De onzichtbare technologie van vloeibare magneten

R.E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics, Cambridge 1985.

Men ziet ze niet, maar ze worden overal om ons heen gebruikt: magnetische vloeistoffen, ook wel ferrovloeistoffen of ferrofluids genoemd. Het zijn colloidale oplossingen van magnetische deeltjes, die zowel de eigenschappen van een magneet hebben als die van een vloeistof. Ze kunnen dus krachten overbrengen en tevens iedere vorm aannemen. Met behulp van een magnetische kracht kunnen ze op die plaats worden gehouden waar ze hun specifieke werk moeten verrichten. Het aantal bekende toepassingen loopt in de duizenden.

Menig uitvinder heeft in het verleden gedroomd over vloeibare magneten: stoffen die zich gedragen als magnetiseerbaar ijzer, maar tevens vloeibaar zijn. Al anderhalve eeuw geleden wist men dat een suspensie van ijzer-, nikkel- of magnetietpoeder in water met zeep een magnetiseerbare vloeistof oplevert. Die bleef echter niet lang bestaan: de deeltjes zakten naar de bodem en voor het gebruik moest dus telkens worden geschud.

Dus probeerde men de deeltjes zo klein te maken dat ze niet noemenswaardig sedimenteerden. Maar dan kleefden ze onder invloed van elektrostatische en magnetische krachten zo sterk aan elkaar, dat ze ook door krachtig roeren niet meer te scheiden waren. Pas in 1965 ontdekte de cp,8,9.5 NASAcp,9.5 -onderzoeker Stephen Papell een manier om het samenklitten (coaguleren) van de deeltjes te voorkomen. Ieder deeltje kreeg een manteltje van oliezuur, een onverzadigd vetzuur, die verhinderde dat de deeltjes aan elkaar gingen plakken.

Papell vroeg en kreeg patent op zijn uitvinding. Drie jaar later werd in Nashua (New Hampshire) door Ronald Moskowitz en Ronald Rosensweig de Ferrofluidics Corporation opgericht, voor de verdere ontwikkeling en toepassing van wat nu een "onzichtbare technologie' wordt genoemd. De onderneming met dochters in Duitsland, Engeland en Italie en licensies in Israel en Japan heeft het grootste deel van de wereldmarkt van magnetische vloeistoffen in handen. tk Verbrandingskamer Zoals vele andere uitvindingen hebben ook magnetische vloeistoffen hun ontwikkeling te danken aan militaire behoeften. Men wilde proberen in een raket de brandstoffen met behulp van magnetische krachten van tank naar verbrandingskamer te transporteren, zonder gebruikmaking van pompen. Maar deze toepassing is nooit van de grond gekomen.

De meeste magnetische vloeistoffen worden bereid uit magnetiet; soms gaat men uit van ijzer, nikkel of kobalt. De fabricage is een tijdrovend proces. Bij de meest gangbare techniek wordt het magnetiet ongeveer 40 dagen lang in kogelmolens gemalen. Dit gebeurt in aanwezigheid van een polymeer-oplossing (zoals een oliezuur of een fosforzuur-derivaat) en een "dragervloeistof' (water, een ester of een koolwaterstof). De oplossing wordt enkele malen gecentrifugeerd totdat de deeltjes de gewenste grootte hebben.

De details van het produktieproces zijn geheim, net als bij de tweede bereidingswijze: het uitkristalliseren van magnetietdeeltjes in een mengsel van ijzerchloride en natronloog, eveneens in aanwezigheid van een polymeer en een dragervloeistof. Het eindprodukt is in beide gevallen een colloidale oplossing van magnetietdeeltjes met een polymeerhuidje. De deeltjes hebben een diameter van 4 tot 10 nanometer (1 nm is een miljoenste millimeter) en hun huidje is ongeveer 2 nm dik.

Door de tijdrovende bereidingswijze zijn magnetische vloeistoffen betrekkelijk kostbaar. Een liter kost, al naar gelang de kwaliteit en samenstelling, duizend tot tienduizend gulden. Bij sommige toepassingen heeft men echter al aan een paar druppels genoeg. Qua prijs en eigenschappen lijken magnetische vloeistoffen veel op oostindische inkt: een waterige oplossing van koolstofdeeltje met een oppervlak van beenderlijm.

Het aantal toepassingen van ferrofluids is enorm en neemt nog steeds toe. "Men moet bedenken dat de vloeistoffen en toepassingen die in dit artikel worden besproken door verschillende patenten en fabrieksgeheimen worden beschermd', waarschuwen K. Ray en R. Moskowitz in een artikel in het Journal of Magnetism and Magnetic Materials. In de afgelopen 25 jaar zijn al 1700 patenten verleend. De bekendste toepassingen zijn afdichting, demping, lagering en detectie.

Vloeibare O-ring

Bij draaiende assen geven klassieke afdichtingsmaterialen, zoals kunststoffen en metaalfolies, wrijvingsverliezen en slijtage. Bij gebruik van een magnetische vloeistof is dat niet het geval. In de af te dichten luchtspleet rond de as wordt wat vloeistof aangebracht, die door een magneetje op zijn plaats wordt gehouden. Alle deeltjes richten zich langs de lijnen van het magnetische veld. Zo ontstaat een vloeibare O-ring rond de as, die een luchtdichte en wrijvingsloze afdichting garandeert. Zo'n magnetische vloeistof wordt toegepast in allerlei instrumenten en apparaten waarin de afdichting van een roterende as absoluut geen stof of gas mag doorlaten, zoals in disk-drives van computers, bij de halfgeleider-fabrikage, in cp,8,9.5 CATcp,9.5 -scanners, robot-instrumenten en pompen voor chemische stoffen. Met twee van zulke O-ringen kan een drukverschil van 1 atmosfeer worden overbrugd. Grotere drukverschillen of betere vacua vereisen meer ringen.

