Supergeleidende magneet: hoe stroom zonder weerstand de krachtigste magneten mogelijk maakt
Een supergeleidende magneet is een elektromagneet waarvan de draad is gemaakt van een materiaal dat bij extreme kou alle elektrische weerstand verliest. Omdat er geen weerstand is, kan er een enorme stroom door de draad blijven lopen zonder dat er energie verloren gaat als warmte. Die stroom wekt een magnetisch veld op dat vele malen sterker is dan wat een gewone elektromagneet met koperdraad kan produceren, en dat veld blijft in principe jarenlang bestaan zonder dat er voortdurend nieuwe energie bij moet.
Vergelijk het met water door een pijpleiding: een gewone koperdraad is als een ruwe buis die wrijving veroorzaakt, waardoor je voortdurend druk (energie) moet toevoegen om het water te laten stromen. Een supergeleider is als een perfect gladde buis zonder wrijving: eenmaal op gang, blijft het water stromen zonder extra pomp. Dit principe wordt toegepast in onder meer MRI-scanners in ziekenhuizen, de deeltjesversneller van CERN en experimentele kernfusiereactoren, waar extreem sterke en stabiele magnetische velden nodig zijn.
Wat is het precies?
Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel dat optreedt in bepaalde materialen zodra ze worden afgekoeld onder een zogeheten kritische temperatuur. Boven die temperatuur gedraagt het materiaal zich als een normale, min of meer weerstandbiedende metaaldraad. Eronder verdwijnt de elektrische weerstand volledig en kan stroom zonder verlies blijven circuleren.
De eerste generatie supergeleidende magneten gebruikt metaallegeringen zoals niobium-titanium (NbTi) of niobium-tin (Nb3Sn). Deze materialen worden pas supergeleidend bij temperaturen van ongeveer -264°C tot -255°C, wat betekent dat ze gekoeld moeten worden met vloeibaar helium. Dat maakt de techniek duur en technisch veeleisend: het hele magneetsysteem moet in een goed geïsoleerd vat zitten, een cryostaat genoemd, om die temperatuur vast te houden.
Sinds de jaren tachtig zijn er ook zogeheten hogetemperatuursupergeleiders ontdekt, zoals keramische verbindingen op basis van yttrium, barium en koper (YBCO) of van zeldzame aardmetalen (REBCO). Die worden al supergeleidend bij temperaturen die met vloeibaar stikstof (-196°C) of zelfs met krachtige mechanische koelers te bereiken zijn, wat de koeling eenvoudiger en goedkoper maakt. Bovendien kunnen deze materialen veel hogere magnetische velden verdragen voordat ze hun supergeleidende eigenschap verliezen, wat de deur opent naar compactere en krachtigere magneten.
Een magneet wordt gebouwd door honderden tot duizenden omwikkelingen van supergeleidende draad of tape in een spoel aan te brengen. Zodra de spoel is afgekoeld tot onder de kritische temperatuur en een startstroom krijgt toegediend, kan de stroomkring worden gesloten tot een gesloten lus: de stroom blijft dan vrijwel zonder verlies rondlopen, soms jarenlang, zolang de koeling intact blijft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het opwekken van magnetische velden die met gewone elektromagneten onbereikbaar of onbetaalbaar zouden zijn. Een krachtig, stabiel en energiezuinig magnetisch veld is onmisbaar voor een aantal technologieën die de afgelopen decennia ons dagelijks leven en de wetenschap hebben veranderd.
In de geneeskunde maakt een sterk en zeer uniform magnetisch veld het mogelijk om met MRI-scanners (magnetic resonance imaging) gedetailleerde beelden van weefsel in het lichaam te maken, zonder ioniserende straling zoals bij röntgenstraling. In de natuurkunde zijn sterke magneten nodig om geladen deeltjes in deeltjesversnellers in hun baan te buigen en te richten. En in onderzoek naar kernfusie, waarbij men energie wil opwekken door lichte atoomkernen te laten samensmelten zoals in de zon, zijn extreem sterke magnetische velden essentieel om het gloeiend hete plasma (een geïoniseerd gas van honderden miljoenen graden) in de lucht te laten "zweven", ver van de wanden van het vat.
