Det finns ett ögonblick i alla filmer eller tecknade serier med en galen vetenskapsman när de trycker på en strömbrytare eller blandar två kemikalier och boom, deras labb exploderar och röken väller ut genom fönster och dörrar. I verkligheten, åtminstone i modern tid, är laboratorieexplosioner inte tillåtna. Men ett nyligen genomfört experiment med elektromagnetism i Tokyo gav upphov till det starkaste kontrollerade magnetfält som någonsin skapats, rapporterar Samuel K. Moore på IEEE Spectrum, tillräckligt kraftfullt för att spränga laboratoriets sprängningsdörrar.
Den stora smällen uppstod när forskare vid Tokyos universitet pumpade in 3,2 megajoule elektricitet i en specialdesignad spole för att skapa ett massivt magnetfält. Medan forskarna hoppades att fältet skulle nå 700 teslas, den enhet som används för att mäta magnetisk flödestäthet eller informellt, magnetisk fältstyrka. I stället nådde fältet 1 200 teslas. Det är ungefär 400 gånger starkare än den mest kraftfulla MRT-maskinen, som producerar tre teslas. Den resulterande explosionen böjde upp järnskåpet som apparaten var innesluten i och sprängde upp metalldörrarna.
”Jag konstruerade järnhöljet så att det skulle tåla omkring 700 T”, säger fysikern Shojiro Takeyama, huvudförfattare till studien i tidskriften Review of Scientific Instruments, till Moore. ”Jag förväntade mig inte att det skulle vara så högt. Nästa gång ska jag göra det starkare.”
Troligt nog var forskarna själva instängda i ett kontrollrum, skyddade från explosionen.
Så, vad gjorde Takeyama och hans kollegor med att utlösa massiva magnetbommar mitt i Tokyo? Rafi Letzer på LiveScience förklarar att forskare har strävat efter allt större kontrollerade magnetfält i flera decennier. Takeyama har försökt slå 1 000 tesla-nivån under de senaste 20 åren och har nått målet med denna nya anordning.
I huvudsak är elektromagneten en serie rör som består av en spole med en inre kopparspole inuti. När massiva mängder elektricitet leds genom spolarna kollapsar den inre spolen in i sig själv med en hastighet av Mach 15, vilket är över 3 miles per sekund. Magnetfältet i spolen komprimeras tätare och tätare tills det når otroligt höga nivåer. Sedan, på en bråkdel av en sekund, kollapsar det hela, vilket resulterar i explosionen. Med lite mer teknik och starkare dörrar tror teamet att de skulle kunna driva sin anordning till 1 800 teslas.
Detta var inte det största magnetfältet som någonsin genererats av människor. Vissa superstarka fält produceras av lasrar, men de är så små och kortvariga att de är svåra att studera eller använda. Takeyama berättar för Letzer att historiskt sett har amerikanska och ryska forskare gjort några storskaliga utomhusförsök med hjälp av högexplosiva ämnen som packats runt magnetspolar och som producerat fält på upp till 2 800 teslas. Men även dessa är ofullkomliga.
”De kan inte utföra dessa experiment i laboratorier inomhus, så de brukar utföra allt utomhus, som i Sibirien på ett fält eller någonstans på en mycket vidsträckt plats i Los Alamos ,” säger han. ”Och de försöker göra en vetenskaplig mätning, men på grund av dessa förhållanden är det mycket svårt att göra exakta mätningar.”
Teamets verktyg kan dock användas i en kontrollerad laboratoriemiljö och producerar ett relativt stort fält, lite mindre än en nanometer, vilket är tillräckligt stort för att göra riktig vetenskap. Enligt ett pressmeddelande är målet att producera ett kontrollerat magnetfält som skulle kunna användas av fysiker. Förhoppningen är att fältet kan kontrolleras tillräckligt bra för att material ska kunna placeras i det lilla fältet så att forskarna kan föra elektronerna till sin ”kvantgräns”, där alla partiklar befinner sig i sitt grundtillstånd och avslöjar egenskaper som forskarna ännu inte har upptäckt. I det fallet är större bättre.
”I allmänhet blir mätupplösningen bättre och bättre ju högre fältet är”, säger Takeyama till Moore på IEEE.
Den andra möjliga tillämpningen – när de väl fått bort explosionerna från systemet – är användning i fusionsreaktorer, en typ av energiproducerande anordning där plasmat hålls stabilt med hjälp av ett starkt magnetfält när vätgasen smälter, vilket ger upphov till en reaktion som liknar den som sker i solen och som producerar nästan obegränsad ren energi. Enligt pressmeddelandet tror forskarna att de måste kunna kontrollera ett magnetfält på 1 000 tesla för att producera hållbar kärnfusion.