高溫超導讓列車“輕如樹葉”

李迪 陳科

隨著超導材料性能不斷提高和完善，科學家們正在積極開展高溫超導應用技術的研究，其中誕生了一個重要領域的研究應用——高溫超導磁浮列車技術。就在本月13日，具有完全自主知識產(chǎn)權的，世界首條高溫超導高速磁浮樣車及試驗線，在西南交通大學下線。此次下線的世界首臺高溫超導高速磁浮工程化樣車重達12.5噸，但是它就像是一片漂浮于水面的葉子，僅用手就能輕松向前推動。為何如此神奇？答案就是：高溫超導磁浮技術使它實現(xiàn)了靜止懸浮。

12.5噸列車實現(xiàn)靜止懸浮

高溫超導體的電阻近似為0。因此產(chǎn)生的感應電流會在超導體內(nèi)一直循環(huán)下去，而感應電流產(chǎn)生的磁場與軌道磁場方向相反，將相互作用產(chǎn)生懸浮力。“磁浮根據(jù)懸浮力的產(chǎn)生原理不同，主要分為電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導磁懸浮。最常見的是電磁懸浮，它的基本原理就是‘電生磁，即通電后產(chǎn)生懸浮。”西南交通大學教授鄧自剛說，此外電動懸浮，顧名思義就是“動生電”，即運動起來后產(chǎn)生懸浮。

而低溫超導電動懸浮是利用車載低溫超導磁體與閉合“8”字形線圈的相對運動，在線圈中感應出渦流，渦流再產(chǎn)生感應磁場，感應磁場與磁體磁場互相作用產(chǎn)生電磁力，從而實現(xiàn)懸浮。

當前，我國已成為世界高鐵大國，技術、裝備、建設和運營達到國際先進水平。在磁浮列車技術上，西南交通大學正在持續(xù)推進原創(chuàng)的高溫超導磁浮列車技術。

據(jù)鄧自剛介紹，高溫超導磁浮技術利用了非理想第二類高溫超導體在混合態(tài)中的磁通釘扎特性，實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮導向一體化。因此，高溫超導磁浮也被稱為“高溫超導釘扎懸浮”。

他表示，高溫超導磁浮還有一個顯著的特點——列車前進方向的磁阻力幾乎為0?！霸谶@些優(yōu)勢的加持下，高溫超導才能幫助磁浮列車實現(xiàn)‘奔跑，甚至更適合未來交通的超高速應用?！?h3>高溫超導材料“捆綁”磁力線

處于超導態(tài)的高溫超導塊材向永磁體逐漸靠近，外界磁場以磁通量子束形式開始進入超導體內(nèi)，釘扎中心周圍超導區(qū)域將產(chǎn)生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束。

據(jù)介紹，目前任何一種磁浮列車制式都能實現(xiàn)懸浮、導向、驅動這三項最重要的功能。鄧自剛解釋，導向也可以用“感生電”來解釋，更形象的解釋是高溫超導材料具有磁通釘扎特性，對磁力線有束縛作用，從而實現(xiàn)導向功能。

“由于超導體在軌道上方，磁力線將穿透超導體，但如果磁力線被釘扎在超導體里面，要想移動超導體，它就會產(chǎn)生一個回復力，阻礙車體的移動，所以說回復力會起到導向作用，使列車不會發(fā)生脫軌?！彼f。

具體來看，高溫超導體材料制備過程中產(chǎn)生的位錯、沉淀物等缺陷，形成位能勢阱。將正常態(tài)的超導塊材放入磁場中，此時磁場能夠穿過塊材，塊材進行冷卻進入超導態(tài)后，位能勢阱會阻止磁通線移動，對磁通線進行“束縛”，也就是磁通釘扎效應。處于超導態(tài)的高溫超導塊材向永磁體逐漸靠近，外界磁場以磁通量子束形式開始進入超導體內(nèi)，在其通過的路徑上遇到結構缺陷等（釘扎中心），釘扎中心周圍超導區(qū)域將產(chǎn)生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束，宏觀上表現(xiàn)為自穩(wěn)定懸浮現(xiàn)象。

從驅動功能方面來說，磁浮列車都是依靠直線電機進行牽引，直線電機產(chǎn)生一個行波磁場，然后拉著列車不停地“奔跑”。直線電機與車體之間也沒有接觸，由車上永磁體組成的動子和線路上線圈組成的定子構成，兩者相互作用，產(chǎn)生牽引力或制動力。

當然，磁浮列車的底部裝有懸浮裝置，被稱為“杜瓦”。杜瓦里面有超導材料，可以把它理解為列車的“車輪”。因此，要讓列車懸浮，車載高溫超導材料、地面永磁軌道和液氮三要素必不可少。