Magnetlabor : Zerreißproben für Materialien der Zukunft

Um neuartige Materialien zu untersuchen, erzeugen Dresdner Forscher superstarke Magnetfelder. Die Anforderungen an das Material sind dabei gewaltig.

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Unter Strom. Mit gewaltigen elektrischen Strömen werden am Hochfeld-Magnetlabor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf die stärksten Magnetfelder der Erde erzeugt.
Unter Strom. Mit gewaltigen elektrischen Strömen werden am Hochfeld-Magnetlabor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf die...Foto: FZD

Der Weltrekord wurde im Untergeschoss hinter neunzig Zentimeter dicken Betonwänden aufgestellt. Dort, im Keller des Hochfeld-Magnetlabors am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) erzeugen Joachim Wosnitza, Sergei Zherlitsyn und ihre Kollegen extrem starke Magnetfelder. Weil das jedes Mal eine wahre Zerreißprobe für die rund 200 Kilogramm schwere Spule ist und weil die gewaltigen Kräfte das Gebilde aus Stahl, Kupfer und Kunststoff im schlimmsten Fall in kleine Teile zerlegt in alle Richtungen davon schleudern, werden die Betonwände als Explosionsschutz benötigt. Am 22. Juni 2011 meldeten die Forscher aus Dresden einen neuen Weltrekord. Für gut eine tausendstel Sekunde maßen sie im Untergeschoss mit 91,4 Tesla das stärkste Magnetfeld, das jemals auf der Erde für so lange Zeit erzeugt wurde.

„Dabei geht es uns gar nicht so sehr um physikalische Spitzenwerte, sondern um Materialforschung“, sagt Wosnitza. Magnetfelder wirken nämlich auf die elektrische Ladung und je stärker ein Magnetfeld ist, umso genauer können die Wissenschaftler Substanzen untersuchen, die für neuartige elektronische Bauteile oder auch für sogenannte Supraleiter in Frage kommen, die Strom ohne Widerstand leiten. Im Prinzip holen die Dresdner Helmholtz-Forscher also die technischen Hoffnungsträger für eine gar nicht so ferne Zukunft auf den Prüfstand.

Die dafür benötigten Magnetfelder erzeugt eine Spule, durch die ein elektrischer Strom fließt. Je mehr Strom fließt, umso stärker wird das Magnetfeld. Da starke elektrische Ströme ohne größere Probleme erzeugt werden können, stünde einem Rekordmagnetfeld also wenig im Wege, wenn es da nicht die sogenannte Lorentzkraft gäbe: Während die Elektrizität als Strom winzig kleiner Teilchen, der Elektronen, entlang der Kupferdrähte einer Spule fließt und dabei das Magnetfeld erzeugt, drückt eben dieses Magnetfeld die Elektronen aus der Spule heraus. Je stärker der Strom fließt und je höher das Magnetfeld dabei wird, umso heftiger. „Bei 25 Tesla würde das Kupfer reißen“, sagt Wosnitza.

Nun sind 25 Tesla schon gewaltig, wenn man sie mit dem Magnetfeld der Erde vergleicht, das nicht einmal ein Tausendstel Tesla hat. Um aber die elektrische Ladung in den Materialien der Zukunft möglichst genau unter die Lupe zu nehmen, brauchen die Forscher Magnetfelder von 90 oder 100 Tesla. Aber bei 100 Tesla würde die Lorentzkraft im Kupfer einen Druck von vier Gigapascal erzeugen, das entspricht dem 40 000-fachen des Luftdrucks auf Meereshöhe.

Solche Kräfte würden das Metall explosionsartig zerreißen. Mischt man ein wenig des metallischen Elements Niob unter das Kupfer, hält die Legierung immerhin das Zehntausendfache des Atmosphärendrucks aus. Spulen aus diesem relativ teuren Material ermöglichen so deutlich stärkere Magnetfelder, bevor die Lorentzkräfte die Oberhand gewinnen. Für die angepeilten 90 oder 100 Tesla aber reicht dieses Spezialkupfer immer noch nicht.

