Magnitogorsk aan de Waal

W.F. Hermans laat in het verhaal ‘Naar Magnitogorsk’ uit zijn verhalenbundel ‘De laatste roker’ huiveringwekkende magnetische krachtlijnen op groteske wijze hun verwoestende uitwerking hebben op mens en materiaal. Magneetvelden fascineren mensen van oudsher door de spectaculaire associaties die ze oproepen.

In het dagelijks leven past de mens magnetisme sinds jaar en dag veelvuldig toe, zij het op minder opzienbarende wijze. Het gebruik varieert van een kompas of een koelkastmagneetje en de opslag van informatie op een videoband, pinpas of harde schijf tot de geavanceerde MRI-scanners in het ziekenhuis. Magneetvelden spelen dan ook in tal van verschijnselen een rol, vaak ondanks hun geringe grootte. Voor echt sterke magneetvelden moet je of in de ruimte zijn, bijvoorbeeld in neutronensterren die gelukkig ver van de aarde verwijderd zijn, of in Nijmegen. In 2002 hebben we een nieuwe supermagneet gereed in het Laboratorium voor Hoge Magneetvelden. De magneet kan een veld produceren van meer dan dertig tesla. Dat is meer dan 300.000 maal het aardmagneetveld. Anders dan in Magnitogorsk hoeven onze medewerkers hun broekriemen, brillen, horloges en dergelijke niet thuis te laten. Het magneetveld is weliswaar zeer sterk, maar blijft beperkt tot een klein volume, net groot genoeg voor experimenten. Al blijft enige voorzichtigheid geboden met je pinpas, wil je na een experiment niet voor een onaangename verrassing staan bij de kassa van de supermarkt.

Intermezzo

Alles is magnetisch dus ook een kikker

Spelend met een permanente magneet merk je dat hij sommige voorwerpen wel aantrekt, zoals een paperclip, een kwartje of een schroevendraaier, en andere niet, zoals een potlood of een aardbei. Ogenschijnlijk is er slechts een beperkt aantal materialen magnetisch, met als bekende voorbeelden ijzer en nikkel. Schijn bedriegt echter. Verreweg de meeste andere materialen zijn wel degelijk ook magnetisch, al zijn er veel grotere magneetvelden nodig om het zichtbaar te maken, omdat dit zogenaamde diamagnetisme vele duizenden malen kleiner is. Diamagnetisme is de eigenschap van materie om te proberen uitwendige magneetvelden af te zwakken. Simpel gezegd betekent dit dat deze materialen afgestoten worden door magneetvelden, in tegenstelling tot een paperclip die er juist door aangetrokken wordt. Een prachtige illustratie van dit effect is de mogelijkheid om een willekeurig voorwerp, zoals een aardbei, een boterham met kaas of een waterdruppel, of zelfs een levende kikker te laten zweven in een Nijmeegse magneet. We heffen dan als het ware de zwaartekracht op met een tegengesteld gerichte magneetkracht (zie de foto’s en filmpjes op de website van de kun). Een waterdruppel neemt in deze gewichtsloze toestand een perfecte bolvorm aan, precies zoals hij in de ruimte zou doen, in de afwezigheid van de zwaartekracht. Dit voorbeeld maakt duidelijk dat gangbare experimenten die in bijvoorbeeld het internationale ruimtestation iss uitgevoerd worden (bijvoorbeeld de studie naar kristalvorming of plantgroei onder gewichtsloze omstandigheden) ook hier op aarde kunnen plaatsvinden, voor een fractie van de kosten. Diamagnetische krachten zijn ook anderszins bruikbaar. Organische stoffen bestaan uit moleculen die doorgaans een anisotrope vorm hebben. Magneetkrachten variëren hierdoor per richting. Als gevolg willen dit soort stoffen zich oriënteren naar hun voorkeursrichting. Met magneetvelden kunnen we bijvoorbeeld grote moleculen zoals polymeren, vloeibare kristallen of macromoleculen in oplossing, ruimtelijk ordenen. Normaliter liggen die kriskras door elkaar heen. Door materialen op deze wijze op moleculair niveau te manipuleren, kunnen we hun eigenschappen verbeteren, wat van technologisch belang is. Daarnaast kunnen we eigenschappen ook beter bestuderen, wat grote mogelijkheden biedt voor fundamenteel onderzoek.

Intermezzo

Magnetisme

Op grote schaal kun je magnetisme opwekken met een stroom (geleidingselektronen die vrij tussen ionen door bewegen) door een draad of spoel. Op microscopische schaal heeft magnetisme een zuiver kwantummechanische oorsprong, al wordt het ook hier veroorzaakt door het gedrag van elektronen. Een gebonden elektron beschrijft namelijk een baan om zijn atoomkern. Het resultaat is vergelijkbaar met dat van een stroompje door een enkele winding. Er ontstaat zo een klein magneetje (magnetisch moment), het baanmagnetisme van het elektron. Daarnaast zorgt de spin van het elektron ook nog voor het spinmagnetisme. De som van deze twee soorten magnetisme bepaalt het magnetisch gedrag van een materiaal.

