Magiske magneter

Foto: Eurico Zimbres / Wikimedia.org

Selv jordkloden er magnetisk, det er derfor vi har polpunkter å navigere etter. Og ikke minst: Jordas magnetisme beskytter oss døgnet rundt. Den 1. september 1859 ble jorda truffet av en enorm solstorm, og kraftige skurer av partikler fra verdensrommet kom seg ned til jorda. Telegrafstasjoner begynte å brenne, telegrafoperatørene fikk elektriske sjokk, og man kunne se nordlys helt nede på Cuba. Hvis en så sterk storm treffer jorda nå, blir det katastrofe. Det meste av elektronikken blir ødelagt. Navigasjonssystemer slutter å fungere, banksystemer får problemer, strømmen går og det blir mørkt og kaldt. Takket være jordas magnetfelt er det bare svært kraftige solstormer som kan forårsake et slikt scenario.

Hvordan virker de?!

Magnetisme er en kraft. Den kan tiltrekke eller frastøte, den kan virke på avstand og ved nærkontakt. En magnet har en sørpol og en nordpol. Alltid. Det finnes ingen magneter med bare én pol. Deler du en stavmagnet i to, får du to nye magneter med hver sin sørpol og nordpol. Ulike poler tiltrekker hverandre, like poler frastøter hverandre. Det rare er at magneter virker på avstand. De lager såkalte magnetfelt rundt seg, og magnetfelt er kryptiske i den forstand at vi ikke kan se dem, bare effekten av dem. Vi kan se at de dytter eller drar på andre ting.

Jorda er en enorm magnet. Men den magnetiske krafta kommer fra det bitte lille, fra atomene. Alle ting – steiner, metallbiter, frosker og tog – er bygd opp av atomer. Og atomene er i seg selv små magneter. Hvis en gjenstand ikke påvirkes av noen magnet utenfra, peker tingens små atom-magneter i alle retninger slik at kreftene fra dem utligner hverandre. Hvis gjenstanden derimot plasseres ved en hesteskomagnet, vil alle de små atom-magnetene innrette seg etter feltet fra hesteskomagneten. Da blir tingen magnetisk selv. For en del metaller skal det lite til før de blir magnetiske, og det skal mye til for å riste løs atom-magnetene igjen. De blir permanente magneter. Andre metaller slutter å være magneter når det ytre magnetfeltet forsvinner. Kjøleskapsdøra er vanligvis ikke magnetisk i utgangspunktet. Men når kjøleskapsmagneten nærmer seg, blir atomene i kjøleskapsdøra påvirket av feltet fra magneten og innretter seg etter det. Området på døra blir magnetisk selv, og de to magnetene tiltrekker hverandre. I andre typer stoffer, for eksempel tre eller plast, vil også atom-magnetene innrette seg etter en magnet utenfor. Men kreftene det fører til blir så utrolig svake at vi ikke ser noen effekt av det til daglig. Prøver vi å sette en magnet på ei skapdør av tre, deiser den i gulvet fordi de magnetiske kreftene ikke har noen sjanse til å overvinne tyngdekrafta.

Vingardium leviosa!

«Vingardium leviosa!» skrek Ronny, mens de lange armene gikk som en vindmølle. Harry hørte et glefs fra Hermine: «Du sier det feil! Det skal være Ving-gar-dium Levi-o-sa, og gar skal være langrukkent». «Så gjør det du da, hvis du er så kjempeflink,»

– fra Harry Potter og de vises stein

I Harry Potters magiske verden får de ting til å sveve med en korrekt uttalt trylleformel og tilhørende bevegelse med tryllestaven. I virkelighetens verden ser det ganske så magisk ut når magneter får noe til å sveve. En frosk, for eksempel. I 2000 fikk fysikerne Andre Geim og Sir Michael Berry den såkalte IgNobel-prisen for å levitere en frosk ved å bruke en magnet. IgNobel-prisene berømmer det litt rare og kreative, og deles ut til forskere som får folk til å le først, og så tenke. Hvordan i alle dager kan en magnet få en frosk til å sveve? En frosk er da ikke laget av metall. Har vi ikke erfart at magneter trekker eller skyver på ting av metall, men at andre materialer ikke lar seg rikke? Er frosker metalliske? Neida. De består stort sett av vann og fett, som oss mennesker. Det Geim og Berry viste med sitt froskeforsøk, er at hva som helst blir påvirket av magneter, bare magneten er sterk nok.

Når kjøleskapsmagneten gjør kjøleskapsdøra magnetisk, er atom-magnetene snudd slik at magnetkreftene blir tiltrekkende. I vann og i en frosk som består av stort sett vann, fungerer det motsatt. Atom-magnetene snur seg slik at frosken og magneten utenfor frastøter hverandre. Effekten er veldig svak, og man kommer ingen vei med å holde en vanlig hesteskomagnet under en frosk. Men har man en tilstrekkelig sterk magnet, blir kreftene så store at de dytter oppover like sterkt som tyngdekrafta trekker nedover. Og da svever frosken. Frosken til Geim og Berry så ut til å trives, og ble gjenforent med froskevennene sine etter forsøket. Han var den første levende organismen som ble holdt svevende ved hjelp av magneter.

En levende frosk svever inne i en såkalt Bitter-elektromagnet. Foto: Lijnis Nelemans / Wikimedia.org

Man kan i prinsippet holde mennesker svevende slik også. Eller hele sivilisasjoner. Kanskje vi en dag kan flytte opp i skyene. Den kinesiske arkitekten Wei Zhao foreslo at vi kan bygge grønne øyer med fjell og daler, teatre og kaffebarer. Under bygger vi inn magneter som lar øyene sveve på jordas magnetfelt.

Når det stormer på sola

Den magnetiske polen som ligger oppe ved Nordpolen, er artig nok en sørpol, det er derfor nordpolen på kompassnåla trekkes i den retningen. At jorda er en magnet betyr at den omgir seg med et digert magnetfelt. Og det skal vi være glade for! Jordas magnetfelt beskytter oss mot skurer av partikler fra verdensrommet. Uten det ville vi hatt dramatisk større forekomst av kreft og strømnettet ville blitt slått ut i tide og utide. For å nevne noe.

De skumle partikkelskurene kommer fra sola, som er full av kraftige magnetfelter. Der er det imidlertid ikke én nordpol og én sørpol, men stadig varierende magnetiske områder som påvirker hverandre. Av og til slår magnetfeltene rett og slett krøll på seg, og kreftene som oppstår river løs store flak av sola og slynger dem ut i verdensrommet. Disse flakene kalles solstormer, og består stort sett av elektrisk ladde partikler i stor fart. Når disse partiklene kommer susende mot jorda, blir de aller fleste dytta vekk og forbi av jordas magnetfelt.

Det hender at deler av en solstorm dras ned mot polene, slik at partiklene kolliderer med atmosfæren. Kollisjonene får atomene og molekylene i atmosfæren til å stråle i nydelige farger. Takket være jordas magnetfelt danser nordlyset, og i sør sørlyset, over himmelen på kalde vinternetter. Solstormen i 1859 er den kraftigste mennesket har registrert, og gjorde ikke bare nordlyset synlig helt ned til Cuba. Den var også så kraftig at elektrisiteten i det holdt liv i telegrafen selv etter at strømmen var gått.

Sør blir nord og nord blir sør

Det er lite sannsynlig at jordas magnetfelt skal bli borte, men det endrer seg litt hele tida. De magnetiske polene flytter på seg, og faktisk kan hele magnetfeltet snu seg på hodet. Da blir sør til nord og nord til sør, magnetisk sett. Kompassene vil peke motsatt vei.

Forskere har funnet ut at sist gang jordas magnetfelt bytta retning, var for 786 000 år siden. Og da skjedde det i løpet av bare omtrent 100 år. Hvordan kan de vite det? Ved å studere berggrunn som en gang var bunnen av en innsjø øst for Roma i Italia. Over lang tid har sand, grus og andre avleiringer blitt vaska ut i innsjøen og lagt seg lagvis på bunnen. Biter av disse lagene er magnetiske steiner, innretta langs jordas magnetfelt slik det var akkurat da de la seg på bunnen av innsjøen. Slik har jordas magnetfelt opp igjennom tidene blitt frosset fast i berget.

Ved å sammenligne magnetfeltet i steinprøver fra ulike lag, og finne ut hvor gamle lagene er, kan forskerne se når jordas magnetfelt har snudd. Det vil nok snu igjen. Vi vet ikke når, eller hvor lang tid snuingen vil ta. Magnetfeltet har snudd mange ganger i jordas historie, men lite tyder på at det har fått katastrofale følger for livet på jorda. Hvordan det vil påvirke et moderne samfunn, gjenstår å se.

Flyvende tog

Nylig nådde et japansk tog en toppfart på svimlende 603 km/h. Toget svever 10 cm over skinnene ved hjelp av magnetisk levitasjon (maglev), litt som den svevende frosken. Det krever noen år til med teknologiutvikling før hvem som helst kan reise så raskt med toget, men i Shanghai klarer allerede kommersielle maglevtog å flytte pendlere 30 km på åtte minutter. Maglev-tog bruker magneter både til å holde toget over skinnene og til å drive det framover, og kan gi svært energieffektiv og billig transport.

