Ein Elektromagnet in China hat ein dauerhaftes Magnetfeld von 42,02 Tesla erzeugt. Das Feld ist ungefähr 800.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld an der Erdoberfläche. Für diesen Rekord benötigte die Anlage 32,3 Megawatt elektrische Leistung. Der Spitzenwert gilt für resistive Magnete; andere Magnettypen erreichen noch höhere Feldstärken.
Der Rekord gelang am 22. September 2024 im Steady High Magnetic Field Laboratory (CHMFL) der Hefei Institutes of Physical Science. Die Einrichtung gehört zur Chinesischen Akademie der Wissenschaften und betreibt große Magnetanlagen für internationale Forschungsgruppen. Ihr neuer Elektromagnet übertraf den bisherigen Bestwert dieser Bauart, den ein US-amerikanisches Labor seit 2017 gehalten hatte.
Das Ergebnis ist vor allem für die Materialforschung wichtig. Starke Magnetfelder verändern, wie sich Elektronen in Festkörpern bewegen und wie sich Materialien unter extremen Bedingungen verhalten. Forschende können dadurch Eigenschaften untersuchen, die bei gewöhnlichen Magneten kaum messbar sind. Der Rekordmagnet ist deshalb kein Kraftwerk und kein Gerät für den Alltag, sondern eine Forschungsanlage für kontrollierte Experimente.
Die Einheit Tesla beschreibt die magnetische Flussdichte. Das Erdmagnetfeld erreicht an der Oberfläche je nach geografischem Ort ungefähr 25 bis 65 Mikrotesla. In der Nähe des magnetischen Äquators ist es schwächer, in hohen Breiten deutlich stärker. Die NOAA gibt für die Erdoberfläche eine Spanne von etwa 25.000 bis 65.000 Nanotesla an. Ein Tesla entspricht einer Million Mikrotesla.
Vergleicht man 42,02 Tesla mit einem mittleren Erdmagnetfeld von rund 52,5 Mikrotesla, ergibt sich ein Verhältnis von ungefähr 800.000 zu eins. Der Vergleich ist daher eine anschauliche Größenordnung und kein überall auf der Erde exakt gleicher Faktor. Je nachdem, ob man den schwächeren oder stärkeren Bereich des natürlichen Feldes zugrunde legt, fällt das Verhältnis entsprechend anders aus.
Auch ein Kühlschrankmagnet liefert keinen passenden Maßstab für diesen Rekord. Seine Feldstärke hängt stark vom Abstand und von der Bauform ab. Entscheidend ist hier, dass das Laborfeld in einem genau definierten Arbeitsbereich erzeugt und während eines Experiments stabil gehalten wird. Forschende können dort Proben platzieren und ihre Reaktion auf die außergewöhnlich starke magnetische Umgebung messen.
Der neue Rekordmagnet gehört zur Gruppe der resistiven Magnete. Solche Elektromagnete erzeugen ihr Feld, indem elektrischer Strom durch leitfähige Wicklungen beziehungsweise speziell aufgebaute Leiterstrukturen fließt. Die bewegten Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Je nach Geometrie, Stromstärke und Anordnung der Leiter lässt sich dieses Feld gezielt verstärken.
Der elektrische Widerstand hat allerdings eine unmittelbare Folge: Ein Teil der zugeführten Energie wird in Wärme umgewandelt. Je stärker der Strom und je größer der Widerstand, desto mehr Wärme entsteht im Magneten. Die Anlage muss diese Wärme zuverlässig abführen, damit die Leiter nicht überhitzen und das Magnetfeld stabil bleibt. Wassergekühlte Konstruktionen sind deshalb ein wesentlicher Bestandteil solcher Hochfeldmagnete.
Für den 42,02-Tesla-Rekord benötigte das System eine elektrische Leistung von 32,3 Megawatt. Das ist eine Größenordnung, die sonst eher mit großen Industrieanlagen verbunden wird. Die Leistung beschreibt, wie schnell elektrische Energie umgesetzt wird, nicht die gesamte Energiemenge eines Versuchs. Wie lange der Magnet auf dem Rekordwert betrieben wird, entscheidet daher zusätzlich über den tatsächlichen Energieverbrauch.
