TEHNOLOGIJA

Dijamagnetska levitacija

Po kosmosu na magnetnim silama

Ova jednostavna tehnika, poznata od tridesetih godina 20. veka, nailazi na praktičnu primenu tek danas. Na tragu novih propulzionih sistema kojima će Sunčev sistem biti sveden na prostor Evrope. Nauka žestoko ugrožava magiju

Poznata osobina magneta da se njihovi raznoimeni polovi privlače, a istoimeni odbijaju, odavno je navela naučnike da pomisle na mogućnost da se predmeti održavaju u lebdećem stanju pomoću magneta.

Ali, kod običnih magneta to ne ide; svako ko se kao dete igrao sa njima pokušavajući da ih postavi da “lebde” jedan iznad drugog, video je da oni veoma brzo gube ravnotežu. Ova njihova osobina je formulisana kao Ernšoova teorema još 1842. godine i ona predstavlja posledicu fundamentalnih zakona kojima se opisuju elektricitet i magnetizam.

Posledica Maksvelovih zakona

Ponašanje magneta se može opisati pomoću magnetskog potencijala, koji je analogan potencijalnoj energiji. Svi znamo da se u fizičkom svetu sva tela ponašaju tako što nastoje da dospeju u tačku gde im je potencijalna energija najmanja. Na primer, klatno može da se za trenutak uravnoteži u gornjem položaju, ali je krajnje nestabilno i umiruje se tek u donjem položaju, u kome mu je potencijalna energija najmanja.

Slično je i sa magnetima. Magnet koji bi stabilno lebdeo morao bi da bude smešten u tačci sa najnižim u potencijalom. Ali, pošto prema Maksvelovim jednačinama magnetski potencijal u određenoj tačci prostora mora da bude statistička sredina svih potencijala koje imaju okolni položaji, ne postoji tačka u prostoru u kojoj bi magnet mogao da dostigne minimum energije. Pošto je potencijal u bilo kojoj tačci statistička sredina, neke obližnje tačke će uvek imati nižu energiju!

Promenljiva polja

Magnetska levitacija je stabilna kada je potencijalna energija sistema na lokalnom minimumu, kao kad se kliker umiri na dnu činije (levo). Ali, Ernšoova teorema, zasnovana na Maksvelovim zakonima, kaže da nije moguće da se stvori trajno magnetsko polje koje ima minimalni potencijal u bilo kojoj tačci prostora. Najviše što je moguće jeste da se postigne potencijal u obliku sedla (slika desno). Zato je odavno bilo jasno da statičko magnetno polje ne može da omogući stabilno lebdenje. Ipak, fenomen dijamagnetizma omogućuje da na jednostavan način menjamo održavajuće magnetno polje, pa da tako zaobiđemo delovanje Ernšoovog principa.

Inžinjeri su, naravno, pokušali da “zaobiđu” Ernšoovu teoremu korišćenjem promenljivih magnetnih polja, na koja se ona ne odnosi. Da bi se neki predmet održao u lebdećem stanju, koristi se sistem senzora koji određuje položaj lebdećeg predmeta i prilagođava magnetsko polje u kome se on nalazi da bi ga održalo u lebdećem položaju. Ovaj metod je decenijama korišćen za eksperimentalne vozove koji bi se kretali na osnovu magnetske levitacije. Ali, ovi sistemi su veoma komplikovani i troše mnogo energije, što ne dozvoljava da se lako praktično primene.

Nemački fizičar Verner Braunbek je demonstrirao pogodniji način još 1939. godine, koristeči tzv. dijamagnet. Svi magnetski materijali se dele u tri grupe: feromagnete, paramagnete i dijamagnete. Predmeti od feromagnetskog materijala, kao što je gvožđe, mogu da se trajno namagnetišu i tako “prilepe” za neki drugi materijal, npr. vrata frižidera. Paramagneti, na primer mineral biotit, postaju namagnetisani samo kada su izloženi spoljašnjem magnetnom polju. Trajni magneti ih privlače, pa zato oni ne rešavaju praktični problem lebdenja.

