Niobium-tin: het materiaal achter 's werelds sterkste magneten

Niobium-tin is een metaalverbinding die iets kan wat de meeste materialen niet kunnen: elektrische stroom geleiden zonder enige weerstand. Dat klinkt abstract, maar het effect is heel concreet. Stuur stroom door een gewoon koperdraadje en een deel van de energie gaat verloren als warmte, precies zoals een waterleiding wrijving veroorzaakt. Koel een draad van niobium-tin echter af tot bijna het absolute nulpunt, en die weerstand verdwijnt volledig. De stroom blijft dan in principe eindeloos rondlopen, zonder energieverlies.

Dat bijzondere gedrag maakt niobium-tin geschikt voor het bouwen van extreem sterke elektromagneten, veel sterker dan met gewone draad ooit mogelijk zou zijn. Wie weleens in een ziekenhuis in een MRI-scanner heeft gelegen, heeft al kennisgemaakt met een verwant materiaal. Niobium-tin zelf duikt op in nog grotere machines: de deeltjesversneller van CERN, de fusiereactor ITER in Frankrijk, en onderzoeksmagneten bij laboratoria als Fermilab in de Verenigde Staten.

Wat is het precies?

Het verschijnsel waar dit allemaal om draait heet supergeleiding. Bepaalde materialen verliezen onder een bepaalde temperatuur, de kritische temperatuur, plotseling en volledig hun elektrische weerstand. Voor niobium-tin ligt die grens rond 18 Kelvin, ofwel ongeveer -255 graden Celsius. Dat is extreem koud, maar nog altijd een stuk hoger dan de kritische temperatuur van het meest gebruikte supergeleidende materiaal, niobium-titanium (NbTi), die rond de 9 tot 10 Kelvin ligt.

Niobium-tin is geen mengsel maar een intermetallische verbinding: de atomen niobium en tin gaan een vaste chemische verhouding aan (drie niobiumatomen op één tinatoom, vandaar de scheikundige formule Nb3Sn) en vormen samen een nieuw kristalrooster met een specifieke, herkenbare structuur die natuurkundigen de 'A15-structuur' noemen. Diezelfde structuur komt terug bij een hele familie van supergeleidende verbindingen die in de jaren vijftig en zestig werden ontdekt.

Temperatuur is niet het enige dat supergeleiding kan verstoren. Ook een te sterk magneetveld of een te hoge stroom kan de weerstandsloze toestand plotseling laten instorten. Hier ligt de echte kracht van niobium-tin: het kan veel sterkere magneetvelden verdragen dan niobium-titanium voordat het omslaat, in de orde van 20 tot 30 Tesla tegenover ongeveer 10 tot 12 Tesla die in de praktijk bruikbaar is bij NbTi. Om een gevoel te geven: de magneet van een gangbare ziekenhuis-MRI-scanner werkt met 1,5 tot 3 Tesla. Niobium-tin komt dus pas echt in beeld wanneer je magneetvelden nodig hebt die ver boven wat gangbaar is uitstijgen.

Die extra kracht heeft wel een prijs. Zodra niobium en tin door verhitting (rond de 650 tot 700 graden Celsius, gedurende vele uren) hun supergeleidende verbinding vormen, wordt het materiaal broos, ongeveer zoals aardewerk. Een kabel die je ná die warmtebehandeling nog probeert te buigen, breekt al snel microscopisch. Fabrikanten lossen dit op met een methode die 'wind-and-react' heet: eerst wordt de nog buigzame, onbehandelde draad in de uiteindelijke spoelvorm gewikkeld, en pas daarna wordt de hele spoel in een oven verhit om de broze supergeleidende laag te vormen. Zo hoeft het eindproduct nooit meer vervormd te worden.

Wat wil men ermee bereiken?

De vraag naar sterkere magneten komt uit verschillende hoeken van de wetenschap en techniek, en telkens om een vergelijkbare reden: hoe sterker het magneetveld, hoe meer je kunt bereiken binnen dezelfde fysieke afmetingen.

Bij deeltjesversnellers worden magneten gebruikt om bundels geladen deeltjes in een cirkelbaan te buigen en scherp te bundelen. Hoe sterker het magneetveld, hoe hoger de energie waarmee deeltjes nog in een tunnel van beperkte omvang rondgestuurd kunnen worden, of hoe scherper de bundels gefocust kunnen worden op het punt waar ze botsen. Bij kernfusiereactoren moet een gloeiend heet plasma, honderden miljoenen graden heet, worden vastgehouden zonder dat het de wand van het vat raakt. Dat lukt alleen met zeer sterke magneetvelden die het plasma als het ware in een magnetische kooi opsluiten. En bij medische beeldvorming geldt: een sterker magneetveld in een MRI-scanner levert scherpere, gedetailleerdere beelden op, wat vooral voor hersenonderzoek waardevol is.

Niobium-tin is dus geen doel op zich, maar een middel om grenzen te verleggen die met de gangbare niobium-titanium-technologie niet haalbaar zijn. Het is, kortom, de volgende stap wanneer 'sterk genoeg' niet meer sterk genoeg is.

Voorbeelden uit de praktijk

Het duidelijkste voorbeeld is ITER, de internationale experimentele fusiereactor die sinds het einde van de jaren 2000 wordt gebouwd in Cadarache, Frankrijk, en die in de loop van de jaren 2020 stapsgewijs in bedrijf wordt gesteld. De achttien grote, D-vormige 'toroidal field'-spoelen die het hoofdmagneetveld van de reactor vormen, zijn gemaakt van niobium-tin, net als de centrale solenoïde-magneet in het hart van de machine, die tot ongeveer 13 Tesla moet opbouwen.

