High Field Magnet Laboratory (HFML) Het HFML beschikt over zeer sterke magneten, die uniek in de wereld zijn. De extreme omstandigheden in een magneet brengen verrassende eigenschappen van materialen aan het licht. Een groot voordeel van onderzoek met magneetvelden is dat je in materialen kunt kijken zonder ze te beschadigen. Ook is het mogelijk om met de magneetkracht objecten te laten zweven en zo de invloed van de zwaartekracht op materie te onderzoeken. Het HFML is onderdeel van het European Magnetic Field Laboratory (EMFL), het Europese samenwerkingsverband van magnetenlaboratoria in Dresden, Grenoble, Toulouse en Nijmegen.
Welkom in het HFML High Field Magnet Laboratory Volg de pijlen voor een rondleiding door het gebouw. De gehele rondleiding duurt circa 30 minuten. Onderweg maakt u kennis met drie belangrijke onderdelen van het HFML: de magneten de voeding de koeling Informatie over de verschillende ruimtes en opstellingen leest u op de posterborden. Uiteraard staan onze medewerkers u graag te woord als u vragen heeft. Veel plezier in de wereld van magneten!
Magneetvelden maken Het HFML wekt magneetvelden op met grote elektromagnetische spoelen, die zijn opgebouwd uit honderden ronde koperen platen en isolatieplaten. Dit plaatmateriaal kan de enorme krachten weerstaan, die vrijkomen tijdens de experimenten. Zodra er stroom door een spoel gestuurd wordt, ontstaat er een magneetveld. Hoe meer stroom, hoe sterker het veld. Het HFML heeft 20.000.000 Watt vermogen beschikbaar voor de magneten, vergelijkbaar met het energieverbruik van 10.000 huishoudens. Middenin de spoel is het magneetveld het sterkst; dit is de plek waar de experimenten door onze wetenschappers worden uitgevoerd. Tijdens het gebruik van de magneet warmen de koperen platen razendsnel op. Om te voorkomen dat de platen smelten, stroomt er constant koud water met 140 liter per seconde door kleine gaatjes in de magneet.
Passen en meten in de magneet Het magnetisch veld is het hoogst in het centrum van de spoel. Om deze plaats te bereiken, schuiven onderzoekers zogenaamde samplesticks van bovenaf in de binnencilinder van de magneet. Deze smalle buizen 3,2 of 5 centimeter bevatten zowel het te meten monster als de apparatuur. Het is een hele kunst om de samplesticks te maken, maar vooral ook om ze te gebruiken: het monster moet tijdens de experimenten vaak worden afgekoeld tot een temperatuur van maar enkele graden boven het absolute nulpunt (-273 C). Wat voor een onderzoek doet het HFML? Moleculen uitlijnen Magneetvelden kunnen moleculen ordenen. Lange moleculen die als spaghetti door elkaar kronkelen gaan in een magneetveld bijvoorbeeld netjes naast elkaar liggen. HFML-onderzoekers meten hoe de moleculen gerangschikt zijn en wat dit voor gevolgen heeft voor materiaaleigenschappen, zoals geleiding. Chiraliteit Van veel biologische moleculen bestaan twee (chirale) vormen, die elkaars spiegelbeeld zijn. Toch komt in veel vormen van leven alleen de linksdraaiende spiegelvariant voor. Waarom blijven de rechtsdraaiende moleculen ongebruikt? Onderzoekers van het HFML hebben ontdekt dat magneetvelden daarbij een rol kunnen hebben gespeeld. Dit inzicht is ook van belang voor medicijnfabrikanten, omdat die vaak alleen linksdraaiende moleculen willen produceren. Stroom door dunne laagjes In een sterk magneetveld kunnen heel dunne plaatjes metaal (bij voldoende koeling) supergeleidend worden. De stroom loopt er dan zonder enige weestand doorheen. Dit is interessant voor nieuwe types sensoren en elektronica. HFML-onderzoekers kijken welke materialen supergeleidend kunnen worden en hoe ze de eigenschappen van die materialen kunnen beïnvloeden.
Nauwkeurige voorbereiding in het lab In dit laboratorium bereiden de onderzoekers hun experimenten voor. Door een gat in de vloer recht boven de magneet kunnen ze hun samples bestuderen met optische apparatuur vaak lasers die hier boven staat opgesteld. De laserstralen gaan via spiegels door een buis naar beneden. Onderzoekers moeten uiterst precies te werk gaan bij het fixeren van het onderzoeksmonster, het aansluiten van de apparatuur en het uitlijnen van de lasers. Als alles klaar staat, kan de magneet aan en kan de meting beginnen.
Nobelprijs In 2010 wonnen Andre Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de ontdekking van grafeen, een laagje koolstof van één atoom dik. Ze bestudeerden het nieuwe materiaal met behulp van de magneten in het HFML en kwamen erachter dat het interessante geleidingseigenschappen bezit. Grafeen wordt inmiddels gezien als een veelbelovend materiaal voor elektronica. Andre Geim won eerder al de IgNobelprijs (voor onderzoek dat je eerst aan het lachen maakt en dan aan het denken zet). In een HFML-magneet liet hij een kikker zweven. Kikkers zijn net als mensen diamagnetisch, ze kunnen in extreme velden magnetisch worden. Geim slaagde erin om met magnetische velden de zwaartekracht als het ware op te heffen. Een interessante ontdekking, want op deze manier kunnen wetenschappers op aarde gewichtloosheid nabootsen. Zo kunnen in dit lab experimenten worden gedaan waar anders een space shuttle of ruimteraket voor nodig is.
