Strumentazione e misurazione

I magneti super-forte sono un fenomeno relativamente recente. Prima del 19° secolo, gli unici magneti disponibili erano rocce naturali fatte di un minerale chiamato magnetite. Questo cominciò a cambiare dopo il 1819, quando lo scienziato danese Hans Christian Ørsted scoprì che le correnti elettriche nei fili metallici creano campi magnetici, ma il vero salto nella forza dei magneti non è arrivato fino a quasi un secolo dopo, con la scoperta della superconduttività. I superconduttori conducono l’elettricità con perfetta efficienza, il che è un enorme vantaggio per realizzare magneti forti: oggi i più potenti magneti superconduttori disponibili in commercio possono produrre un campo stabile fino a 23 T, che è più di 2000 volte più forte del magnete sul tuo frigorifero.

Nel dicembre 2017 i miglioramenti nella tecnologia dei magneti a bassa temperatura-superconduttori (LTS), insieme ai progressi nei materiali superconduttori ad alta temperatura (HTS), hanno prodotto un altro cambiamento nello sviluppo dei magneti. La dimostrazione di successo di un magnete interamente superconduttore a 32 T da parte del National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Florida, USA, è stata una pietra miliare significativa nel campo. Il nuovo super-magnete dovrebbe diventare disponibile per gli utenti nel 2019, e il suo campo elevato e stabile aiuterà gli scienziati a rompere un nuovo terreno negli studi di risonanza magnetica nucleare, risonanza magnetica elettronica, solidi molecolari e studi di oscillazione quantistica dei metalli complessi, tra le altre aree. A lungo termine, la più ampia disponibilità di tali campi magnetici forti dovrebbe anche migliorare la nostra comprensione dei superconduttori e dei nanomateriali, portando a nuovi nano-dispositivi e applicazioni.

Ci sono, tuttavia, diverse sfide associate alla progettazione e produzione di magneti in grado di produrre campi di > 25 T. La quantità di energia immagazzinata in sistemi come questi è enorme, e la gestione delle forze elettromagnetiche e delle sollecitazioni associate sia all’eccitazione del magnete, sia al suo riscaldamento e “spegnimento” (come è noto il passaggio dal comportamento superconduttore a quello resistivo), non è un compito facile. Produrre fili e nastri LTS e HTS di alta qualità e uniformi al metro (e anche al chilometro) è anche difficile. Il successo del progetto finale di 32 T non è avvenuto da un giorno all’altro; piuttosto, è stato il prodotto di un intenso sviluppo ingegneristico e dei materiali per quasi un decennio.

Trovare il giusto superconduttore

Un magnete superconduttore di ≥25 T comprende tipicamente un magnete esterno (o “outsert”) fatto di materiali LTS e un inserto che usa materiali HTS. Nel magnete NHMFL da 32 T, la sezione esterna consiste in tre bobine di niobio-stagno (Nb3Sn) e due bobine di niobio-titanio (NbTi), tutte fornite da Bruker-Oxford Superconducting Technology. Insieme, queste bobine forniscono un campo di 15 T attraverso un magnete a foro largo di 250 mm. La sezione dell’inserto fornisce 17 T in un foro freddo di 34 mm sviluppato da NHMFL utilizzando nastri superconduttori avanzati HTS prodotti da Superpower Inc. Le due sezioni sono state integrate da un team di scienziati del NHMFL, supportati da un team della mia azienda, Oxford Instruments Nanoscience, che ha anche sviluppato l’inserto del magnete e il suo sistema criogenico.

Il design a due componenti dei magneti ad alto campo è necessario perché i magneti solo LTS non possono produrre un campo molto più di 21 T a 4,2 K (o 23 T a 2,2 K) a causa delle limitazioni fisiche dei materiali LTS. Per esempio, NbTi è stato sviluppato negli anni ’70 ed è stato il “cavallo di battaglia” dei magneti superconduttori da allora. Tuttavia, il materiale NbTi può funzionare come superconduttore solo a campi fino a 10 T a 4,2 K (e non più di 11,7 T a 2,2 K) per magneti con fori stretti di meno di 60 mm. Per magneti con fori più grandi, il campo massimo è ancora più basso, limitando l’utilità del materiale in magneti ad alto campo. Le bobine fatte di materiale Nb3Sn possono rimanere superconduttrici fino a 23 T a 2,2 K, molto più in alto di quanto sia possibile per NbTi, ma devono anche avere una struttura a filamento molto fine per prevenire un fenomeno noto come salto di flusso che dissipa energia nel superconduttore e può causare l’estinzione prematura della bobina. Quindi, la fabbricazione del filo di Nb3Sn deve essere fatta con rigorose procedure di controllo della qualità per assicurare che funzioni in modo stabile a campi elevati.

I materiali HTS, al contrario, possono trasportare una corrente significativa a 4,2 K, e rimangono superconduttori ben oltre i limiti del campo magnetico inerenti ai fili a base di niobio, avendo mostrato buone prestazioni in campi fino a 45 T (che possono essere generati da magneti che incorporano bobine resistive e superconduttive). Tuttavia, questi materiali presentano ulteriori sfide in termini di costo, affidabilità e accettazione da parte della comunità degli utenti. La prima generazione di fili HTS è stata realizzata con un superconduttore a base di cuprato, ossido di rame calcio stronzio bismuto (Bi-2212). Questo materiale funziona in modo coerente indipendentemente dall’orientamento del campo magnetico, ma la sua fabbricazione richiede che il materiale sia sottoposto a un trattamento termico molto preciso in ossigeno, dopo il quale diventa estremamente fragile e quindi altamente sensibile alla deformazione. Il magnete NHMFL 32 T utilizza un filo HTS di seconda generazione in YBCO, una ceramica superconduttiva composta da ittrio, bario, rame e ossigeno. La produzione di fili e nastri YBCO è aumentata negli ultimi anni e le loro proprietà meccaniche sono migliori di quelle del Bi-2212, ma presentano effetti anisotropi rispetto all’orientamento del campo che devono essere presi in considerazione nella progettazione del magnete. Richiedono anche sistemi di gestione del quench più sofisticati. In breve, entrambi i materiali hanno le loro sfide, ma anche alcuni vantaggi, e sono forti candidati per magneti ad alto campo.

