Antimagnet: Tarnmantel für magnetische Felder funktioniert

  • 23. March 2012

Doppelwandiger Zylinder aus einem Supraleiter und einem ferromagnetischem Werkstoff als Prototyp.

Erst vor einem halben präsentierten spanische Physiker das Konzept für einen Tarnmantel, der magnetische Felder verstecken kann. Nun gelang ihnen der Bau eines ersten Prototyps. Er besteht aus einem doppelwandigen Zylinder mit einer inneren Supraleiter-Hülle und einer äußeren Lage aus einem ferromagnetischen Material. Diese Technik könnte beispielsweise für Patienten mit Herzschrittmachern Vorteile bieten, die sich bisher nicht den magnetischen Feldern in einem Kernspintomografen aussetzen durften.

Abb.: Ein statisches Magnetfeld wird von einem ferromagnetischen Material (links) gestört und von einem Supraleiter (Mitte) abgeschirmt. Doch erst in Kombination (rechts) bleibt das Magnetfeld völlig unverändert. (Bild: J. Prat-Camps, C. Navau, A. Sanchez)

Abb.: Ein statisches Magnetfeld wird von einem ferromagnetischen Material (links) gestört und von einem Supraleiter (Mitte) abgeschirmt. Doch erst in Kombination (rechts) bleibt das Magnetfeld völlig unverändert. (Bild: J. Prat-Camps, C. Navau, A. Sanchez)

„Unsere zylindrische Doppelhülle tarnt exakt ein gleichmäßiges magnetisches Feld“, sagt Alvar Sanchez von der Universitat Autònoma de Barcelona. „Und nur leicht verfügbare Materialien kamen dabei zum Einsatz.“ Für ihren Prototyp, der etwa die Größe eines Fingerhuts hat, nutzten sie einen Hochtemperatur-Supraleiter und eine ferromagnetische Legierung aus Eisen, Nickel und Chrom. Entsprechend ihrer Simulationen für einen solchen Anti-Magneten spielen ausschließlich die magnetischen Permeabilitäten dieser Materialien eine zentrale Rolle zum Tarnen von statischen Magnetfeldern. Auf hochsymmetrische und filigrane Strukturen, wie sie Metamaterialien für den Aufbau von optischen Tarnkappen nötig sind, konnten die Forscher verzichten.

Zusammen mit Kollegen von der slowakischen Akademie der Wissenschaften in Bratislava analysierten sie das Verhalten des Tarn-Zylinders auf statische Magnetfelder. Mit einer Hall-Sonde bestimmten sie das magnetische Feld im Innern des Zylinders. Es zeigte sich, dass der mit flüssigem Stickstoff auf 77 Kelvin abgekühlte Supraleiter-Mantel bereits als wirksame Barriere für Magnetfelder von bis zu 40 Millitesla ausreichte. Wegen seiner Permeabilität von µ=0 konnte ein statisches Magnetfeld im Innern des Zylinders nicht nach außen dringen.

Der Supraleiter selbst jedoch stört äußere Magnetfelder sehr wohl. Um dieses Problem zu beheben, fügten die Forscher die eine zweite, äußere Hülle aus der Eisenchromnickel-Legierung (Permeabilität µ= 3,54) hinzu. Erst durch diese Doppelschicht wurde diese Tarnkappe mit einer resultierenden Permeabilität von µ=1 auch für äußere Magnetfelder quasi unsichtbar. Ein statisches Magnetfeld blieb ungestört und konnte sich nahezu unverändert um den Zylinder ausbreiten. Theoretisch kann eine perfekte Tarnung zwar erst für unendlich lange Zylinder erreicht werden. Doch das Experiment belegte, dass sich dieser Effekt schon bei kleineren Dimensionen ausreichend auswirkt.

Auf dem Feld der Tarnkappen-Forschung stellt dieser Antimagnet einen interessanten Spezialfall dar. Denn im Unterschied zu Metamaterialien für Mikrowellen oder sichtbares Licht muss seine Struktur nicht auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sein. Daher ließe sich die Größe dieser Magnet-Tarnkappe theoretisch ohne Probleme an die zu versteckenden Objekte anpassen. Eine erste Anwendung könnte so in der Kapselung von Herzschrittmachern liegen, damit diese von den starken Magnetfelder in einem Kernspintomografen nicht mehr gestört werden.

„Magnetismus wird in vielen Technologien genutzt: Energieerzeugung, Motoren, Computerspeicher und so weiter“, sagt Sanchez. Diese Anwendungen benötigten generell eine exakte Form von Magnetfeldern. Der Anti-Magnet könnte damit vielseitige Abschirmmöglichkeiten bieten, um zu neuen Varianten in diesen Technologien zu führen, zeigt sich Sanchez überzeugt.

Jan Oliver Löfken

PH

Share |

Webinar

Einführung in die Simulation von Halbleiter-Bauelementen

  • 30. November 2017

Von Mosfets über LEDs bis zu Wafern – Halb­leiter­bau­elemente sind essen­tielle Bestand­teile moderner Tech­nik in nahezu allen Bran­chen. Die nume­ri­sche Simu­la­tion kann dabei ein wich­ti­ges Hilfs­mit­tel dar­stel­len, um diese Bau­elemen­te in ihrer Funk­tions­weise zu analy­sie­ren und somit deren Kon­zep­tion zu er­leich­tern.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer