla moeten kunnen beheersen om duurzame kernfusie te kunnen produceren.