Drie soorten magnetisme

We onderscheiden drie belangrijke typen magnetisme: diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme. Zonder een aangelegd magneetveld is voor de meeste materialen de som van het baan- en spinmagnetisme gelijk aan nul. Het magnetisme van deze diamagnetische materialen wordt pas zichtbaar in een zeer sterke magneetvelden. Het aangelegde veld verandert de elektronenbanen een klein beetje waardoor een magnetisch moment ontstaat. Voor een beperkt aantal materialen is de som van het baan- en spinmagnetisme ongelijk aan nul. Het magnetisme van deze paramagnetische materialen is reeds merkbaar in kleine aangelegde magneetvelden, omdat al deze kleine magnetische momenten zich dan ordenen. In een ferromagnetisch materiaal is het paramagnetisme zo sterk dat beneden een bepaalde temperatuur (de zogenaamde Curietemperatuur) de magnetische momenten zich spontaan ordenen zodat het magnetisme aanwezig blijft zonder dat er een uitwendig magneetveld is aangelegd. De Curietemperatuur van ijzer ligt bijvoorbeeld ver boven kamertemperatuur, waardoor je van ijzer een permanente magneet, zoals een koelkastmagneetje, kunt maken.

Onmisbaar hulpmiddel

Sterke magneetvelden hebben een groot effect op velerlei materialen: kikkers gaan zweven, planten groeien de ‘verkeerde’ kant op, de elektrische weerstand van metalen neemt sterk toe (of juist af). Deze effecten maken van sterke magneten onmisbare hulpmiddelen bij het ontrafelen en begrijpen van de fundamentele eigenschappen van deze materialen.

In ons laboratorium kunnen we eigenschappen als de elektrische weerstand, de optische absorptie of de magnetisatie meten als functie van de sterkte van het veld. Een magneetveld is net als temperatuur en druk een thermodynamische grootheid die de toestand van de materie beïnvloedt. Natuurkundige modellen en theorieën kunnen vaak eenvoudiger worden getest in extreme condities dan onder huis-, tuin- en keukenomstandigheden. Met een zeer lage temperatuur, een hoge druk en een sterk magneetveld, creëren we zo ideale omstandigheden voor onderzoek naar fundamentele eigenschappen van materie.

In het Nijmeegse magnetenlab onderzoeken we met name de elektronische eigenschappen van vaste stoffen. Elektronen zorgen voor bijvoorbeeld de elektrische geleiding en vaak ook voor de optische respons van deze materialen. Het gedrag van elektronen in deze vaste stoffen wordt sterk beïnvloed door een magneetveld. Bewegende geladen deeltjes ondervinden in een magneetveld namelijk een zogeheten Lorentzkracht. Ook verrichten we veel onderzoek naar de magnetische eigenschappen van materialen zoals supergeleiders, halfgeleiders en organische geleiders. Traditioneel gebruikt men sterke magneten voornamelijk voor natuurkundige experimenten, maar het besef dat alles magnetisch is, heeft er recent voor gezorgd dat meer en meer interesse van biologen en scheikundigen groeit voor het gebruik van magneetvelden voor hun onderzoek. Chemici kunnen bijvoorbeeld met een sterk magneetveld ook grote anisotrope moleculen (moleculen die er in diverse richtingen verschillend uitzien) uitrichten en organische materialen manipuleren. Plantengroei in een sterk magneetveld is een voorbeeld van toepassing in de biologie.

Veldsterkte

Je genereert een magneetveld het eenvoudigst met een permanente magneet. Deze is gemaakt van een materiaal dat van zichzelf magnetisch is. Voorbeelden vind je in dynamo’s en motoren. Met de huidige stand van zaken halen ze echter nooit een hogere veldsterkte dan twee tesla. Sterkere velden kunnen we opwekken als we een elektrische stroom door een spoel rond laten lopen. Het principe is eenvoudig: hoe groter de stroom, hoe sterker het veld. In het geval van de toekomstige 33-tesla-magneet in Nijmegen betekent dit wel dat de stroom zo’n veertigduizend ampère moet zijn. Met een aangelegde spanning van vijfhonderd volt reken je uit dat het benodigde vermogen (stroom maal spanning) dan gelijk is aan twintig megawatt. Het vermogen van de huidige installatie bedraagt zes megawatt, waarmee de magneet twintig tesla haalt. Twintig megawatt is equivalent aan het gebruik van ongeveer tweehonderdduizend flinke peertjes (geen spaarlampen), ofwel het vermogen dat normaliter twee- tot drieduizend huishoudens consumeren! Dit enorme vermogen zorgt er voor dat we meestal ’s nachts (in het daltarief) experimenteren. Zo houden we de gigantische elektriciteitsrekening nog enigszins binnen de perken.