Det flyvende toget Transrapid 09 i Tyskland. Foto: Állatka / Wikimedia.org.

Når toget svever over skinnene reduseres friksjonen kraftig. Men motoren må fortsatt overvinne luftmotstanden, som blir veldig stor når det begynner å gå fort. I 2012 lanserte Tesla-gründer Elon Musk en temmelig vill idé for å løse problemet: Hva med å sende kapsler med mennesker gjennom rør nesten tomme for luft? Da kan det gå uhyre fort. I en slik hyperloop skal vifter trekke lufta vekk fra framsida av kapselen og dytte den under, slik at kapselen flyter på luft. Den magnetiske motoren får da en lett jobb med å drive kapselen framover, og kan akselerere den opp i veldig høye hastigheter. Høye nok til å forsere distansen mellom San Francisco og Los Angeles (ev. Trondheim og Halden) på en halv time. I mai 2016 ble deler av teknologien testa for første gang, ute i ørkenen i Nevada. Testkjelken akselererte fra 0 til 187 km/h på bare 1,1 sekund.

Hva om vi sender et romfartøy langs maglev-skinner? Lar det akselerere oppover gjennom en tunnel i fjellet, og til slutt lar det skytes ut i stor nok fart til at fartøyet ender opp i bane rundt jorda? NASA forsker på mulighetene for slike romferder, og har planer som legger opp til romreiser for hvem som helst for skarve 400 000 kroner.

Verdens verste bakrus

Han er svimmel og kvalm. Kroppen vet ikke helt hva som er opp eller ned, og han klarer slettes ikke å gå. Astronaut Tim Peake kaller det å komme tilbake til jorda etter seks måneder på den internasjonale romstasjonen for verdens verste bakrus. Et halvt år i vektløs tilstand gjør veldig mye med en menneskekropp som er skapt for jordas tyngdekraft. Peakes kropp er for så vidt påvirka av jordas tyngdekraft hele tida, romstasjonen er ikke så langt unna at krafta er borte. Men oppe i romstasjonen merker han den ikke, fordi både han og romstasjonen er i fritt fall rundt jorda, i runde etter runde.

Etter at Peake landa i en åker i Kasakhstan 18. juni 2016, ble han fraktet til Det europeiske astronautsenteret i Köln for flere uker med opptrening og medisinsk testing. Han har mistet muskelmasse og beinmasse, hjertet hans har sannsynligvis blitt mindre og har fått mindre blod å pumpe rundt. Det vektløse livet på romstasjonen er så bedagelig for kroppen at den rett og slett svinner hen. Peake har også vært uten beskyttelsen fra jordas magnetfelt der oppe, og blitt utsatt for stråling tilsvarende 1200 røntgenbilder. Forskerne kaster seg derfor over ham for å lære mer om hvordan kroppen påvirkes av tilværelsen i verdensrommet.

Tim Peake ombord på romstasjonen ISS-47. Foto: NASA

Når menneskene planlegger kommersielle turer i rommet og gjør seg klare til å reise til Mars, trenger vi å vite så mye som mulig om hva det gjør med kroppen. Ved å studere bananfluer gjort vektløse i et magnetfelt, oppdaga forskere at vektløshet kan forårsake endringer i genmaterialet. Skjer det også med mennesker? Skal man studere det, trenger man andre data enn man får fra noen få topptrente individer som har vært oppe i romstasjonen. Hvis bananfluer og frosker kan bli vektløse i et magnetfelt, kan vel også mennesker bli det? I framtida vil vi kanskje kunne sjekke inn i boliger som er gjort vektløse av magnetfelt for å finne ut om vi egner oss som eller bare for å stille nysgjerrigheten. Men utsikten fra den internasjonale romstasjonen blir uansett vanskelig å slå.

Ti ganger så varm som sola

En smultring like høy som Triumfbuen, like tung som tre Eiffeltårn og med 840 kubikkmeter plasma som er ti ganger så varm som sola. I Frankrike bygges en monstermaskin som kan redde verden.

I kjernen av sola er det 15 millioner °C. Kombinasjonen av den ekstreme varmen og sterke tyngdekrefter får kjerner av universets letteste grunnstoff hydrogen til å smelte sammen til helium. I prosessen blir det energi til overs – mye energi – som stråler ut fra sola og gir livsgrunnlag til oss.

