Schweben ohne Energiezufuhr: Neues Material weckt Hoffnung

Mit der passenden Anordnung von Magneten können Dinge zum Schweben gebracht werden - wie etwa ein kleiner Spielzeugglobus für den Schreibtisch. Dasselbe Prinzip kann auch genutzt werden, um hochempfindliche Sensoren zu bauen. Forscher*innen aus Japan ist dazu ein Durchbruch gelungen.

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Um ein Objekt stabil in der Schwebe zu halten, muss bislang konstant Energie hinzugeführt werden. Magnetschwebebahnen nutzen etwa supraleitende Elektromagnete und sogenannte diamagnetische Materialien, um in der Luft zu bleiben. Diese Materialien sind per se nicht magnetisch, sondern erzeugen ein entgegengesetztes Magnetfeld, sobald sie sich in ein äußeres Magnetfeld bewegen. Dadurch werden sie von den Magneten abgestoßen. Ein gängiges diamagnetisches Material ist Graphit, eine kristalline Form von Kohlenstoff.

Wenn man ein Stückchen Graphit auf einen Dauermagneten platziert, wird es also abgestoßen und schwebt. Versetzt man das Material in Schwingung, verursacht das Magnetfeld allerdings auch einen Stromfluss im Graphit, wodurch Energie verloren geht. Irgendwann endet die Schwingung deshalb, auch in einer Vakuumkammer ohne Reibungsverluste, die durch die Luft verursacht werden. Im obigen Video wird das Material etwa dadurch abgebremst.

Verbindung mit Isolator

Das japanische Forscher*innenteam entwickelten allerdings ein Material, das auch ohne Energiezufuhr über eine längere Zeit weiterschwingt. Dafür beschichteten sie Graphitteilchen mit Siliziumdioxid, einem Isolator. Diese Beschichtung verhindert elektrische Energieverluste, wodurch das Problem gelöst ist. Vermischt mit einem Wachs konnten sie aus den Graphit-Silizium-Teilchen eine Platte pressen, die reibungslos auf den Magneten schwingt.

Um als Sensor Verwendung zu finden, muss diese Schwingung aber möglichst gering sein. In ihrem Versuch überwachten die Forscher*innen daher kontinuierlich die Bewegung des Materials und wandten eine weitere magnetische Kraft an, um die Bewegung zu verlangsamen.

Dadurch wird das Material quasi heruntergekühlt, denn Wärme ist auf molekularer Ebene eigentlich nur die ungeordnete Bewegung der Teilchen. "Wenn sich die Bewegungen genügend verlangsamen, könnte das Material sogar die empfindlichsten bisher entwickelten Atomgravimeter ausstechen", sagt Hauptforscher Jason Twamley in einer Aussendung. 

Messung der Schwerkraft

Diese Gravimeter werden etwa bei der Suche nach Erdöl und -gas eingesetzt, oder helfen bei der Vorhersage von vulkanischen Aktivitäten. Sie erkennen kleinste Abweichungen der Anziehungskraft der Erde und können daher Informationen zur Beschaffenheit des Untergrunds liefern. 

"Um diese Präzision zu erreichen, müssen alle externen Störungen wie Vibrationen, Magnetfelder und elektrisches Rauschen isoliert werden", sagt Twamley. "Unsere laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf das Verfeinern des Systems, um das volle Potenzial dieser Technologie zu erschließen."