Badkuip per seconde

We moeten de magneetspoel vanwege de warmteontwikkeling door zijn elektrische weerstand ook actief koelen. In het moordende tempo van een volle badkuip per seconde persen we koud water door de magneet. Zo voorkomen we dat hij binnen een halve minuut wegsmelt. De sterke elektrische stromen in combinatie met de hoge magneetvelden leiden tevens tot enorm grote Lorentzkrachten. Een Lorentzkracht is de kracht die een stroomvoerende geleider in een uitwendig magneetveld ondervindt. Het materiaal waarvan de magneet is gemaakt, moet tegen die kracht bestand zijn. Koper, het materiaal van normale elektriciteitsdraden, is hiervoor niet langer geschikt. Met een toenemend beschikbaar vermogen groeien de eisen die we aan de gebruikte materialen stellen. Voor de huidige magneten gebruiken we daarom de meest moderne koperlegeringen met een veel grotere treksterkte dan zelfs roestvrij staal. Ze worden geproduceerd met zeer geavanceerde metaalbewerkingstechnieken. Het doel van een magneetontwerp is dat de spoel met het beschikbare vermogen een maximaal magneetveld opwekt. Bij de heersende temperatuur en de optredende magneetkrachten in de spoel mogen de materiaaleigenschappen niet worden overschreden.

Intermezzo

Gatenkaasmagneet

Een moderne Bittermagneet kost ongeveer een miljoen gulden (aan onderdelen) en een moderne installatie om deze magneten te laten draaien kost in de orde van tien miljoen gulden per magneetcel. De nieuwe installatie in Nijmegen omvat, behalve zes magneetcellen, ook een koelinstallatie (met vier koeltorens, twee grote koelmachines en een 1400 m3 koudwater reservoir), vier transformatoren met gelijkrichter die de door de elektriciteitsmaatschappij door een speciale kabel aangeleverde wisselstroom gelijkrichten. Met de bouw van het nieuwe magnetenlaboratorium is een bedrag van ruim vijftig miljoen gulden gemoeid, dat is opgebracht door de Katholieke Universiteit Nijmegen, de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).

Bittermagneet

Een simpel principe voor het opwekken van sterke velden vergt nog steeds een ingenieus ontwerp voor de daadwerkelijke magneet: de Bittermagneet, vernoemd naar zijn bedenker, Francis Bitter. Reeds in de jaren dertig was bekend dat de meest eenvoudige spoel (een enkele opgewikkelde stroomdraad) niet het maximale veld per vermogen genereert. Francis Bitter toonde aan dat je sterkere velden kunt maken als je de magneet opbouwt uit platte metalen platen. De platen zijn van elkaar gescheiden door isolatorplaten, met daarin vele verticale kanalen, waardoor koelwater kan worden geperst. Zo’n Bitterplaat kun je zien als een extreem platte draad, ongeveer enkele tienden millimeter dik, met een binnendiameter variërend van drie tot dertig centimeter en een buitendiameter van vijf tot zestig centimeter. Een enkele spoel bestaat uit honderden Bitter- en isolatorplaten, elk met een onderbreking. De platen zijn op een ingenieuze wijze gestapeld, zodat de stroom op een spiraalvormige manier van boven naar beneden loopt. Het gaatjespatroon voor de koeling is niet willekeurig aangebracht. De gaatjesdichtheid is het hoogst aan de binnenkant van de magneet, waar de grootste stroomdichtheid heerst en dus de meeste warmteontwikkeling optreedt. De magneet ziet er hier uit als een gatenkaas. Het exacte gatenpatroon wordt uitgerekend aan de hand van de werkelijke stroomverdeling binnen de spoel, rekeninghoudend met de sterkte van het materiaal. Op plaatsen met veel gaten neemt de sterkte van de Bitterplaat aanzienlijk af. Een echte magneet bestaat uit twee of meer in elkaar geplaatste Bitterspoelen, uitgaande van de optimale afmetingen van alle componenten. Het te onderzoeken preparaat plaatsen we dan binnenin de middelste spoel (met een typische binnendiameter van drie tot zes centimeter) waar het magneetveld gelijk is aan de som van alle velden van alle spoelen samen. Volgens dit ontwerp kunnen we een magneetveld van 33 tesla opwekken met een vermogen van twintig megawatt.