Fusjonsenergianlegget ITER skal gjenskape sola på jorda, bare enda varmere. Klarer vi det, ville energiproblemene våre være løst, egentlig. Hydrogen har vi enormt mye av. Sluttproduktet helium er harmløst. Men det er selvsagt noen skjær i sjøen. Det største er at vi må ha hydrogengass, eller plasma, som holder vanvittige 150 millioner grader. Siden tyngdekrafta på jorda er så mye svakere enn i kjernen av sola, må vi kompensere med høyere temperatur for at sammensmeltingen, fusjonen av hydrogen til helium, skal skje. Å varme det opp er ikke så vanskelig, skjønt det koster en god del energi som reduserer effektiviteten totalt sett.

Hovedproblemet er at ingen vegger klarer å holde på noe som er 150 millioner grader. Alt smelter. Løsningen er magneter. Svære, tunge og iskalde magneter. Det varme plasmaet består nemlig av elektrisk ladde partikler, og kan derfor holdes i sjakk av kraftige magneter, uten å være i kontakt med noen vegger. Magnetene må være svært kalde for å være effektive, de kjøles ned til minus 269 °C, bortimot det absolutte nullpunkt. For at magnetene skal holde plasmaet fast fra alle kanter, bygges anlegget som en diger, hul smultring. En smultring med et iskaldt ytre og et 150 millioner grader varmt indre. Det er et stykke fram til effektiv fusjonsenergi til kommersiell bruk, men potensialet er forlokkende.

En snurrig oppdagelse

Mens vi venter på en energirevolusjon med fusjon lager vi elektrisk strøm på andre måter. Stort sett alle metodene avhenger av magneter.

Våren 1820 sto dansken Hans Christian Ørsted foran studentene sine og underviste fysikk. På pulten lå diverse utstyr: noen ledninger, batterier og et kompass. På den tiden så man på elektrisitet og magnetisme som to helt forskjellige fenomener, men Ørsted hadde begynt å lure på om det kunne være en sammenheng et sted. Da han kobla ledningen til batteriet slik at det begynte å gå strøm i den, la han merke til noe snodig. Nåla på kompasset ved siden av gjorde et plutselig utslag fra sin stødige posisjon mot nord. Da han slo av strømmen, gikk kompassnåla tilbake til utgangspunktet. Han prøvde igjen. Det samme skjedde. Etter noen måneder med eksperimenter kunne Ørsted slå fast hva det var han hadde oppdaget: Hvis det går strøm i en ledning, blir ledningen til en magnet! Det var revolusjonerende, og åpnet dørene for en ny forståelse av elektrisitet og magnetisme. De er to sider av det samme fenomenet: elektromagnetisme.

Etter hvert ble det klart at all magnetisme skyldes elektrisk ladde partikler som rører på seg. Strøm er elektrisk ladde partikler som går i ledningene. Det er elektrisk ladde partikler som hopper fra ullgenseren til hånda når vi får støt, og det er slike som skyter ned fra skyene mot bakken når det lyner. De små atom-magnetene består av enda mindre partikler som er elektrisk ladde: elektroner og protoner. Disse rører alltid på seg. De suser rundt i alle retninger og de spinner, litt som små snurrebasser. Innsikten i sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme åpnet en rekke viktige dører, blant annet til det norske vannkrafteventyret.

Hvordan lager vi strøm av fallende vann? Vi utnytter at sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme også går motsatt vei. Ikke bare kan vi få en ledning til å bli en magnet ved å la det gå strøm i den. Vi kan få strøm til å gå i en ledning ved å la en magnet røre seg i nærheten av ledningen. Hvis vi for eksempel snurrer en magnet rundt og rundt inni en kveil av ledninger, begynner det å gå strøm i ledningen. Helt uten batteri. Det er stort sett det vannkraftverk gjør. Vannet ramler ned fra magasinene og får en turbin til å gå rundt. På turbinen henger det en kraftig magnet som også begynner å snurre, og det begynner å gå strøm i ledningene rundt. Omtrent det samme skjer når vi lager strøm med vindkraft, fossile brensler eller atomkraft.

Samfunnet hadde vært ganske annerledes uten Ørsteds oppdagelse.

Heads up!

