室溫超導(dǎo)將怎樣改變我們的生活

○王 萱

不久前，韓國(guó)科學(xué)家聲稱研究出了世界上首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體。此消息一出，立即引來了世界各國(guó)科學(xué)家們的“復(fù)現(xiàn)潮”。那么，如果室溫超導(dǎo)材料真的被發(fā)現(xiàn)，會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生哪些影響呢？

室溫常壓

韓國(guó)科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)，就是指合成出了室溫常壓超導(dǎo)體“改性的鉛磷灰石LK-99”。所謂室溫超導(dǎo)，即在室溫條件下實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。

顧名思義，它大致可分為室溫和超導(dǎo)兩部分來分析。室溫并不是指我們平常所講的室內(nèi)溫度，而是指0 ℃；而超導(dǎo)就是超級(jí)能導(dǎo)電的意思。因此，室溫超導(dǎo)體就是指能夠在0 ℃以上溫度中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的物體。

注意，這里我們還忽略了一個(gè)環(huán)境壓力的問題。目前科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種叫“層狀釔-鈀-氫”的材料，能夠在-10 ℃的環(huán)境中、187 GPa 的超高壓力下保持超導(dǎo)特性。187 GPa 壓力是什么概念呢？簡(jiǎn)單地說，1 GPa 壓力 相 當(dāng)于9 869.2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

因此，如果能夠發(fā)現(xiàn)一種在常溫常壓下具有超導(dǎo)表現(xiàn)的材料，無疑是人類歷史上里程碑式的突破。所以，室溫超導(dǎo)也被稱為現(xiàn)代物理學(xué)上的“圣杯”之一。

超級(jí)能導(dǎo)電的超導(dǎo)體還擁有零電阻和完全抗磁性這兩個(gè)特性。所謂零電阻是指科學(xué)家在某些材料中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其低于一定溫度時(shí)，電阻突然消失，出現(xiàn)超導(dǎo)特性。由于沒有了電阻，電流在此物體中傳導(dǎo)就不會(huì)產(chǎn)生其他的損耗，比如發(fā)熱等。

所謂完全抗磁性，是指超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。以現(xiàn)在的高溫（注意：這里的“高溫”不是我們普通認(rèn)識(shí)中的高溫，而是相對(duì)于原來超導(dǎo)所需的超低溫——一般在-200 ℃以下——而言）超導(dǎo)體來說，放一個(gè)磁鐵在其上面，當(dāng)溫度降低到它產(chǎn)生超導(dǎo)特性，成為超導(dǎo)體的時(shí)候，由于它的內(nèi)部不允許有任何磁場(chǎng)，所以必然產(chǎn)生一個(gè)和磁鐵相反的磁場(chǎng)，最后你就會(huì)看到磁鐵上升到超導(dǎo)體上方一定距離處懸浮起來。

簡(jiǎn)而言之，世界各國(guó)科學(xué)家所謂的“復(fù)現(xiàn)”，其實(shí)主要就是檢測(cè)韓國(guó)科學(xué)家搞出來的“ 改性的鉛磷灰石LK-99”是否真正同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性。

核磁共振

核磁共振波譜儀是利用核磁共振現(xiàn)象制成的一種用于醫(yī)學(xué)檢查的成像設(shè)備，目前在我國(guó)二級(jí)以上醫(yī)院一般都有配備。但是，使用核磁共振的費(fèi)用可不便宜。檢查身體的一個(gè)部位價(jià)格在500元以上，檢查頭頸血管、全脊柱價(jià)格則在1 500 元以上。那么，這核磁共振為啥這么貴呢？

那是因?yàn)獒t(yī)院使用的核磁共振波譜儀需要經(jīng)常添加液氦、液氮等冷卻劑，其維護(hù)、使用成本都很高。由于核磁共振波譜儀里面使用的是高溫超導(dǎo)體，必須使其保持在一定溫度以下才具有超導(dǎo)性，所以只有定期添加制冷劑才能保證其正常運(yùn)行。

更有意思的是，加注液氮僅僅只是為了減緩機(jī)器內(nèi)部液氦的揮發(fā)速度。真正對(duì)高溫超導(dǎo)體起到冷卻作用的其實(shí)是液氦，但液氦價(jià)格昂貴，所以工程師才想出了用液氮來冷卻液氦、再用液氦冷卻高溫超導(dǎo)體的“笨辦法”。一般來說，液氦三到六個(gè)月添加一次，而液氮?jiǎng)t一到兩周就得添加一次。