Das Team arbeitete fast vier Jahre an der Weiterentwicklung. Nach Angaben der Hefei-Institute veränderten die Fachleute die Struktur des Magneten und verbesserten die Fertigung. Solche Änderungen müssen mechanische Belastungen, elektrische Verluste und Kühlung gemeinsam berücksichtigen. In einem starken Magnetfeld wirken erhebliche Kräfte auf die stromdurchflossenen Bauteile, während die entstehende Wärme gleichzeitig abgeführt werden muss.
Forschungslabore unterscheiden drei grundlegende Typen von Hochfeldmagneten: resistive Magnete, supraleitende Magnete und Hybridmagnete. Jede Bauart nutzt andere physikalische und technische Vorteile. Die Unterschiede betreffen nicht nur die erreichbare Feldstärke, sondern auch Energiebedarf, Kühlung, Steuerbarkeit und Betriebsweise.
Resistive Magnete verwenden normale elektrische Leiter. Sie lassen sich vergleichsweise flexibel steuern und können ihr Feld schnell verändern. Dafür benötigen sie viel Strom und erzeugen beträchtliche Wärme. Die Hefei-Anlage hält mit 42,02 Tesla den Rekord innerhalb dieser Kategorie. Der vorherige Bestwert lag bei 41,4 Tesla und stammte aus dem Jahr 2017 vom US-amerikanischen National High Magnetic Field Laboratory.
Supraleitende Magnete arbeiten mit Materialien, deren elektrischer Widerstand bei ausreichend niedrigen Temperaturen verschwindet. Dadurch kann ein Strom über lange Zeit fließen, ohne dass dieselben ohmschen Wärmeverluste wie in normalen Leitern auftreten. Die Materialien müssen dafür jedoch stark gekühlt werden. Außerdem begrenzen die Eigenschaften des jeweiligen Supraleiters, wie hohe Magnetfelder und Stromdichten die Spule verkraftet.
Hybridmagnete kombinieren beide Prinzipien. Ein resistiver Magnet sitzt dabei innerhalb eines supraleitenden Magneten. Die beiden Felder addieren sich im gemeinsamen Arbeitsbereich. Das CHMFL hatte bereits 2022 einen solchen Hybridmagneten auf 45,22 Tesla gebracht. Dieser Wert liegt über dem neuen resistiven Rekord, gehört aber zu einer anderen technischen Klasse. Die beiden Zahlen widersprechen sich daher nicht.
Der Rekord von 42,02 Tesla beschreibt ein konstantes beziehungsweise stationäres Magnetfeld eines resistiven Magneten. Er ist keine Bestmarke für jede denkbare Magnetanlage. Gepulste Magnete können deutlich höhere Spitzenwerte erzeugen, allerdings nur für sehr kurze Zeit. Dabei wird zuvor gespeicherte elektrische Energie in einer schnellen Entladung durch eine Spule geleitet.
Die kurze Belastung erlaubt Feldstärken, die ein dauerhaft betriebener Magnet nicht aushalten würde. Gleichzeitig entstehen enorme mechanische Kräfte und Wärme, die den Aufbau beschädigen oder zerstören können. Ein solcher Spitzenwert eignet sich deshalb für Experimente, bei denen ein extrem starkes Feld für einen kurzen Moment genügt. Für längere Messungen an empfindlichen Proben ist ein stabiler Dauerfeldmagnet häufig geeigneter.
Ein Beispiel für den Unterschied liefert ein zerstörender Magnetversuch in Japan, bei dem eine Spule ein Feld von 1.200 Tesla für einen extrem kurzen Zeitraum erzeugte. Der Aufbau war ausdrücklich auf eine einmalige Entladung ausgelegt. Der Hefei-Magnet verfolgt ein anderes Ziel: Er stellt ein kontrollierbares Feld für Forschungsarbeiten bereit.
Starke Magnetfelder sind ein Werkzeug, um die Eigenschaften von Materie zu verändern und präziser zu messen. Elektronen tragen eine elektrische Ladung und reagieren deshalb auf magnetische Felder. Ihre Bewegungen, Energieniveaus und Wechselwirkungen können sich unter solchen Bedingungen deutlich verändern. In Festkörpern beeinflusst das unter anderem elektrische Leitfähigkeit, magnetische Ordnung und die Zustände, in denen Elektronen gemeinsam auftreten.
