Un imán novedoso de la mitad del tamaño de un rollo de papel higiénico de cartón usurpó el título de "campo magnético más fuerte del mundo" del titán de metal que lo había mantenido durante dos décadas en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la Universidad Estatal de Florida.

Y sus creadores dicen que todavía no hemos visto nada:al empaquetar un imán de campo excepcionalmente alto en una bobina que podría empacar en un bolso, Los científicos e ingenieros de MagLab han demostrado una forma de construir y usar electroimanes que son más fuertes, más pequeño y más versátil que nunca.

Su trabajo se describe en un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza .

"Realmente estamos abriendo una nueva puerta, "dijo el ingeniero de MagLab Seungyong Hahn, el cerebro detrás del nuevo imán y profesor asociado en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU. "Esta tecnología tiene un muy buen potencial para cambiar por completo los horizontes de las aplicaciones de alto campo debido a su naturaleza compacta".

Este nuevo imán es un valiente David para los Goliath convencionales de MagLab, dijo el director nacional de MagLab, Greg Boebinger.

"Este es de hecho un hito en la miniaturización que podría hacer por los imanes lo que el silicio ha hecho por la electrónica". ", dijo." Esta tecnología creativa podría dar lugar a pequeños imanes que hacen grandes trabajos en lugares como detectores de partículas, reactores de fusión nuclear y herramientas de diagnóstico en medicina ".

Gary Ostrander, vicepresidente de Investigación de la Universidad Estatal de Florida, Dijo que el nuevo registro es un tributo al ingenio de la facultad y la naturaleza interdisciplinaria de la investigación en el laboratorio.

"Nuestros investigadores han diseñado una hazaña notable aquí, ", dijo." Esta tecnología realmente muestra cómo la fuerza de nuestra facultad combinada con los recursos del laboratorio puede resultar en algo especial ".

Nuevos materiales, diseño novedoso

El imán en miniatura creado por Hahn y su equipo generó un campo magnético de 45,5 tesla, un récord mundial. Un imán de resonancia magnética de hospital típico es de aproximadamente 2 o 3 teslas, y el mas fuerte, imán de campo continuo en el mundo es el propio instrumento híbrido de 45 tesla de MagLab, un gigante de 35 toneladas que ha mantenido ese récord desde 1999.

El 45-T, como se le llama, sigue siendo el imán de trabajo más potente del mundo, permitiendo la investigación física de vanguardia en materiales. Pero en una prueba el imán del tamaño de media pinta inventado por Hahn, inclinando la balanza a 390 gramos (0,86 libras), superó brevemente el campo del campeón reinante por medio tesla, una convincente prueba de concepto.

¿Cómo puede algo tan pequeño crear un campo tan grande? Al usar un prometedor, nuevo conductor y un novedoso diseño de imán.

Tanto el imán de 45 T como el imán de prueba de 45,5 T están construidos en parte con superconductores, una clase de conductores con propiedades especiales, incluida la capacidad de transportar electricidad con perfecta eficiencia.

Los superconductores utilizados en el 45-T son aleaciones a base de niobio, que han existido durante décadas. Pero en el imán de prueba de principio de 45,5 T, El equipo de Hahn utilizó un compuesto más nuevo llamado REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras) con muchas ventajas sobre los superconductores convencionales.

Notablemente, REBCO puede transportar más del doble de corriente que una sección del mismo tamaño de superconductor a base de niobio. Esta densidad de corriente es crucial:después de todo, la electricidad que corre a través de un electroimán genera su campo, así que cuanto más puedas meter, cuanto más fuerte es el campo.

También fue fundamental el producto REBCO específico utilizado:fino como el papel, alambres en forma de cinta fabricados por SuperPower Inc.

David Larbalestier, científico jefe de materiales de MagLab, quien también es profesor en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, vio la promesa del producto de empacar más potencia en un imán potencial de récord mundial, y animó a Hahn a intentarlo.