Stabiele stroom Het hoogste magneetveld gebruikt 20 megawatt, evenveel als vier hogesnelheidstreinen op topsnelheid. Om dat aan te kunnen heeft het HFML een eigen aansluiting op het (50 kv) elektriciteitsnet. De onderzoekers drukken de kosten door hun experimenten vooral s nachts uit te voeren. Gelukkig is het gemiddelde energieverbruik veel lager dan 20 megawatt, het allerhoogste veld staat per meting maar een paar minuten aan en is niet voor elk experiment nodig. Vuistdikke koperen kabels transporteren de stroom van de voeding naar de magneet. De stroomtoevoer naar de magneten is heel stabiel: de 40.000 ampère die door de magneet loopt, mag maar met eenduizendste procent (0,4 ampère) variëren. Dit is noodzakelijk om de uiterst gevoelige metingen van de onderzoekers niet te verstoren. De stabiliteit van de Nijmeegse magneten wordt nergens ter wereld geëvenaard.
Koelwater met 100 km/u Het koelwater stroomt met honderd kilometer per uur door de kleine gaatjes in de magneetspoelen. De vorm van deze koelgaatjes is door Nijmeegse onderzoekers ontworpen: geen normale ovaal, maar een ovaal met iets spitsere uiteinden. Dit zorgt voor een optimale warmteoverdracht, terwijl de stevigheid van het materiaal gewaarborgd blijft. Door slechts een vuiltje in het water kan een koelgaatje verstopt raken. De magneet zou dan binnen een seconde smelten. In de kelder staan zuiveringsinstallaties om het koelwater te filteren en te demineraliseren, zodat het geen stroom geleidt. Het water uit de koeltorens krijgt een behandeling met ozon, om besmettingen met bijvoorbeeld algen of legionellabacteriën te voorkomen.
Koelfabriek Per seconde gaat er 140 liter ofwel een badkuip water door de magneet om de koperen platen te koelen. Het warmt wel dertig graden op tijdens de eenhonderdste seconde dat het door de magneet stroomt. Al dat water wordt in het HFML weer gekoeld en hergebruikt. Hier staan acht koeltorens die water koelen door het in watervallen van tien meter met 260 l/s naar beneden te storten. Ventilatoren blazen extra lucht langs de watervallen om het water nog efficiënter te koelen. Omdat het water dat door de magneet stroomt heel schoon moet blijven, bestaat het koelsysteem uit drie gesloten circuits: Schoon, gedemineraliseerd water voor door de magneet. 1400 m 3 bufferwater dat via een warmtewisselaar het magneetwater koelt, zonder dat het water uit de twee circuits met elkaar in contact komt. Een koelfabriek acht koeltorens, compressorkoelmachines en bij vriestemperaturen een droog glycolcircuit die het warme water bovenuit de buffers koelt en het koude water weer onderin de buffers opslaat. Doordat koud water zwaarder is dan warm water blijven de buffers gelaagd. Het water uit de koeltoren moet in contact komen met de buitenlucht om af te koelen, maar de watervallen maken ook flink wat lawaai. De open wanden zijn daarom zo gebouwd dat ze het geluid van de torens tegenhouden. Liefhebber van stilte? Houd dan je hoofd eens tussen de pilaren van de buitenwand.
Pompen en koelen Twee hogedrukpompen persen heel schoon en niet-geleidend water onder hoge druk (25 bar) door de magneten. Deze pompen zijn zo sterk dat ze een fontein van driehonderd meter hoog zouden kunnen maken. De pijpleidingen voor het water zijn in beton gegoten en vastgezet zodat trillingen van de stampende pompen de metingen van de onderzoekers niet verstoren. In de tijd dat het water door de magneet stroomt (eenhonderdste seconde) warmt het water wel 30 graden op. Om het water weer af te koelen, staan hier in de kelder verschillende warmtewisselaars en koelmachines. In de warmtewisselaars stromen warm en koud water langs elkaar, zonder dat ze met elkaar in contact komen. De stromen bewegen tegengesteld aan elkaar, zodat het warme water zoveel mogelijk energie af kan geven aan het koude water. De koelmachines zijn een soort grote koelkasten, die hun warmte weer afgeven aan het water in de koeltorens.
Supermagneet in aanbouw In deze nieuwe ruimte wordt gebouwd aan een hybride magneet, die bestaat uit een koperen binnenspoel en een supergeleidende buitenspoel. Deze combinatie kan een magneetveld van 45 Tesla opleveren. Technici van het HFML werken hard aan deze supermagneet en hopen in 2016 de eerste testexperimenten te kunnen doen. Bij supergeleiding is er geen weerstand. Hierdoor kan een sterk magnetisch veld gemaakt worden, zonder dat het veel energie kost. Een nadeel is dat supergeleiding pas ontstaat bij heel lage temperaturen én dat een sterk magneetveld de supergeleiding kan verstoren. Voor hoge magneetvelden moet je de supergeleidende buitenspoel dus combineren met een koperen binnenspoel. Het bouwen van een hybride magneet is een technische uitdaging: de binnenste spoel wordt snel warm terwijl de buitenste supergeleidende spoel juist zeer koud moet blijven.