Besonders wichtig ist das für die Untersuchung von Supraleitern. Diese Materialien können elektrischen Strom unter geeigneten Bedingungen ohne messbaren Gleichstromwiderstand transportieren. Ihre Eigenschaften hängen eng mit der Struktur des Materials und dem Verhalten seiner Elektronen zusammen. Hohe Magnetfelder helfen, diese Zusammenhänge zu prüfen und unterschiedliche theoretische Beschreibungen gegeneinander abzuwägen.
Auch andere Bereiche der Materialwissenschaft profitieren von solchen Experimenten. Magnetfelder können helfen, Phasenübergänge zu untersuchen, also Veränderungen zwischen unterschiedlichen Zuständen eines Materials. Ebenso lassen sich magnetische und elektronische Eigenschaften unter Bedingungen vergleichen, die in gewöhnlichen Laboraufbauten nicht erreichbar sind. Das kann Grundlagen für künftige elektronische Werkstoffe liefern, ist aber noch keine Zusage für ein konkretes Produkt.
Das CHMFL nennt mehr als zehn wissenschaftliche Entdeckungen unter starken Magnetfeldern, die mit Nobelpreisen ausgezeichnet wurden. Diese Angabe beschreibt die Bedeutung der Hochfeldforschung insgesamt und nicht eine Leistung des neuen Magneten allein. Ein einzelner Rekord erzeugt nicht automatisch eine Entdeckung. Er erweitert vielmehr den Bereich der Bedingungen, unter denen Wissenschaftler Fragen an Materialien stellen können.
Die Anlage in Hefei gehört zu einer kleinen Gruppe von Laboren, die weltweit sehr starke stationäre Magnetfelder bereitstellen. Nach Angaben der Einrichtung gibt es fünf entsprechende Hochfeldlabore in den USA, Frankreich, den Niederlanden, Japan und China. Der Zugang für Wissenschaftler aus anderen Ländern ist Teil des Konzepts solcher Großgeräte. Forschungsgruppen können Experimente beantragen, für die ihnen an der eigenen Universität die nötige Infrastruktur fehlt.
Eine Veröffentlichung in der Fachzeitschrift The Innovation beschreibt, dass der 42,02-Tesla-Magnet für Wissenschaftler weltweit in Betrieb genommen wurde. Die Arbeit ordnet die Anlage als Forschungsinfrastruktur ein und stellt ihre Nutzung für Experimente unter extremen Magnetfeldern heraus. Die vollständige Verlagsseite war beim Abruf nicht erreichbar; bibliografische Angaben und Titel ließen sich über den Publikationsnachweis des Labors und die DOI-Zuordnung abgleichen.
Die technische Entwicklung steht zugleich in einer längeren Reihe von Rekorden. Hefei hatte mit seinem Hybridmagneten bereits zuvor eine besonders hohe stationäre Feldstärke erreicht. Andere Labore verfolgen eigene Kombinationen aus supraleitenden und resistiven Spulen. Ein Überblick über einen früheren 45,22-Tesla-Hybridmagneten in China zeigt, wie sich die beiden Technologien ergänzen.
Die 42,02 Tesla sind somit ein Rekord innerhalb einer klar umrissenen Kategorie: resistive Magnete mit stationärem Feld. Gepulste Anlagen und Hybridmagnete folgen anderen Maßstäben und können höhere Spitzen- beziehungsweise Dauerfeldwerte erreichen. Für die Materialforschung zählt neben dem Maximalwert vor allem, wie stabil, kontrolliert und zuverlässig ein Magnet die benötigten Bedingungen bereitstellt.
Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, China’s Resistive Magnet Sets New World Record
Zhen Fang, Xiaomin Huang, Li Pi, Xin Zhang und Guangli Kuang, The Innovation, A record-setting 42.02 T resistive magnet of SHMFF commences service for global scientists; doi:10.1016/j.xinn.2024.100760
National Centers for Environmental Information, NOAA, Geomagnetism Frequently Asked Questions
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