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StartseiteForschung aktuellMagnetresonanz ohne Magneten27.01.2006

Magnetresonanz ohne Magneten

Tragbares Messgerät nutzt das Erdmagnetfeld

Physik. - Kernspinresonanz, dahinter verbirgt sich ein physikalisches Messverfahren, das Aufschluss über die atomare Zusammensetzung und Struktur einer Materialprobe gibt. Das Verfahren ist präzise wie kaum ein anderes und wird deshalb immer dann eingesetzt, wenn man es ganz genau wissen will. Die dazu nötigen Geräte füllen normalerweise ein ganzes Wohnzimmer und kosten Millionen. Jülicher Forscher beschreiben jetzt in der aktuellen "Nature Physics" ein tragbares Kernspin-Spektrometer.

Von Ralf Krauter

Im Supercomputer sehen die Linien des Erdmagnetfelds wie ein Bündel gekochter Spaghetti aus. (PSU)
Im Supercomputer sehen die Linien des Erdmagnetfelds wie ein Bündel gekochter Spaghetti aus. (PSU)

Ein Permanentmagnet, ein Aluminiumzylinder mit Probenhalter und Spulen darin und etwas Elektronik - das ist alles. Die Komponenten des Magnetresonanz-Messgerätes zum Mitnehmen passen bequem auf einen Campingtisch. Um bei Messungen in freier Natur keine Rückenschmerzen zu bekommen, haben die Wissenschaftler vom Zentralinstitut für Elektronik des Forschungszentrums Jülich einfach auf die sonst übliche zentrale Komponente verzichtet, erklärt der Physiker Dr. Stephan Appelt.

"Das Herzstück einer normalen Kernspinresonanzanlage ist der große supraleitende Magnet, der viele Millionen kostet und Tonnen schwer ist. Wir haben uns gesagt: Lassen wir das alles weg. Lassen wir diesen riesigen Magnet weg. Verwenden wir stattdessen nur die Erde. Verwenden wir nur das Magnetfeld der Erde, um in diesem Magnetfeld Kernspinresonanz-Analysen zu machen. Das war erst mal nur ein Traum. Aber wir haben es geschafft, tatsächlich chemische Analysen im Erdmagnetfeld durchführen zu können."

Dazu wird die flüssige Probe zunächst in den Schlitz des schon erwähnten Permanentmagneten gehalten - ein so genannter Halbach-Magnet. Das Feld in seinem Inneren ist rund zwanzigtausendmal stärker als das der Erde und reicht, um einen beträchtlichen Teil der Atomkerne in der Probe auszurichten - wie Kompassnadeln in einem Magnetfeld.

"Dann wird diese Probe rausgeholt, nachdem sie magnetisiert ist, und in eine Röhre gesteckt, wo eine NMR-Spule drinsteckt und ein hochempfindlicher Verstärker. Und sobald die Probe drinsteckt, in dieser Röhre, wird die Probe angestoßen durch einen Magnetfeldpuls. Die Kernspins in dieser Probe fangen dann an zu präzedieren im Erdmagnetfeld. Das wird durch diese Spule in dieser Röhre aufgenommen, verstärkt und dann verarbeitet und dargestellt."

Nach dem Magnetpuls taumeln die Kernspins wie angetippte Spielzeugkreisel. Ihr kollektives Verhalten zeigt sich auf dem Bildschirm als abklingende Schwingung, die die atomare Struktur der Probe verrät. Bei der Bestimmung der Schwingungsfrequenzen kommen den Jülicher Forschern gleich zwei Dinge zugute. Weil das Erdmagnetfeld einhunderttausendmal schwächer ist, als die starken Magnetfelder gängiger Kernspin-Anlagen, kreiseln die Kerne entsprechend langsamer. Das erleichtert die Messung und macht teure Hochfrequenzelektronik überflüssig. Außerdem ist das Erdmagnetfeld homogener als alle künstlich erzeugten starken Magnetfelder. Für die taumelnden Atomkerne bedeutet das: Sie können länger ungestört kreiseln. Das erhöht die Frequenzauflösung.

Die Jülicher Forscher haben mit ihrem mobilen Scanner in verschiedenen chemischen Verbindungen die Kernresonanzen von Wasserstoff, Lithium, Fluor und Silizium gemessen. Bei manchen Substanzen konnten sie sogar Strukturen sichtbar machen, die selbst den besten kommerziellen Geräten verborgen bleiben. Wirkliche Sorgen um den Absatz ihrer teuren Maschinen müssen sich die Hersteller aber noch nicht machen. Denn noch ist das neue Verfahren nicht ganz so universell einsetzbar. Nichtsdestotrotz könnte es einer völlig neuen Generation preiswerter und mobiler Sensoren den Weg ebnen. Mögliche Anwendungen gebe es reichlich, sagt Stephan Appelt. Zum Beispiel in der Geophysik:

"Wir könnten so ein Gerät, das sehr sensitiv auf Magnetfelder ist, zum Beispiel dazu einsetzen, winzig kleine Schwankungen des Erdmagnetfeldes großflächig messen - so mit dem Hintergrund, die Erde abzumessen, was in ihrem Inneren geschieht. Das wäre in der Erdbebenforschung zum Beispiel interessant. Eine andere Anwendung, die ich mir gut vorstellen kann, ist chemische Analyse im Freien und mobil, beispielsweise im Erdölgeschäft, wo man auf die Schnelle eine hochgenaue Analyse des Erdöls haben möchte - vor Ort, ohne dass man es dann zu einem teuren supraleitenden Magneten transportieren müsste."

Bislang haben die Jülicher Forscher allerdings alle Messungen in einem entlegenen Forst gemacht - denn schon ein Schraubenzieher in der Nähe beeinflusst das Ergebnis. Vor dem Einsatz auf einer Bohrinsel oder einem Förderschiff müsste die ganze Anordnung deshalb magnetisch abgeschirmt und das Erdmagnetfeld durch ein künstlich erzeugtes schwaches Feld im Gerät ersetzt werden. Im Prinzip aber kein Problem, glauben die Forscher und hoffen, in spätestens vier Jahren soweit zu sein.

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