El otro ingrediente clave no fue algo que pusieron, sino algo que dejaron fuera:el aislamiento.

Los electroimanes actuales contienen aislamiento entre capas conductoras, que dirige la corriente por el camino más eficiente. Pero también agrega peso y volumen.

Innovación de Hahn:un imán superconductor sin aislamiento. Además de producir un instrumento más elegante, este diseño protege el imán de un mal funcionamiento conocido como extinción. Los apagones pueden ocurrir cuando los daños o imperfecciones en el conductor bloquean la corriente de su ruta designada, haciendo que el material se caliente y pierda sus propiedades superconductoras. Pero si no hay aislamiento, esa corriente simplemente sigue un camino diferente, evitando un apagamiento.

"El hecho de que las espiras de la bobina no estén aisladas entre sí significa que pueden compartir la corriente de manera muy fácil y eficaz para sortear cualquiera de estos obstáculos, "explicó Larbalestier, autor correspondiente del artículo de Nature.

Hay otro aspecto adelgazante del diseño de Hahn que se relaciona con los apagadores:los cables y cintas superconductores deben incorporar algo de cobre para ayudar a disipar el calor de los posibles puntos calientes. Su bobina "sin aislamiento", con cintas de apenas 0,043 mm de grosor, requiere mucho menos cobre que los imanes convencionales.

Con la guía del veterano ingeniero de MagLab Iain Dixon, el equipo construyó tres prototipos cada vez más poderosos en rápida sucesión que se conocieron como la serie Little Big Coil (LBC). Por el camino, ellos refinaron, resolvió problemas y usó superconductores cada vez mejores.

La búsqueda de respuestas llevó al equipo a la vanguardia de la tecnología, literalmente.

Debido a limitaciones de producción, Las cintas REBCO se fabrican con un ancho específico:12 mm, o alrededor de media pulgada. Para cumplir con los requisitos de LBC, sin embargo, esas cintas tuvieron que cortarse a lo largo a 4 mm de ancho.

Eso es difícil de hacer incluso con el mayor cuidado, porque REBCO es bastante frágil. Como resultado, los lados de la cinta que habían sido cortados eran vulnerables a agrietarse bajo la tensión mecánica de los campos magnéticos elevados.

"Eso se descubrió maravillosamente en estos experimentos, ", Dijo Larbalestier." Encontramos una manera de controlar este daño, que es insistir en que compremos material que tenga un borde sin hendiduras, y orientamos el borde no cortado lejos del centro del imán. Y bajo estas circunstancias, hasta ahora no estamos viendo daños ".

¿El siguiente paso? Más investigación y resolución de problemas. El diseño LBC de Hahn se está considerando actualmente para su uso en un futuro imán superconductor que podría batir récords y que ahora se encuentra en investigación y desarrollo financiado por la National Science Foundation.

"El problema fundamental de REBCO es que es un conductor de un solo filamento que no se puede fabricar perfectamente, "Dijo Larbalestier." Entonces, cualquier longitud de conductor contiene una variedad de defectos cuyo impacto en cualquier imán futuro aún no se comprende bien. Pero disfrutamos con este tipo de desafíos ".

Incluso con estos desafíos, los científicos todavía están encantados con el progreso que se ha realizado.

"Cuando NSF lanzó por primera vez el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético hace décadas, revolucionó el uso de potentes imanes para la investigación, "dijo Linda Sapochak, director de la División de Investigación de Materiales de NSF. "Al anunciar su nuevo imán que bate récords mundiales, MagLab ha demostrado que sigue liderando la vanguardia de este campo, y los avances que seguirán ".

Leonard Spinu, el gerente del programa NSF que supervisa la financiación del MagLab, repitió los comentarios de Sapochak.

"Este avance acelerará el esfuerzo apoyado por NSF de MagLab para desarrollar energía eficiente, imanes de alto campo, que cuando se materialice podría democratizar el acceso nacional a esta tecnología, " él dijo.