Ο ισχυρότερος μαγνήτης στην Γη

Από το περιοδικό Popular Mechanics, Μαρτιος  2003

Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Υψηλών Μαγνητικών Πεδίων της Αμερικής (NHMFL), στο Tallahassee της Φλώριδας, κατέχουν το ρεκόρ του πιο ισχυρού μαγνήτη από το 1999. Ζυγίζει 34 τόνους και έχει ύψος 6,6 μέτρα, ενώ δημιουργεί μαγνητικό πεδίο έντασης 45 Tesla.

Το άστρο τύπου "magnetar" 1806-20, είναι ένα αστέρι νετρονίων  και αποτελεί την πηγή του ισχυρότερου μαγνητικού πεδίου στο διάστημα. Δημιουργεί αρκετή μαγνητική δύναμη ώστε να μπορεί να επιβραδύνει μια αμαξοστοιχία από απόσταση 250.000 μίλια, ίση περίπου με την απόσταση Γης-Σελήνης. Είναι γνωστά μόνο 10 τέτοια άστρα, αλλά το μαγνητικό τους πεδίο είναι της τάξης των 100.000.000 Tesla. Τέτοια πεδία κάνουν το μαγνητικό πεδίο της Γης που έχει ένταση 0,00005 Tesla να φαίνεται τελείως ασήμαντο. Ενώ λοιπόν είναι απίθανο ότι θα μπορέσει ποτέ ο άνθρωπος να φτιάξει μαγνητικά πεδία σαν των magnetars, εντούτοις είτε για λόγους καθαρής επιστημονικής έρευνας, είτε για λόγους βελτίωσης των ιατρικών απεικονιστικών συσκευών, καταβάλλει μεγάλες προσπάθειες να αυξήσει την ισχύ των τεχνητών μαγνητών. 

Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Υψηλών Μαγνητικών Πεδίων της Αμερικής (NHMFL), στο Tallahassee της Φλώριδας, κατέχουν το ρεκόρ του πιο ισχυρού μαγνήτη από το 1999. Ζυγίζει 34 τόνους και έχει ύψος 6,6 μέτρα, ενώ δημιουργεί μαγνητικό πεδίο έντασης 45 Tesla. Δηλαδή περίπου 1 εκατομμύριο φορές περισσότερο από το γήινο μαγνητικό πεδίο. Ένα τέτοιο πεδίο είναι ικανό να κάνει τα συνήθη ηλεκτρονικά και μαγνητικά υλικά να συμπεριφέρονται αρκετά διαφορετικά απ' ότι έχουμε συνηθίσει. 

"Ο μαγνήτης που κατασκευάστηκε από το NHMFL είναι ένα μεγάλο επίτευγμα της μηχανικής της ίδιας τάξης μεγέθους με το χτίσιμο του διαστημικού σταθμού" λέει ο διευθυντής του εργαστηρίου Jack Crow. 

Αν τον φαντάζεστε σαν ένα τεράστιο πέταλο θα απογοητευθείτε. Το σύστημα στην Φλώριντα όπως φαλινεται και στην παραπάνω εικόνα, αποτελείται από δύο γιγαντιαίους μαγνήτες που συνεργάζονται. Ένας υπέρψυχρος, υπεραγώγιμος μαγνήτης αποτελεί το εξωτερικό στρώμα. Είναι ο μεγαλύτερος μαγνήτης που φτιάχτηκε ποτέ και πρέπει να παραμένει σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός κρυογεννικού συστήματος ειδικά σχεδιασμένου γι αυτή τη χρήση όπου ως ψυκτικό υγρό χρησιμοποιείται το υπερρευστό υγρό ήλιο. Στο κέντρο αυτού του πολύπλοκου συστήματος βρίσκεται ένας ογκώδης ηλεκτρομαγνήτης που το τύλιγμά του έχει αντίσταση.   

Παρά το μέγεθος του συστήματος στο NHMFL, ο χώρος όπου γίνονται τα πειράματα, κάνοντας χρήση του μαγνήτη, είναι εξαιρετικά μικρός. Ένα τυπικό πείραμα μπορεί να χρησιμοποιεί π.χ. ένα δείγμα με διάμετρο όσο ένα συνηθισμένο μολύβι. Το δείγμα πρέπει επίσης να διατηρείται σε ένα θερμός σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία. 

Παράξενα πράγματα συμβαίνουν όταν τα υλικά υποβάλλονται σε εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία. Τα ηλεκτρόνια για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι "χορεύουν" στις τροχιές τους. Όταν τα μαγνητικά πεδία υπερβαίνουν τα 35 Tesla, οι συνηθισμένες ιδιότητες των υλικών μπορούν να παραμορφωθούν. Οι ημιαγωγοί μπορεί να μεταπίπτουν μεταξύ της αγώγιμης και μη αγώγιμης κατάστασής τους. 