Bij CERN wordt niobium-tin gebruikt in de upgrade van de Large Hadron Collider, bekend als de High-Luminosity LHC. Nieuwe quadrupoolmagneten (met de projectnaam MQXF) rond de botsingspunten, en experimentele dipoolmagneten van rond de 11 Tesla, zijn van niobium-tin gemaakt. Deze upgrade moet de botsingsfrequentie fors verhogen en zou vanaf de tweede helft van de jaren 2020 operationeel moeten worden, al schuiven dit soort megaprojecten in de praktijk regelmatig op.

Fermilab in de Verenigde Staten voert al langer een onderzoeksprogramma naar niobium-tin versnellermagneten, met het oog op mogelijke toekomstige deeltjesversnellers die ooit de opvolger van de LHC zouden kunnen worden. Testmagneten uit dit programma hebben veldsterktes van ruim 14 Tesla gehaald, wat op het moment van schrijven tot de hoogste bereikte waarden voor dit type versnellermagneet behoort.

Ook in de medische wereld duikt het materiaal op: sommige onderzoeks-MRI-scanners met zeer sterke velden, van 7 Tesla en hoger, gebruiken deels niobium-tin. De meeste ziekenhuisscanners, die met 1,5 tot 3 Tesla werken, blijven echter bij niobium-titanium, simpelweg omdat dat voor die lagere veldsterktes goedkoper is en makkelijker te verwerken.

Het is eerlijk om ook de concurrentie te benoemen. Diverse jongere, private fusiebedrijven, zoals het Amerikaanse Commonwealth Fusion Systems, kiezen tegenwoordig niet voor niobium-tin maar voor een nieuwere generatie hogetemperatuur-supergeleiders (met tapes van een materiaal genaamd REBCO). Die kunnen nog sterkere velden aan en zijn minder extreem te koelen. Niobium-tin blijft vooral de gevestigde keuze voor projecten die decennia geleden al ontworpen zijn, zoals ITER, terwijl gloednieuwe ontwerpen steeds vaker voor het alternatief kiezen.

Hoe ver is de techniek?

Niobium-tin is geen jong, experimenteel materiaal. De supergeleidende eigenschappen ervan werden al in de jaren vijftig van de vorige eeuw ontdekt, en het wordt sinds de jaren zeventig en tachtig in onderzoeksmagneten toegepast. In die zin is het een volwassen, decennialang beproefde technologie.

Wat wél nog altijd een enorme uitdaging is, is het opschalen naar de gigantische hoeveelheden foutloze, hoogwaardige kabel die megaprojecten als ITER en de LHC-upgrade nodig hebben. Een enkele fabricagefout in tientallen kilometers kabel kan een hele spoel onbruikbaar maken. Daar komt een ander bekend probleem bij: het zogeheten 'trainen' van magneten. Bij het geleidelijk opvoeren van de stroom kunnen microscopische bewegingen in de draad plotseling kleine beetjes energie vrijgeven, waardoor de supergeleiding op die plek tijdelijk lokaal verstoord raakt. Magneten moeten daarom vaak in stapjes en herhaaldelijk worden opgeladen voordat ze hun volle sterkte betrouwbaar aankunnen.

Daarnaast zijn de kosten hoog en is het aantal gespecialiseerde fabrikanten wereldwijd beperkt, wat grote projecten kwetsbaar maakt voor productieproblemen of leveringsvertraging. En zoals hierboven al bleek, krijgt niobium-tin bij de allernieuwste generatie ontwerpen concurrentie van hogetemperatuur-supergeleiders. Het eerlijke beeld is dus: niobium-tin is het bewezen werkpaard voor de sterkste magneten die momenteel daadwerkelijk gebouwd en gebruikt worden, maar het is niet vanzelfsprekend meer de eerste keuze voor wat er na de huidige generatie projecten komt.

Wie werken eraan?

Aan de gebruikerskant staan grote, internationale onderzoeksorganisaties voorop: de ITER Organization, gedragen door onder meer de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India; CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica in Zwitserland en Frankrijk; en Fermilab, samen met het Amerikaanse ministerie van Energie, in de Verenigde Staten.

Aan de productiekant is de markt voor niobium-tin-supergeleidende draad in handen van een klein aantal gespecialiseerde fabrikanten, onder meer het Duitse Bruker, het Amerikaans-Britse Oxford Instruments (via zijn dochteronderneming Oxford Superconducting Technology), en Japanse producenten als Furukawa Electric en Jastec. Daarnaast spelen, voor zover bekend, ook Chinese producenten zoals Western Superconducting Technologies een steeds grotere rol in de wereldwijde productiecapaciteit, naarmate de vraag vanuit fusie- en versnellerprojecten toeneemt.

Verder lezen

• ITER Organization — officiële site van het internationale fusieproject in Frankrijk
• CERN — officiële site van het Europese laboratorium voor deeltjesfysica
• Fermilab — Amerikaans nationaal laboratorium voor deeltjesfysica, met onderzoek naar versnellermagneten
• National Institute of Standards and Technology (NIST) — Amerikaans standaardeninstituut met achtergrondinformatie over supergeleidende materialen