Die Suche nach effizienten Methoden zur Erzeugung homogener Magnetfelder hat einen neuen Höhepunkt erreicht. Physiker Prof. Dr. Ingo Rehberg von der Universität Bayreuth und Dr. Peter Blümler von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben einen innovativen Ansatz entwickelt, der die klassischen Halbach-Arrangements übertrifft. Ihre Forschung, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Physical Review Applied, zeigt, dass durch strategische Anordnung von Permanentmagneten höhere Feldstärken und verbesserte Homogenität bei kompakten Magnetanordnungen erzielt werden können. Diese Erkenntnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Technologien haben, die starke und gleichmäßige Magnetfelder benötigen, darunter auch die Magnetresonanztomografie (MRT).
Traditionell basieren Halbach-Arrays auf der Annahme von unendlich langen Magneten, was in praktischen Anwendungen nicht umsetzbar ist. Uni-Mainz hebt hervor, dass Rehberg und Blümler in ihrer Arbeit die Geometrien eines einzelnen Rings und eines gestapelten Doppelrings untersuchten. Dabei modellierten sie die Magneten als Punktdipole. Ihr „fokussiertes“ Design ermöglichte die Erzeugung homogener Felder außerhalb der Magnetebene. Durch die Entwicklung analytischer Formeln konnten sie die experimentellen Ergebnisse validieren, die sich gut mit den theoretischen Vorhersagen deckten. Diese neuen Anordnungen erwiesen sich als überlegen im Vergleich zu den klassischen Halbach-Arrangements.
Optimierte Geometrien und Experimentelle Validierung
Der Weg zu diesen Erkenntnissen begann mit einer detaillierten Untersuchung optimaler dreidimensionaler Anordnungen von Permanentmagneten. Gegenüber der bisher bevorzugten Halbach-Anordnung zeigen die neuen Designs signifikante Vorteile. Laut der Arbeit, eingereicht am 25. Februar und zuletzt überarbeitet am 30. Mai 2025, weicht die optimale Anordnung für kürzere Magneten von den traditionellen Designs ab und bietet somit neue Perspektiven für die magnetische Feldproduktion. arXiv beschreibt die theoretische Basis dieser Ansätze und die erzielten Ergebnisse.
Zudem ergibt sich aus den experimentellen Realisierungen ein hohes Anwendungspotenzial für die neue Technologie. Sie könnte die Entwicklung kostengünstigerer alternativer Technologien fördern, die die klassischen, oft sehr teuren supraleitenden Magnete in der MRT ersetzen könnten. Supraleitende Magnete sind zwar leistungsstark, ihre hohen Kosten und der technische Aufwand schränken jedoch ihre Verfügbarkeit erheblich ein.
Anwendungen und Zukunftsperspektiven
Die Anwendungen für diese neuen Magnetanordnungen sind weitreichend. Neben der MRT könnten sie auch in der Beschleunigerphysik und bei Magnetschwebesystemen eingesetzt werden. Diese Technologien erfordern starke und homogene Magnetfelder, wobei die neuen Ansätze hier Vorteile bieten. Das Halbach-Array, auch bekannt für seine Verwendung in verschiedenen Technologien wie flachen Kühlschrankmagneten und Brushless-DC-Motoren, hat bereits bewiesen, dass es effektiv in der Feldkonfiguration ist. Wikipedia erklärt die Vorteile der einseitigen Flussverteilung, die durch die alternierenden Magnetisierungs-Muster des Halbach-Arrays entsteht.
Die Entdeckung von Rehberg und Blümler ist somit nicht nur ein bedeutender Fortschritt in der Magnetfeldtechnologie, sondern öffnet auch Türen für zukünftige Innovationen in der Materialwissenschaft und Ingenieurtechnik. In einer Welt, die zunehmend auf technologische Lösungen angewiesen ist, könnte dieser neue Ansatz eine Schlüsselrolle spielen.