Daher verpassen die Dresdner Helmholtz-Forscher dem Metall noch eine Art Korsett aus einem Spezialkunststoff, der die Legierung von außen zusammenhält. „Zylon“ ist der Handelsname dieser Kunstfaser, die so reißfest ist, dass aus ihr unter anderem schusssichere Westen oder die Ummantelung von Hochspannungsleitungen hergestellt werden. Immerhin den 55 000-fachen Druck der Erdatmosphäre hält Zylon aus. Weil der Kunststoff aber keinen Strom leitet, legen die Techniker ein Zylon-Korsett über den Spezialdraht aus der Kupfer-Niob-Mischung.

Über diese Draht-Kunststoff-Schicht wickeln die Techniker am HZDR einen weiteren Draht aus der Kupfer-Niob-Legierung, der ebenfalls von einer Zylonhülle stabilisiert wird. Insgesamt sechs solcher übereinander liegenden Doppelschichten aus Kupfer-Niob und Zylon haben die Techniker am Ende zu einer Sechsfach-Spule übereinander gewickelt, in deren Zentrum ein Hohlraum mit einem Durchmesser von 16 Millimetern bleibt. Immerhin 52 Tesla lassen sich in dieser Spezialspule erzeugen, wenn man einen kurzen, aber starken Stromimpuls durch das Kupfer jagt, der nach 0,02 Sekunden bereits wieder zu Ende ist.

Dieser Stromimpuls kommt wiederum aus einer sogenannten „Kondensatorbank“. „Gerade einmal zwei Euro Stromkosten fallen beim vollständigen Laden dieser Anlage mit insgesamt 50 Megajoule an“, erklärt Wosnitza. Der Clou der Kondensatorbank aber sei die gewaltige Leistung von fünf Gigawatt, die sie schlagartig in weit weniger als einer Sekunde freisetzt. „Eine startende Saturn-V-Rakete oder eine startende Raumfähre hat eine vergleichbare Leistung.“

Mehrere Kabel mit einem Durchmesser von mehr als fünf Zentimetern leiten diese riesigen Ströme zur Spule. Allerdings sind die so erzeugten 52 Tesla immer noch weit vom Weltrekord entfernt, den die US-Amerikaner in Los Alamos einige Jahre lang mit 89 Tesla verteidigt haben. Also legen die Techniker um diese erste Spule eine zweite, die aus zwölf Lagen sehr guten Kupferdrahts besteht, der allerdings nicht mit Niob legiert ist. „Dieses Material spart zwar auch Geld. Die zweite Spule hilft aber vor allem, den Strom und damit die Kräfte besser zu verteilen“, erklärt Joachim Wosnitza. Zwar verkraftet dieser Kupferdraht nur das 2500-fache des Atmosphärendrucks. Aber geschützt von einem Zylon-Korsett reicht ein Stromstoß von einer fünftel Sekunde Länge immerhin für ein etwa 39 Tesla-Magnetfeld in dieser Spule aus. Zusammen mit den 52 Tesla der inneren Spule ergibt das dann den Weltrekordwert von rund 91 Tesla.

Auf dem Weg zum Rekord gab es noch weitere Hürden. Die gewaltigen Ströme heizen die Kupferdrähte so stark auf, dass der Kleber versagen würde, der die beiden Materialien zusammenhält. Darum findet das ganze Experiment in flüssigem Stickstoff statt, dessen minus 196 Grad Celsius den elektrischen Widerstand verringern und gleichzeitig die entstehende Wärme abführen. Schließlich soll die riesige Spule, die HZDR-Techniker in rund einem Monat gebaut haben noch viele Untersuchungen von neuen Materialien in diesen Supermagnetfeldern erlauben. Für solche Experimente kommen Forscher aus ganz Deutschland sowie aus Frankreich, Großbritannien oder der Tschechischen Republik nach Dresden. Selbst Japaner und US-Amerikaner meldeten sich schon im Helmholtz-Zentrum an, um ihre Materialien dort unter die Lupe zu nehmen. Und weil die vorhandenen fünf Räume mit Superspulen und dicken Betonwänden dem Andrang der Forscher schon heute nicht mehr gewachsen sind, sollen bis 2014 sechs weitere dieser „Pulszellen“ entstehen. Damit wächst die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronikmaterialien der Zukunft auch den Dresdner Forschern zu verdanken sind.

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