Magnetische vloeistoffen worden ook gebruikt voor het dempen van ongewenste trillingen en het verbeteren van de "dynamische respons'. In die hoedanigheid ziet men ze onder andere in zogeheten stappenmotoren: digitale omzetters, vaak bestuurd door een microprocessor, die elektrische pulsen omzetten in een stapsgewijze beweging. Zijn worden gebruikt in apparaten als actuatoren, plotters, projectoren en robots.

De grootste markt op dit gebied is echter de luidsprekermarkt, vooral in auto's. In een luidspreker wordt een toonspoel in een sterk magnetisch veld in trilling gebracht door de signalen van een versterker. Deze spoel heeft echter ook een eigentrilling. Door de luchtspleet tussen toonspoel en magneet met magnetische vloeistof af te dichten, worden de eigentrillingen gedempt en wordt de toonspoel bovendien gekoeld. Dit laatste is van belang wanneer de volumeknop te hoog staat en de spoel zijn energie niet snel genoeg kwijt kan aan de lucht.

In veel roterende systemen, zoals gyroscopen en disk-drives van computers, is ook een zeer hoge mate van rotatie-precisie vereist. Deze tracht men te bereiken met kogel-, lucht- en olielagers. Al deze systemen hebben echter hun beperkingen en nadelen. Een hydrodynamische lagering met behulp van een magnetische vloeistof is eenvoudig en levert een hoge precisie. Bovendien doet de vloeistof dan tevens dienst als afdichting.

Levitatie

Een opmerkelijk verschijnsel in magnetische vloeistoffen is de magnetische levitatie. Men kan een permanente magneet in een magnetische vloeistof laten zweven en zijn positie regelen met behulp van een uitwendig magnetisch veld. Met behulp van deze techniek kan men instrumenten bouwen waarmee nauwkeurig hoeken en versnellingen kunnen worden bepaald: inclinometers en versnellingsmeters. Deze worden onder andere gebruikt tijdens olie- en gasboringen.

Met behulp van een magnetische vloeistof kan men ook niet-magnetiseerbare voorwerpen laten zweven. Zo kan men stoffen van verschillende dichtheid scheiden, een techniek die onder andere wordt gebruikt voor het "zeven' van diamant uit gesteente en het sorteren van afvalprodukten en zelfs het scheiden van emulsies. Als men een mengsel van olie, water en een magnetische vloeistof door een inhomogeen magnetisch veld zuigt, kunnen olie en water van elkaar worden gescheiden.

Wordt een vat met vloeistof aan de onderkant verwarmd, dan vindt er convectie plaats die de warmte omhoog brengt. Met behulp van een uitwendig magnetisch veld kan deze warmtebeweging verder worden versterkt. Dit effect kan worden gebruikt voor het afvoeren van warmte van elektromotoren, transformatoren en andere elektrische apparaten die zelf een magnetisch veld opwekken.

Een groot aantal toepassingen ligt mogelijk op medisch gebied. Men kan onder andere denken aan "magnetische spieren' en het door het lichaam verplaatsen van medicinale stoffen met behulp van een magnetische vloeistof. Deze medische toepassingen bevinden zich echter alle nog in het ontwikkelingsstadium. De problemen zijn hier vooral van biochemische aard: de polymeer-manteltjes van de magnetische deeltjes mogen geen afstotingsreacties in het lichaam teweeg brengen.

Onzichtbare techniek

Magnetische vloeistoffen vormen een vrij nieuwe, bijna onzichtbare techniek met fascinerende toepassingsmogelijkheden die lang nog niet alle zijn ontdekt. Momenteel wordt er dan ook veel onderzoek aan verricht, zowel wat betreft hun fundamentele eigenschappen als hun gedrag onder uiteenlopende praktijksituaties.

De statische eigenschappen van deze vloeistoffen worden bestudeerd in de ferrohydrostatica. Boven bepaalde magnetische veldsterkten kan het grensvlak van een magnetische vloeistof en een niet-magnetische stof onstabiel worden en ontstaan er karakteristieke structuren die men niet bij andere vloeistoffen kent. Twee bekende voorbeelden zijn de stekel- structuur (aan het grensvlak vloeistof-vloeistof of vloeistof-lucht) en de labyrint-structuur (in een vloeistof in een nauwe ruimte), beide genoemd naar hun vorm.

De stromingsverschijnselen in magnetische vloeistoffen behoren tot het terrein van de ferrohydrodynamica. Hier is onderzoek vooral gericht op de vraag onder welke omstandigheden zulke stromingen onstabiel worden en welke rol temperatuur en middelpuntvliedende kracht hierbij spelen. Ook bestudeert men gestimuleerde stromingen van magnetische vloeistoffen in gewichtloze toestand. Dit onderzoek wordt onder andere verricht op de universiteit van Munchen met behulp van raketten die vanuit Kiruna in Zweden worden gelanceerd: het TEXUS-programma (Technologische Experimenten unter Schwerelosigkeit).