Gestire l’energia immagazzinata e lo stress

Per i superconduttori nell’inserto e nell’esterno del magnete per funzionare, entrambi i componenti devono essere tenuti completamente immersi in un bagno di elio liquido a 4.2 K. Pochi μJ di energia supplementare – equivalente all’energia potenziale di uno spillo caduto dall’altezza di pochi centimetri – sarebbe sufficiente per aumentare la temperatura sopra il punto in cui le bobine diventano resistive, e il magnete subisce un quench. Quando questo accade, l’elio bolle e tutta l’energia immagazzinata nel magnete viene rilasciata molto rapidamente, rischiando di danneggiare la sua struttura se il processo di spegnimento non è gestito correttamente. Anche il potenziale di danno è significativo: al campo massimo di 32 T, l’energia immagazzinata nel magnete NHMFL è più di 8,3 MJ, circa uguale all’energia in 2 kg di TNT.

I magneti ad alto campo giocano già un ruolo importante nel permettere la ricerca scientifica e lo sviluppo

Come si può gestire la dissipazione di 8,3 MJ di energia in modo da non causare danni terminali né al magnete né agli oggetti intorno ad esso? La soluzione è un sistema di gestione del quench che rilascia l’energia molto rapidamente, ma in un modo che evita danni al magnete attraverso gradienti termici o tensioni eccessive nella bobina. Questo sistema (una soluzione dedicata e brevettata sviluppata da Oxford Instruments) assicura che, durante la modalità di spegnimento, tutte le sollecitazioni sulle bobine e le loro tensioni siano mantenute entro i limiti di progetto per garantire che non ci sia una sfida eccessiva alle prestazioni del materiale. Ad esempio, vengono utilizzati dei riscaldatori per bobine appositamente progettati per rendere le bobine del magnete resistive, il che disperde l’energia del quench in modo uniforme e sicuro, ed evita che sezioni della bobina vengano danneggiate da tensioni eccessive localizzate. Inoltre, la sicurezza del sistema magnetico integrato è mantenuta da sensori che monitorano piccole variazioni di temperatura, tensione, corrente o la posizione fisica di fili e nastri. Alcune di queste informazioni sono poi inserite in un processore centrale, che determina se si sta verificando un “vero” evento di quench e, se necessario, scarica l’energia immagazzinata in modo tempestivo e sicuro.

Oltre a immagazzinare grandi quantità di energia, i magneti ad alto campo sperimentano anche enormi gradi di stress elettromagnetico. Per un dato magnete, la quantità di stress meccanico aumenta quadraticamente con l’intensità del campo, e a 32 T questi stress si sommano a più di 300 tonnellate, con una pressione magnetica di più di 250 MPa. I modi tradizionali di rinforzare le bobine magnetiche comportano l’impregnazione di cera per creare una struttura autoportante che impedisce alla forza di Lorentz sulla bobina di danneggiarle durante il funzionamento, o il movimento meccanico che porta al ripetuto spegnimento della bobina. Tuttavia, a campi molto alti questo non è sufficiente. Invece, le bobine per l’outsert LTS sono state evacuate in una speciale camera a vuoto, e la camera è stata poi riportata alla pressione atmosferica dopo che la resina epossidica era stata introdotta per sostituire i vuoti d’aria all’interno delle bobine. Questo processo rende possibile per le bobine di resistere a forze che superano le 300 tonnellate.

Prospettive per le scoperte

I magneti ad alto campo giocano già un ruolo importante nel permettere la ricerca scientifica e lo sviluppo. Molte scoperte significative, tra cui diverse che sono state successivamente onorate con premi Nobel in fisica, chimica o medicina, sono state fatte con l’aiuto di forti campi magnetici. I magneti superconduttori ad alto campo sono anche una tecnologia essenziale per gli acceleratori di particelle e i collisori, e giocano un ruolo critico nei dispositivi di fusione come il reattore sperimentale termonucleare internazionale (ITER).

A mio parere, però, alcune delle applicazioni future più eccitanti per dispositivi come il magnete 32 T NHMFL possono essere trovate nel campo della nanotecnologia. I magneti ad alto campo permetteranno lo studio e la manipolazione di atomi e strutture molecolari nell’intervallo 1-100 nm, aiutandoci a capire come le proprietà dei materiali a questa scala possono essere migliorate per ottenere una maggiore resistenza, una maggiore reattività, una migliore funzione catalitica e una maggiore conducibilità. In combinazione con le basse temperature, gli alti campi sono anche un aiuto cruciale per studiare, modificare e controllare nuovi stati della materia. I magneti superconduttori forniscono questi campi magnetici elevati senza l’enorme consumo di energia e i grandi requisiti infrastrutturali dei magneti resistivi. Il nuovo magnete da 32 T, ancora più compatto, ridurrà ulteriormente i costi di gestione associati, rendendo la ricerca ad alto campo accessibile a una gamma più ampia di scienziati e istituzioni.

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