Zijn er mogelijke toepassingen van NdFeB-magneten in quantum computing (bijvoorbeeld voor het afschermen van supergeleidende quantumbits) of in de ruimtevaart (bijvoorbeeld voor het simuleren van omgevingen met lage zwaartekracht)?

1. Inleiding

NdFeB-magneten, voornamelijk samengesteld uit de intermetallische verbinding Nd₂Fe₁₄B, zijn de sterkste permanente magneten die commercieel verkrijgbaar zijn, met energieproducten (BHmax) van meer dan 50 MGOe. Hun superieure magnetische eigenschappen – hoge remanentie (Br > 1,3 T), coërciviteit (Hci > 2 MA/m) en energiedichtheid – zijn te danken aan de sterke uniaxiale magnetokristallijne anisotropie van de Nd₂Fe₁₄B-fase. Hoewel ze veel worden gebruikt in motoren, generatoren en magnetische scheiders, breiden hun toepassingen zich uit naar hightechsectoren zoals quantumcomputing en ruimtevaart, gedreven door de behoefte aan compacte, hoogwaardige magnetische oplossingen in extreme omgevingen.

2. NdFeB-magneten in quantumcomputing

2.1 Qubits stabiliseren met sterke magnetische velden

Qubits, de fundamentele eenheden van quantuminformatie, zijn zeer gevoelig voor omgevingsruis, wat leidt tot decoherentie – een groot obstakel in quantumcomputing. NdFeB-magneten zorgen voor de sterke, stabiele magnetische velden die nodig zijn om qubits te stabiliseren en hun coherentietijd te verlengen. Bijvoorbeeld:

• Supergeleidende qubits : In supergeleidende kwantumcircuits worden qubits geïmplementeerd met behulp van Josephson-juncties, die nauwkeurige magnetische velden nodig hebben om hun energieniveaus af te stemmen. NdFeB-magneten, met hun hoge veldsterkte (tot 1,5 T over kleine luchtspleten), maken compacte qubit-regelsystemen met een laag vermogen mogelijk. Een studie uit 2021 toonde aan dat een permanente magneetconstructie met een Halbach-array van NdFeB-magneten en zachtmagnetische Supermendur een uniform veld van 1,5 T over een luchtspleet van 7 mm bereikte, geschikt voor qubitgebruik.
• Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR) Qubits : In NMR-gebaseerde quantumcomputing worden qubits gecodeerd in kernspins en is hun manipulatie afhankelijk van externe magnetische velden. NdFeB-magneten bieden de hoge homogeniteit en stabiliteit die nodig zijn voor nauwkeurige spincontrole, zoals te zien is in desktop quantumcomputingplatforms zoals de SpinQ Gemini, die een veld-shimmingsysteem gebruikt om een ​​stabiele magnetische omgeving te behouden voor NMR- en quantumcomputingtaken.

2.2 Supergeleidende kwantumbits afschermen tegen elektromagnetische interferentie

Supergeleidende qubits zijn kwetsbaar voor elektromagnetische interferentie (EMI), wat ongewenste overgangen en decoherentie kan veroorzaken. Afscherming van deze qubits is cruciaal voor een betrouwbare werking, en NdFeB-magneten spelen een dubbele rol:

• Passieve afscherming : NdFeB-magneten kunnen worden geïntegreerd in meerlaagse afschermingsontwerpen om elektromagnetische zwerfvelden te dempen. Zo werd in een onderzoek uit 2022 Vantablack – een superzwarte coating met een hoge magnetische permeabiliteit – gebruikt in combinatie met NdFeB-magneten om supergeleidende qubitsystemen af ​​te schermen van infraroodstraling en elektromagnetische interferentie (EMI), wat een honderdvoudige ruisreductie opleverde.
• Actieve afscherming : In sommige ontwerpen worden NdFeB-magneten gebruikt om tegenwerkende velden te genereren die externe interferentie neutraliseren, een techniek die bekend staat als actieve magnetische afscherming. Deze aanpak is vooral nuttig in omgevingen met dynamische magnetische ruis, zoals in de buurt van MRI-scanners of bij kwantumexperimenten in de ruimte.