Ο Crow λέει ότι η ένταση του μαγνήτη του εργαστηρίου του θα φτάσει τα 47 η 48 Tesla ως το 2005 και θα φτάσει τα 50 Tesla ως το 2008. Η ζήτηση της χρήσης του μαγνήτη από την επιστημονική κοινότητα είναι πολύ μεγάλη. 

Ιατρικές εφαρμογές

Ενώ η χρήση του μαγνήτη του NHMFL εστιάζεται στην καθαρή έρευνα, αρκετή από την εξέλιξη που γνωρίζουν οι πολύ ισχυροί μαγνήτες οφείλεται στις ιατρικές ανάγκες. Το ινστιτούτο για τη μελέτη του εγκεφάλου, του πανεπιστημίου της Φλώριντας, έχει το μεγαλύτερο μαγνήτη που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση του σώματος. Ζυγίζει 24 τόνους και δημιουργεί μαγνητικό πεδίο έντασης 11,7 Tesla.  

Όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο, τόσο πιο ακριβή και λεπτομερή είναι τα αποτελέσματα που επιτυγχάνονται με τεχνολογίες όπως αυτή της απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό (MRI). Τα πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία βοηθούν να γίνουν αντιληπτές πολύ μικροσκοπικές αλλοιώσεις του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού. Θα διευκολυνθούν ακόμη και οι μελέτες των εγκεφαλικών επεισοδίων καθώς και της νόσου  Alzheimer, λέει ο Dr. William Luttge, διευθυντής του ινστιτούτου για τον εγκέφαλο. Ένα πρόγραμμα υπό εξέλιξη, θα χρησιμοποιήσει την απεικόνιση λειτουργιών ζώντων οργανισμών, για να μελετήσει πως τα εγκεφαλικά επεισόδια καταστρέφουν τον εγκεφαλικό ιστό με την πάροδο του χρόνου, και πως τα φάρμακα μπορούν να επηρεάσουν αυτή την χειροτέρευση. Η λειτουργική μέθοδος (fMRI) απεικονίζει τη χημική δράση στα επιμέρους εγκεφαλικά κύτταρα. 

Η μέθοδος MRI και η fMRI, χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για να προσανατολίσουν τους πυρήνες των κυττάρων του σώματος, σαν μαγνητικές βελόνες. Ένας άλλος τότε, λιγότερο ισχυρός μαγνήτης περιστρέφει τους πυρήνες όπως μια σβούρα. από την περιστροφή αυτή εκπέμπεται ένα μετρούμενο ηλεκτρομαγνητικό σήμα, το οποίο διαβάζει ένας υπολογιστής, και το μετατρέπει σε τρισδιάστατη ορατή εικόνα. Όσο πιο ισχυροί είναι οι μαγνήτες, τόσο πιο πολλοί πυρήνες αποκρίνονται. Αντίθετα με τις ακτίνες Χ που παράγουν εικόνες των οστών και άλλων σκληρών ιστών, οι μέθοδοι ΜRI, κυρίως εστιάζουν σε μαλακούς ιστούς.  

Με την αυξανόμενη ιατρική χρήση των μαγνητών προκύπτει μια προφανής ερώτηση: Είναι τα μαγνητικά πεδία καλά ή κακά για το ανθρώπινο σώμα; έχει γίνει αρκετή συζήτηση τελευταία για τα αποτελέσματα όταν ζει κανείς κοντά σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης. Αλλά επειδή τα μαγνητικά πεδία εξασθενούν αρκετά γρήγορα με την απόσταση, κάποιος ο οποίος ζει 15 μέτρα μακριά από μια γραμμή μεταφοράς δεν θα αισθάνεται μαγνητικό πεδίο μεγαλύτερο από 2 χιλιοστά του Gauss. Οι τελευταίες έρευνες δεν βρίσκουν κανένα λόγο ανησυχίας γι έκθεση του σώματος σε τέτοιες εντάσεις μαγνητικού πεδίου.  

Αντίστροφα, οι ερευνητές δεν έχουν βρει καμιά θετική συνέπεια από τους φορητούς μαγνήτες που διαφημίζονται ότι αν τους φοράμε θεραπεύουν μια σειρά από ασθένειες, όπως π.χ. η αρθρίτιδα. Κάτι τέτοιο όμως δεν εμποδίζει τους ανθρώπους σ' όλο τον πλανήτη να αγοράζουν τέτοιους μαγνήτες για θεραπευτικούς σκοπούς.