I en «heads-up tackle» i amerikansk fotball kaster forsvareren seg mot angriperen med hodet først, som en rambukk. Han pakker sterke armer og brede skuldre rundt motspilleren og slenger ham i bakken. Begge spillerne er store, tunge og unge. Det kan godt hende de klinker hodene mot hverandre i sammenstøtet. Hvert år får hundrevis av spillere hjernerystelse. For en forsvarsspiller kan det bli mange i løpet av karrieren. Alt for mange. Hjerneskader og senvirkninger har tvunget fram nytenkning i utvikling av beskyttelsesutstyr. Tidsskriftet Science forteller om et forsøk på å lage magnetisk støtdemping i hjelmene. Magneter plasseres foran og på sidene i alle hjelmer slik at de vil frastøte hverandre når to hjelmer nærmer seg hverandre. Det vil dempe kreftene hjernen utsettes for når spillere skaller sammen i en «heads-up tackle».

Amerikansk fotballtakling uten magnet i hjelmen. Foto: Pixabay

Magneter som redder liv

Legg kroppen i et magnetfelt 10 000 ganger sterkere enn jordas magnetfelt. Der ligger du helt i ro i 30-40 minutter mens du prøver å ikke tenke på hvor trangt det er der inne. Det kan redde livet ditt.

En MR-maskin kan finne svakheter i blodkar før de sprekker eller påvise hjernesvulster mens de ennå kan repareres, takket være finurlig konstruerte magneter. Mennesker er bygd opp av små snurrende atom-magneter, akkurat som den svevende frosken. Når vi ligger i MR-tunnelen og magneten slås på, legger atommagnetene seg i retningen til MR-magneten. Noen av dem ligger med toppen på snurrebassen opp, andre ned, men de peker samme vei. Så sender maskina inn radiosignaler til ulike deler av kroppen. Energien i disse signalene får noen av atom-magnetene til å bytte retning, snurrebassene snur seg på hodet. Når radiosignalet slås av klarer ikke snurrebassene å stå på hodet lenger. Atom-magnetene snur seg tilbake og sender samtidig et radiosignal tilbake til maskina. Fordi sammensetningen av atom-magneter er forskjellig i ulike typer vev, blir signalene fra for eksempel svulster annerledes enn signalene fra friskt hjernevev. De ulike signalene gjør det mulig å lage bilder av det som er inni kroppen, og redde liv.

Kreft er cellevekst ute av kontroll. Det er derfor viktig å studere hvordan kreftceller vokser og deler seg. Men celler vokser ikke nødvendigvis likt i en klassisk flat laboratorie-skål som i en tredimensjonal menneskekropp. Forskere i USA har derfor utviklet en teknikk der de sprøyter magnetisk jernoksid inn i cellene og legger en magnet oppå skåla. De magnetiske cellene blir hengende i magnetfeltet og får vokse i 3D, og ender opp med å ligne mer på faktiske kreftsvulster. Det gjør det lettere å finne bedre kreftbehandling. I framtida kan lignende design med magneter gjøre det mulig å dyrke mer realistiske organer i laboratorier.

Pøh! Humbug!

Noen bruker dessverre magneter til å lure folk. MR-teknologien er fascinerende, med små snurrende partikler i kroppen som tvinges til å peke i samme retning, og energi som sendes ut som radiosignaler og lar oss lage bilder. Utrolig. Det er til forveksling likt kvasivitenskapelige annonser for magnetiske armbånd. Noen reklamerer for eksempel med at armbåndet får partiklene i kroppen til å spinne i samme retning og jobbe på lag, i harmoni. Hvem vil ikke ha partikler i kroppen som jobber på lag?

Men argumentene er bare lureri. Partiklene i kroppen jobber på lag fra før, når de snurrer i alle mulige retninger. En MR-maskin får dem til å ligge i samme retning en kort stund, bare fordi det gjør det mulig å lage bilder. Man blir ikke frisk, sterk eller harmonisk av det. Magnetfeltet i en MR-maskin er dessuten veldig kraftig. Noen amerikanere som ville leke litt med en MR-maskin som skulle kasseres, satte en kontorstol inntil maskina og slo på magneten. Den magnetiske krafta som til slutt reiv stolen i stykker, var like stor som tyngdekrafta på en liten bil. Det ville være en dårlig idé å ha en slik magnet hengende rundt armen.

Magnetenes magi

Magneter er fascinerende. De kan trekke på noe som er langt unna. De kan få frosker eller tog eller kanskje hele øyer til å sveve. De er ørsmå partikler og store planeter. Magneter lar oss oppdage sykdommer og de lar oss lage strøm. De har gitt sjøfarere retning i århundrer. De kan gjøre romreiser til framtidas sydentur. De lager vakre fargespill på nattehimmelen. Men magi er magisk bare så lenge vi ikke forstår hva som foregår. Magneter er ikke magiske egentlig, det bare virker sånn.

Denne artikkelen ble først publisert i Nemi august 2016