2.3 Verstrengeling van qubits met behulp van magnetische velden

Onderzoekers zijn begonnen met het verkennen van magneetgebaseerde technieken om qubits te verstrengelen, een proces dat essentieel is voor quantumcomputers. Zo toonde een studie uit 2023 een eenvoudige maar effectieve methode aan om supergeleidende qubits te verstrengelen met behulp van microgolffotonen en magnetische velden gegenereerd door NdFeB-magneten. Deze aanpak zou het ontwerp van quantumcircuits kunnen vereenvoudigen en schaalbare quantumprocessoren mogelijk maken.

3. NdFeB-magneten in ruimteonderzoek

3.1 Simulatie van microzwaartekrachtomgevingen

Onderzoek naar microzwaartekracht is essentieel voor het begrijpen van verschijnselen zoals vloeistofgedrag, verbranding en biologische processen in de ruimte. Het uitvoeren van experimenten in een baan om de aarde is echter duur en logistiek uitdagend. NdFeB-magneten bieden een alternatief op de grond:

• Magnetische levitatie : Hoogenergetische NdFeB-magneten kunnen diamagnetische materialen (bijv. water en planten) laten zweven door sterke gradiënten in het magnetische veld te genereren. Zo werd in 2021 een microfluïdisch platform ontwikkeld dat NdFeB-magneten gebruikte om Arabidopsis-zaden in een evenwichtsvlak te laten zweven, waarmee microzwaartekrachtomstandigheden voor plantengroeistudies werden gesimuleerd.
• Valtorens en paraboolvluchten : Deze faciliteiten bieden microzwaartekracht van korte duur (seconden tot minuten), terwijl NdFeB-gebaseerde zweefsystemen continue microzwaartekrachtsimulatie mogelijk maken, waardoor langetermijn-experimenten met celculturen, kristalgroei en materiaalsynthese mogelijk worden.

3.2 De gezondheid van astronauten behouden

Langdurige blootstelling aan microzwaartekracht leidt tot spieratrofie en verlies van botdichtheid bij astronauten. NdFeB-magneten worden gebruikt in tegenmaatregelen om deze effecten te beperken:

• Spierstimulatie : NASA heeft NdFeB-magneten gebruikt in draagbare apparaten die gelokaliseerde magnetische velden gebruiken om spiercontracties te stimuleren en zo de spierspanning tijdens ruimtemissies te behouden. Deze magneten bieden een niet-invasief en energiezuinig alternatief voor elektrische stimulatie.
• Behoud van botdichtheid : Opkomend onderzoek onderzoekt het gebruik van gepulste elektromagnetische velden (PEMF) gegenereerd door NdFeB-magneten om botvorming te bevorderen en botafbraak in microzwaartekracht te verminderen. De eerste resultaten suggereren dat PEMF-therapie een haalbare tegenmaatregel zou kunnen zijn tegen door ruimtevaart veroorzaakte osteoporose.

3.3 Geavanceerde voortstuwingssystemen aandrijven

NdFeB-magneten zijn integraal onderdeel van de volgende generatie ruimtevoortstuwingstechnologieën, zoals:

• Ionenstuwraketten : Deze stuwraketten gebruiken magnetische velden om geïoniseerde brandstof (bijv. xenon) op te sluiten en te versnellen. NdFeB-magneten maken met hun hoge veldsterkte compacte, zeer efficiënte ionenstuwraketten mogelijk voor missies in de diepe ruimte.
• Magnetoplasmadynamische (MPD) stuwraketten : MPD-stuwraketten maken gebruik van sterke magnetische velden om plasma te ioniseren en te versnellen, waardoor stuwkracht ontstaat. In de magnetische nozzles van deze stuwraketten worden NdFeB-magneten gebruikt, wat hun prestaties verbetert en het stroomverbruik verlaagt.

