高溫超導體的五大應用場景

編譯 許林玉

高溫超導帶在眾多應用中前景廣闊

1911 年，荷蘭物理學家海克 · 卡末林 · 昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）將一根汞線放入液氦中之后，發現汞線的電阻隨即消失。這意味著這根汞線已經變成了“超導體”。

數十年來，由于引起超導性所需的溫度極低而壓力極高，超導體的實用價值一直受到限制。但1986年高溫超導性的發現，為其更廣泛的應用鋪平了道路。

“高溫”并非指室溫，而是指溫度高于液氮沸點196℃，此時材料具有超導性。最近，新的材料和結構正在提高這些超導體可以工作的溫度，使它們更容易使用。這種最新一代的超導材料因能產生高磁場而備受推崇。

休斯頓大學得克薩斯超導中心的應用研究部門負責人文卡特 · 塞爾瓦馬尼卡姆（Venkat Selvamanickam）介紹道：“過去15年，研究重點已轉向更多地將其用作高場超導體，而不是高溫超導體。”

得益于高溫超導體產生的高磁場，核聚變能源也許終有一天會變成現實。不過，這些材料可能很快就會出現在各種實際應用中，包括風力發電、能量存儲和核磁共振設備等。如果工程師能夠解決相關問題，它們將使人們的日常生活發生翻天覆地的變化。下面將介紹高溫超導體的五種新興用途。

能量存儲

與使用化學物質存儲能量的傳統電池不同，超導磁儲能裝置（SMES）利用超導材料線圈中直流電流產生的磁場存儲能量。線圈充電后，只要保持冷卻狀態，能量就可以無限期存儲起來，而且幾乎不會衰減。存儲的能量隨著磁場強度的平方而增加，也就是說，磁場強度每增加一倍，系統就能存儲四倍的能量。這類系統幾乎可以在瞬間釋放大量能量，因此可以在公用電網、粒子加速器以及采用敏感、高速工藝的工業系統中發揮重要作用。

兼具超導磁儲能裝置超快放電與電池較高能量密度兩大優勢的混合存儲系統是一個前景廣闊的研究領域。與其他高溫超導應用一樣，低溫冷卻會增加成本，而且需要堅固的機械結構才能承受磁體線圈產生的洛倫茲力。

概念驗證 布魯克海文國家實驗室和ABB公司領導的研究團隊利用高溫超導建立了一個磁儲能系統。2014年，該系統產生的磁場達到12.5特斯拉。此后，由于材料成本高昂，研究工作被迫停滯。

布魯克海文國家實驗室的儲能裝置利用了超導材料線圈中直流電流產生的磁場

感應加熱器

加熱鋁錠、鍛造有色金屬和熔煉高端合金的工業流程需要消耗大量能源。高溫超導感應加熱器有望將能耗和溫室氣體排放量減半。

目前，一款高溫超導感應加熱器正在逐步實現商業化。它可以使金屬錠在磁場中旋轉，從而在金屬內部產生渦流。在傳統的感應加熱過程中，這些電流很難穿透金屬錠。而高溫超導系統的強磁場可增強穿透力，從而使加熱更快速、更均勻。

值得關注的項目 2023年4月，中國公司聯創光電在哈爾濱一家工業設施中安裝了世界首臺兆瓦級高溫超導感應加熱器。如果采用傳統方法，需要至少9個小時才能將一塊500千克的鋁錠從20°C加熱至403°C。而使用新型高溫超導感應加熱器，這一過程只需約10分鐘。

航空

在航空中使用電力推進的最大挑戰在于功率重量比：傳統的電力系統無法在不增加飛機重量的情況下產生足夠的推力。高溫超導材料體積小、重量輕，具有高功率密度和高效率，還能減輕飛行控制、通信和電力電子設備等其他電氣系統的重量。不過，為保證飛行安全，未來的高溫超導飛機必須配備冗余系統，以防止高溫超導材料溫度升高時可能出現的失磁現象。

值得關注的項目 空客公司正在研發一款使用液氫作為冷卻劑和燃料的超導電機。其ASCEN D項目旨在演示驗證一種配備超導電機和低溫冷卻系統的動力系統。計算結果顯示，該系統的重量僅為傳統電力飛機推進系統的1/3到1/2，卻能實現高達97%的傳動效率。這一概念的基礎是使用液氫作為冷卻劑兼燃料。空客尚未透露將如何生產氫氣，但該公司確實參與了氫氣可再生資源的行業研究。

專為風力渦輪機研發的EcoSwing緊湊型發電機使用數千米長的帶狀高溫超導材料，其功率密度為銅的100倍

超導風力發電機

在過去幾十年中，風力發電機的功率從1985年的50千瓦飆升至現在的15兆瓦。這要歸功于配備了更大磁體的大渦輪機——它們可以產生更強的電磁場。但對效率的追求卻正在遭遇阻力，因為在通常情況下，發電機的功率越大，重量就越重。此外，永磁發電機中使用的稀土元素（如釹和鏑）也面臨供應短缺問題。

高溫超導技術為實現新一代高效、低成本渦輪機提供了一條前景廣闊的道路。用超導線圈取代永磁體可以產生更強的磁場，將發電機的重量減半，并最大限度地減少對稀土的需求。

概念驗證 由歐盟資助的EcoSwing項目于2019年完工，該項目在丹麥北海沿岸安裝了一臺3.6兆瓦的風力發電機，其中包含長達20千米由釓、鋇和銅氧化物制成的高溫超導電線。該發電機的重量比傳統機組輕40%，機艙（即包裹發電機和其他機械設備的殼體）體積小25%。高溫超導線圈材料仍然昂貴，但隨著技術日趨成熟，成本應該能夠降下來。

醫療診斷與研究

磁共振成像具有卓越的軟組織成像性能，并且不產生電離輻射，因此成為備受青睞的醫療診斷工具。但磁共振成像異常昂貴——收到過磁共振成像賬單的人都知道這一點。為了將超導磁體冷卻至 269°C，如今的儀器通常使用日益稀缺的液氦。

高溫超導線圈可減小設備尺寸、減輕其重量并降低能耗，因此如果成本降低，就能成為氦冷卻磁共振成像磁體的可持續替代品。目前，高溫超導技術已被應用于核磁共振設備，用于在分子水平上對材料進行研究。由于磁場較高，高溫超導技術可以顯著提高信噪比，從而獲得更詳細、更精確的成像。

值得關注的項目 科學儀器制造商布魯克公司的最新光譜儀在低溫超導外線圈之間夾著一個高溫超導體內線圈，實現了28.2 T的磁通密度——這幾乎是地球磁場強度的60萬倍。

資料來源IEEESpectrum