Extreme druk

Een Bittermagneet moet zo stevig zijn dat hij weerstand biedt tegen de Lorentzkrachten en tegen de hoge druk van het koelwater. De Lorentzkrachten proberen de magneet verticaal samen te drukken: op de middelste Bitterplaat kan een kracht overeenkomend met zo’n driehonderd ton komen te staan. De meeste hinder ondervinden de platen echter van de naar buiten gerichte (radiële) component van de Lorentzkracht die de magneet wil laten exploderen. In een drukequivalent omgezet betekent dit een druk naar buiten toe van enkele duizenden maal de atmosferische druk op zeeniveau. Daarom bestaan de spoelen uit gehard, koud gewalste koperplaat of uit nog sterkere koperlegeringen zoals beryllium-koper of koper-zilver. Deze geleiders hebben weliswaar een slechtere elektrische geleiding dan zacht uitgegloeid koper maar ze zijn veel sterker en de hogere weerstand wordt overwonnen door gewoon een hogere spanning aan te leggen. We houden de spoelen ook nog eens verticaal bij elkaar met een tiental roestvrijstalen staven van zo’n één centimeter in diameter en centimeters dikke eindplaten. Met deze versteviging kunnen we ze in de behuizing monteren. De behuizing is in werkelijkheid een roestvrijstalen vat, van het formaat van een flinke regenton (een meter hoog en een meter in diameter), met een wanddikte van enkele centimeters. Het vat moet in ieder geval 40.105 Pa (veertig bar) statische druk kunnen weerstaan, die nodig is om het koelwater er met tweehonderd liter per seconde doorheen te persen. In het ergste geval moet de behuizing een verticale kracht overeenkomend met zo’n 150 ton kunnen dragen. Deze situatie kan optreden als een helft van een spoel plotseling geen veld meer produceert, bijvoorbeeld door een kortsluiting als gevolg van een lokale oververhitting ergens in de spoel. De spoel wordt dan door de overige spoelen uitgestoten en dit kan met geweld gepaard gaan. Voor het zover komt, heeft zeer waarschijnlijk het magneetbewakingssysteem echter al een kleine verandering in de weerstand van de betreffende spoel gedetecteerd en de stroom uitgeschakeld. Het magneetbewakingsysteem minimaliseert daarmee de eventuele schade en voorkomt financiële drama’s. Behalve met een Bittermagneet kunnen we nog op een andere manier hoge magneetvelden opwekken: via de supergeleidende magneet. Deze is gemaakt van een materiaal zonder elektrische weerstand (supergeleidende materialen) waardoor er geen elektrisch vermogen nodig is om zo’n magneet te bedrijven. Supergeleiding treedt echter alleen maar op bij zeer lage temperaturen. Dit type magneten moeten we afkoelen met vloeibaar helium (-269oC). Niobiumtin (Nb3Sn) is een van de weinige supergeleiders waarvan we op een betrouwbare manier lange draden kunnen fabriceren. Een niobiumtin-magneet heeft een maximaal veld van ongeveer twintig tesla. Bij sterkere velden verdwijnt de supergeleiding. Al tientallen jaren beschikken we over supergeleiders die in potentie hogere magneetvelden kunnen opwekken. Tot nu toe kunnen we die echter slechts in korte lengten fabriceren.

Hybride magneet

Een combinatie van supergeleidende- en Bittermagneten, de zogeheten hybride magneet, wekt het sterkste continu te handhaven magneetveld op. Het wereldrecord staat op 45 tesla, op naam van een Amerikaans laboratorium. Een nadeel is dat het werken met een hybride magneet een gecompliceerde bezigheid is. De werkpaarden van het Nijmeegse hogeveldenlaboratorium (en van elk soortgelijk laboratorium) blijven daarom de Bittermagneten die we relatief eenvoudig kunnen bedienen. Gastwetenschappers kunnen na een cursus van een uurtje de magneten zelf bedienen, het aanzetten van de magneetinstallatie duurt ongeveer vijf minuten. Binnen een minuut verhoog je de veldsterkte van nul naar 33 tesla. Bovendien benaderen de Bittermagneten tegenwoordig de bijzondere kwaliteiten van supergeleidende magneten: hoge veldstabiliteit en -homogeniteit (het veld is in een bepaalde ruimte overal gelijk) en trillingsarm. Het spreekt voor zich dat door de niet onaanzienlijke omvang van zo’n investering weinig laboratoria in de gelegenheid zijn om zulke hoge magneetvelden te maken. Behalve in Nijmegen zijn er slechts enkele hoge-magneetveldenlaboratoria op de wereld: Tallahassee (Florida), Grenoble (Frankrijk) en Tsukuba, nabij Tokyo (Japan). Het gevolg is dat sinds ruim tien jaar het lab in Nijmegen mede als een Europese faciliteit fungeert. Iedere Europese wetenschapper met een goed wetenschappelijk idee kan zich aanmelden voor gratis magneettijd.