Die Stärke eines Magneten: Faktoren und Forschung

Elektrische Rekorde der Natur Magnetismus: Die stärksten Magnete der Welt

06.02.2024 Ein Gastbeitrag von Dr. Anna-Lena Gutberlet 4 min Lesedauer

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Die Stärke eines Magneten hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Form und der Magnetisierung. Forscher spielen mit verschiedenen Eigenschaften der Magnete und kombinieren unterschiedliche Typen.

Die Stärke eines Magneten hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Form und der Magnetisierung.(Bild: New Africa - stock.adobe.com) — Die Stärke eines Magneten hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Form und der Magnetisierung.
(Bild: New Africa - stock.adobe.com)

Permanentmagnete, supraleitende Magnete oder Elektromagnete: Der Magnetismus gehört zu den grundlegendsten Phänomenen der Physik und spielt eine wichtige Rolle in so unterschiedlichen Bereichen wie der Elektrotechnik, der Medizin und der Physik – und nicht zuletzt schützt uns das Erdmagnetfeld vor kosmischer Strahlung. Magnetismus entsteht, wenn sich elektrische Ladungen in irgendeiner Form bewegen, und äußert sich in der Anziehung oder Abstoßung von Objekten mit magnetischen Eigenschaften. Magnete können natürliche Materialien sein, wie bestimmte Erze, oder künstlich hergestellt werden.

Die Kraft eines Magneten wird von verschiedenen Eigenschaften beeinflusst. Die wichtigsten sind magnetisches Material, magnetische Ausrichtung, Größe und Form, Temperatur und Magnetisierung. Diese Faktoren interagieren miteinander, und die Stärke eines Magneten wird durch eine Kombination dieser Eigenschaften bestimmt. Im Wettstreit um den stärksten Magneten spielen Forscher mit diesen Eigenschaften und kombinieren verschiedene Magnettypen.

Stärkster Dauermagnet mit 45,22 Tesla

Magnetismus ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das in Technik und Wissenschaft Anwendung findet. Die Kraft eines Magneten wird von verschiedenen Eigenschaften beeinflusst, darunter das magnetische Material, die magnetische Ausrichtung, die Größe und Form, die Temperatur und die Magnetisierung.(Bild: © imagenavi – stock.adobe.com) — Magnetismus ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das in Technik und Wissenschaft Anwendung findet. Die Kraft eines Magneten wird von verschiedenen Eigenschaften beeinflusst, darunter das magnetische Material, die magnetische Ausrichtung, die Größe und Form, die Temperatur und die Magnetisierung.
(Bild: © imagenavi – stock.adobe.com)

45,22 Tesla oder mehr als eine Million Mal stärker als das Erdmagnetfeld – das ist der Rekordwert für das magnetische Feld des wohl stärksten Dauermagneten der Welt. Wissenschaftler der Steady High Magnetic Field Facility (SHMFF) im chinesischen Hefei arbeiteten bereits seit dem Jahr 2016 an ihrem Hybridmagneten. Im August 2022 gelang der Durchbruch mit 45,22 Tesla für ein stabiles und länger anhaltendes Magnetfeld. Der Magnet besteht aus zwei Teilen: Außen befindet sich ein supraleitender Ring. Darin befindet sich eine 32 mm große Bohrung mit einer sogenannten Bitter-Scheibe, also abwechselnd gestapelten leitenden und nichtleitenden Platten – und keine Spule.

Um das Rekordmagnetfeld zu erzeugen, war eine Leistung von 26,9 Megawatt nötig. Die Wissenschaft sieht das Potenzial der Konstruktion noch nicht ausgeschöpft und arbeitet weiter an der Verbesserung des Wirkungsgrades und der Magnetfeldstärke. Der Magnet soll nun vor allem zu Forschungszwecken eingesetzt werden [1, 2].

Ein noch stärkeres magnetisches Feld

Tatsächlich gibt es einen Magneten, der diesen Wert übertrifft: Forscher des National High Magnetic Field Laboratory in Florida erreichten mit ihrem Hybridmagneten ein Magnetfeld von 45,5 Tesla. Der Magnet besteht aus einem mit REBCO (REBa2Cu3Ox, wobei RE = Y, Gd) beschichteten Leiterband, das um einen Kupferkern gewickelt ist.

Die kompakte Spule kann mit einer sehr hohen Wicklungsstromdichte von 1.260 Ampere pro Quadratmillimeter betrieben werden. Diese Stromdichte ist nur möglich, weil der Magnet ohne Isolierung gewickelt ist, was ein schnelles Umschalten vom supraleitenden in den normalen Zustand ermöglicht. Allerdings war das Magnetfeld nicht stabil und existierte nur kurze Zeit. Grund dafür waren Schäden an den REBCO-Leiterbahnen [3].

Kleine Moleküle mit Superkräften

Eine weitere Klasse von Magneten sind die Einzelmolekülmagnete (EMM). Sie bestehen aus einem oder mehreren Molekülen und haben ähnliche magnetische Eigenschaften wie herkömmliche Magnete. Einzelmolekülmagnete sind Gegenstand intensiver Forschung, da sie ein tieferes Verständnis der quantenmechanischen Eigenschaften des Magnetismus ermöglichen und auch bei der Entwicklung neuer Technologien wie molekularen Magnetspeichern oder Quantencomputern eine Rolle spielen können.

Mit einem Trick ist es einer Arbeitsgruppe der University of California in Berkeley gelungen, einen molekularen Magneten herzustellen, der nur aus Seltenen Erden (Terbium) besteht. Eine Brücke aus Jodatomen dient als direkte Verbindung der Seltenen Erden und erzeugt eine extrem starke Bindung und eine Magnetfeldstärke von über 25 Tesla [4]. Das ist mehr als das Dreifache des bisherigen Rekords für molekulare Magnete von 7,9 Tesla. Allerdings werden diese Werte nur bei extrem tiefen Temperaturen von etwa 60 Kelvin erreicht.

Potenzielle Anwendungsgebiete sind Speichermedien: Während bei Festplatten ein Bit in der Größenordnung von Nanometern repräsentiert wird, wäre ein 1-Bit-Speicher mit Molekülmagneten nur wenige Angström groß.

Aber auch auf dem Gebiet der Quantencomputer könnten molekulare Magnete nützlich werden: 2022 ist es IBM gelungen, einen Quantenprozessor (Osprey) mit 433 Qubits zu bestücken [5]. Für 2023 plante das Unternehmen den Quantenprozessor mit dem Namen Condor, der über 1.000 Qubits verfügt. Mit molekularen Magneten könnten Quantenprozessoren mit 100.000 Qubits möglich werden.

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Stand: 08.12.2025

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Denkbar ist laut dem Team aber auch, aus den Molekülen große Magnete für andere technische Anwendungen zusammenzusetzen. Dafür müssen allerdings Lösungen für die Empfindlichkeit gegenüber Wasser und Luft sowie die Beständigkeit bei hohen Temperaturen gefunden werden.