3.4 Ruimtegebaseerde kwantumexperimenten mogelijk maken

Kwantumtechnologieën staan ​​op het punt een revolutie teweeg te brengen in ruimtegebaseerde detectie, communicatie en navigatie. NdFeB-magneten zijn cruciaal voor deze toepassingen:

• Atoomklokken : Ultraprecieze atoomklokken, essentieel voor GPS en navigatie in de diepe ruimte, gebruiken magnetische velden om atomen te vangen en te manipuleren. NdFeB-magneten zorgen voor de stabiele velden die nodig zijn voor zeer nauwkeurige tijdmeting in de ruimte.
• Kwantumsensoren : Magnetometers gebaseerd op supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten (SQUID's) of stikstof-vacature (NV)-centra in diamant vereisen sterke, uniforme magnetische velden voor gevoelige metingen. NdFeB-magneten maken compacte, energiezuinige kwantumsensoren mogelijk voor het detecteren van magnetische anomalieën op planetaire oppervlakken of het monitoren van ruimteweer.

4. Uitdagingen en toekomstige richtingen

4.1 Technische uitdagingen

• Temperatuurgevoeligheid : NdFeB-magneten verliezen coërciviteit bij hoge temperaturen (boven 150 °C), waardoor hun gebruik in hoge-temperatuurruimteomgevingen of in bijna-supergeleidende qubits die bij cryogene temperaturen werken, beperkt is. Het onderzoek richt zich op de ontwikkeling van NdFeB-varianten voor hoge temperaturen of hybride magneetsystemen die NdFeB combineren met samariumkobalt (SmCo) of ferrietmagneten.
• Homogeniteit van magnetische velden : Het bereiken van de sub-ppm veldhomogeniteit die nodig is voor quantum computing is een uitdaging met permanente magneten. Geavanceerde productietechnieken, zoals 3D-printen van magneetarrays en gradiëntcoatingmethoden, worden onderzocht om de velduniformiteit te verbeteren.

4.2 Toekomstige trends

• Hybride magneetsystemen : Door NdFeB-magneten te combineren met elektromagneten of supergeleidende spoelen kunnen de sterke punten van beide technologieën (hoge veldsterkte van NdFeB en instelbaarheid van elektromagneten) worden benut voor toepassingen zoals kwantumfoutcorrectie en dynamische afscherming.
• Miniaturisatie : Omdat kwantum- en ruimtetechnologieën kleinere, lichtere componenten vereisen, richt het onderzoek zich op microscopische NdFeB-magneten, vervaardigd met behulp van additieve productie of dunnefilmdepositietechnieken. Deze geminiaturiseerde magneten zouden draagbare kwantumapparaten en compacte voortstuwingssystemen voor kleine satellieten mogelijk kunnen maken.

5. Conclusie

NdFeB-magneten transformeren quantum computing en ruimtevaart door sterke, stabiele magnetische velden te leveren in compacte, energiezuinige behuizingen. In quantum computing stabiliseren ze qubits, schermen ze supergeleidende circuits af en maken ze nieuwe verstrengelingstechnieken mogelijk, waarmee ze de weg vrijmaken voor schaalbare quantumprocessoren. In de ruimtevaart simuleren ze microzwaartekracht, behouden ze de gezondheid van astronauten, drijven ze geavanceerde voortstuwingssystemen aan en ondersteunen ze quantumgebaseerde detectie en navigatie. Hoewel uitdagingen zoals temperatuurgevoeligheid en veldhomogeniteit blijven bestaan, belooft lopend onderzoek naar hybride magneetsystemen en miniaturisatie nieuwe mogelijkheden te bieden voor NdFeB-magneten in deze hightechsectoren. Naarmate quantum- en ruimtetechnologieën zich verder ontwikkelen, zullen NdFeB-magneten onmisbare hulpmiddelen blijven voor innovatie en ontdekkingen.