Dijamagneti se, međutim, ponašaju drugačije: oni odbijaju trajne magnete i tako omogućavaju da dijamagnet postavljen nad trajnim magnetom lebdi (obrnuto nije moguće)!

Magnetsko polje elektrona

Ova osobina dijamagneta može se objasniti jednostavnim modelom koji predstavlja elektrone kako kruže oko jezgra. Pošto predstavljaju naelektrisanje u kretanju, elektroni stvaraju određeno magnetsko polje (slično kao kada električna struja prolazi kroz kružni provodnik). Polja koja stvaraju elektroni su slučajno usmerena i u ukupnom zbiru se međusobno poništavaju, tako da ne stvaraju spoljašnje magnetsko polje. Ali, kada se izlože spoljašnjem magnetskom polju, elektroni ubrzavaju ili usporavaju, da bi se suprotstavili promeni magnetskog polja unutar svojih orbita (to je delovanje Lencovog zakona na atomskom nivou). Ukupni efekat je indukovano magnetno polje koje se suprotstavlja spoljašnjem polju, što dovodi do odbojne sile na makronivou.

Da dijamagneti mogu da lebde nad trajnim magnetom, demonstrirao je Braunbek još 1939. Ali, praktična primena njegovog pronalaska postala je moguća tek kada su 90-tih godina 20. veka u široku upotrebu ušli moćni magneti od neodimijuma, otkriveni 80-tih godina. Oni dijamagnetsku levitaciju danas čine veoma lakom.

Tehnički problem uravnoteženja lebdećeg magneta rešava se pomoću snažnih magnetnih polja; vrtložne električne struje koje se javljaju kada se trajni magnet nađe blizu električnog provodnika zapravo se neutrališu tako što se višak energije emituje u obliku toplote.

Mežutim, vrtložne struje izazivaju jedan drugi fenomen: omogućavaju da lebdeći dijamagnet brzo rotira! Ovo je pokazao Robert Voldron 1966, kada je održao grafitni prsten u lebdećem stanju, i pri tom učinio da on satima rotira brzinom od 100 obrtaju i minutu!

Teorijski gledano, ako bi se prsten prekrio toplotnom izolacijom, što bi sprečavalo da se vrtložne struje pretvaraju u toplotu, on bi praktično, ali u vakumu, mogao da rotira mesecima, pa čak i godinama!

Lebdeći mini-roboti

Laka praktična primena dijamagnetske levitacija otvara neslućene praktične perspektive. Pored primene za šinska vozila, koja zapravo lebde na “magnetnom jastuku”, inženjer Ronald Pelrin sa Masačusets tehnološkog instituta došao je na ideju da na tom principu konstruiše minijaturne robote, velike samo nekoliko santimetara, koji bi veloma brzo mogli da izrađuju mikrokomponente potrebne za razne savremene uređaje i po veoma niskoj ceni! Na tako male robote se dosad nije ni pomišljalo, jer, da bi mogli da autonomno funkcionišu, moraju da nose prilično veliki energetski izvor, da se daljinski kontrolišu, da poseduju sistem navigacije itd, a pored toga, ma koliko da su glatke površine po kojima klize, trenje postoji i dovodi do velikog gubitka energije.

Ali, ako bi lebdeli u magnetskom polju, bilo bi relativno lako da se njima upravlja pomoću spoljašnjih promena magnetskog polja, što ovu ideju po prvi put čini praktično ostvarivom.

Time se otvaraju neslućene mogućnosti razvoja novih propulzionih sistema, daleko efikasnijih, sa većom snagom, a manjim utroškom energije. Železničari su već namirisali dobar posao - Japan i Francuska koriste slične sisteme, a jedan od prioritetnih planova NASA je projekat izgradnje nove letelice za Mars zasnovane na razvoju primene lasera, magnetnog i gravitacionog polja. S obzirom na trenutne probleme u eksploataciji klasičnih goriva za raketne sisteme, naučnici veruju da će put do zvezda biti znatno skraćen već u narednih pet godina.

Pripremio: Goran Bojić