如果室溫常壓超導(dǎo)材料被應(yīng)用到核磁共振波譜儀中，那么我們就能獲得更為穩(wěn)定、更為持久，也更強(qiáng)的磁場(chǎng)，從而使得核磁共振成像的質(zhì)量和分辨率更高。最為重要的是，室溫常壓超導(dǎo)材料不需要定時(shí)添加制冷劑，也就能夠大大降低核磁共振波譜儀的運(yùn)行成本。

磁懸浮列車

自從磁懸浮列車投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)以來，其高昂的建設(shè)成本，復(fù)雜的技術(shù)設(shè)備要求，以及苛刻的運(yùn)行條件都成為了制約其發(fā)展的重要因素。比如，電磁懸浮列車需要通電后才能懸浮，電動(dòng)懸浮列車需要?jiǎng)悠饋砗蟛拍軕腋。邷爻瑢?dǎo)磁懸浮列車則需要液氮制冷后才能懸浮。因此，目前絕大多數(shù)磁懸浮列車線路都是處于虧損狀態(tài)，被戲稱為“賠本賺吆喝”項(xiàng)目之典范。

如果室溫常壓超導(dǎo)材料被應(yīng)用到磁懸浮列車上，那么目前所存在的軟肋問題，基本上都能夠迎刃而解。比如，可以大幅度降低建設(shè)、運(yùn)行成本，大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備以及維護(hù)程序，從而實(shí)現(xiàn)盈利。

但最主要的是，就磁懸浮列車的特性而言，室溫常壓超導(dǎo)材料的應(yīng)用還能極大降低能耗、噪音，并且使其達(dá)到更快的速度。對(duì)于普通乘客而言，最直觀的差別就是，傳統(tǒng)磁懸浮列車在靠站后都不會(huì)懸浮于軌道之上，而室溫常壓超導(dǎo)磁懸浮列車不論是停下來還是動(dòng)起來，都是懸浮在軌道上面。

長(zhǎng)途超導(dǎo)輸電

大家一定聽說過“西電東送”工程，它大致就是把水能資源豐富的西部省區(qū)的水能轉(zhuǎn)化成電力資源，然后輸送到電力緊缺的東部沿海地區(qū)。然而，大家不知道的是，在西電東送的過程中電力的損耗是相當(dāng)驚人的。即便是我們研發(fā)、使用了最先進(jìn)的特高壓直流輸電技術(shù)，電力損耗仍然在6%左右。僅南方電網(wǎng)2022 年“西電東送”的電量就高達(dá)2 156 億千瓦時(shí)，全國(guó)所有電網(wǎng)的損耗該是多么巨大的數(shù)字。

2021 年12 月，國(guó)家電網(wǎng)在上海建設(shè)的35 千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜示范工程投入運(yùn)行，這是目前全球距離最長(zhǎng)、輸送容量最大、接頭數(shù)量最多的全商業(yè)化運(yùn)行超導(dǎo)輸電工程。雖然它的長(zhǎng)度僅1.2 千米，但在直流輸電中，它的電網(wǎng)線損能可降低70%以上。

高溫超導(dǎo)輸電是在-196 ℃的液氮環(huán)境中，利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性來實(shí)現(xiàn)零損耗大容量輸電。但是，目前實(shí)現(xiàn)的千米級(jí)超導(dǎo)輸電，對(duì)于線路長(zhǎng)度超過2 000 千米的“西電東送”項(xiàng)目來說，不過是“萬里長(zhǎng)征邁出了第一步”。

如果室溫常壓超導(dǎo)材料被應(yīng)用到長(zhǎng)途輸電中，那么不但工藝簡(jiǎn)單、架設(shè)方便，更能極大減少電力傳輸中的損耗。以南方電網(wǎng)2022 年“西電東送”的電量來計(jì)算，假設(shè)室溫常壓超導(dǎo)輸電的損耗能降低到1%左右，則可將電力損耗減少至僅有21 億千瓦時(shí)。

室溫常壓超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如應(yīng)用到芯片上，就能解決芯片發(fā)熱的問題，從而提高計(jì)算速度；應(yīng)用到核聚變中，就能更為穩(wěn)定、高效地控制核聚變反應(yīng)……隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信我們一定能夠找到并制造出適用的室溫超導(dǎo)材料。