Daarnaast spelen supergeleidende magneten een rol in magnetische zweeftreinen (maglev), waar ze gebruikt worden om treinen zonder wielcontact boven het spoor te laten zweven en vooruit te stuwen, en in industriële toepassingen zoals het scheiden van materialen of het opslaan van energie.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij het Europese onderzoekscentrum CERN in Genève gebruikt de Large Hadron Collider (LHC), operationeel sinds 2008, duizenden supergeleidende dipoolmagneten van niobium-titanium die protonen met een veld van ruim 8 tesla in een cirkelbaan van 27 kilometer buigen. De magneten worden gekoeld tot 1,9 kelvin (-271,25°C), kouder dan de temperatuur in de lege ruimte.
In de geneeskunde zijn sinds de vroege jaren tachtig vrijwel alle klinische MRI-scanners van fabrikanten als Siemens Healthineers, GE Healthcare en Philips uitgerust met supergeleidende NbTi-magneten, doorgaans met een veldsterkte van 1,5 of 3 tesla.
Bij de internationale fusiereactor ITER, in aanbouw in Cadarache (Frankrijk), worden de centrale solenoïde en de toroïdale veldspoelen gebouwd met niobium-tin-supergeleiders. Door internationale vertragingen is de planning herhaaldelijk aangepast; volgens het in 2024 herziene schema wordt de eerste plasmavorming niet voor het midden van de jaren 2030 verwacht.
Het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems, voortgekomen uit onderzoek aan het MIT, testte in 2021 een magneetspoel op basis van hogetemperatuursupergeleidende REBCO-tape die een veld van 20 tesla haalde, destijds een record voor dit type magneet. Deze technologie moet de basis vormen voor hun compacte fusiereactor SPARC.
In Japan rijdt op de testbaan in Yamanashi de SCMaglev, een magnetisch zwevende trein die gebruikmaakt van supergeleidende magneten voor levitatie en voortstuwing. In april 2015 bereikte een bemande testtrein een snelheid van 603 km/h, nog altijd het snelheidsrecord voor spoorvoertuigen.
Hoe ver is de techniek?
Supergeleidende magneten op basis van NbTi en Nb3Sn zijn volwassen technologie: ze worden al meer dan veertig jaar commercieel toegepast in MRI-scanners en al tientallen jaren in deeltjesversnellers. De grootste uitdaging hier is niet de natuurkunde, maar de kosten en complexiteit van de koelinstallaties met vloeibaar helium, een grondstof die wereldwijd beperkt beschikbaar is.
De hogetemperatuursupergeleiders, met name REBCO-tape, ontwikkelen zich sneller. Het record van 20 tesla in 2021 wordt gezien als een belangrijke doorbraak omdat het laat zien dat fusiereactoren compacter en dus goedkoper gebouwd kunnen worden dan met klassieke supergeleiders. Tegelijk is het produceren van lange, gelijkmatige lengtes REBCO-tape nog relatief duur en technisch lastig, en is er wereldwijd nog beperkte productiecapaciteit.
Fusie-energie zelf, waarvoor deze magneten een cruciale bouwsteen zijn, staat nog niet aan de drempel van commerciële toepassing. Projecten als ITER en SPARC moeten de komende tien tot twintig jaar laten zien of en wanneer netto energieopwekking op praktische schaal haalbaar is; schattingen in de sector lopen uiteen en eerdere tijdslijnen zijn stelselmatig naar achteren geschoven.
Wie werken eraan?
Op het gebied van fundamenteel onderzoek en grote onderzoeksfaciliteiten lopen CERN (Zwitserland/Frankrijk) en het internationale ITER-consortium (met deelname van onder meer de EU, de VS, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India) voorop. In Duitsland werkt het Max Planck Institute for Plasma Physics aan de stellarator Wendelstein 7-X, die eveneens op supergeleidende magneten draait.
In de Verenigde Staten combineren het MIT Plasma Science and Fusion Center en het daaruit ontstane bedrijf Commonwealth Fusion Systems academisch onderzoek met commerciële ontwikkeling van hogetemperatuursupergeleidende magneten. Ook het Britse Tokamak Energy zet in op deze technologie voor compacte fusiereactoren.
Op medisch en industrieel vlak zijn fabrikanten als Siemens Healthineers, GE Healthcare, Philips en Bruker de belangrijkste producenten van supergeleidende MRI- en NMR-magneten, terwijl bedrijven zoals het Amerikaanse American Superconductor zich specialiseren in de productie van supergeleidende draad en tape. In Japan werken JR Central en het Railway Technical Research Institute samen aan de verdere uitrol van maglev-treinen op basis van supergeleidende magneten.