列車竟然“輕如樹葉” 神力源自高溫超導(dǎo)

超導(dǎo)體導(dǎo)電能力是常規(guī)導(dǎo)體銅線的幾十倍以上。在磁浮軌道交通系統(tǒng)中使用超導(dǎo)磁體，可產(chǎn)生更大的懸浮力、導(dǎo)向力和驅(qū)動(dòng)力，且更加節(jié)能、環(huán)保。

鄧自剛

西南交通大學(xué)教授

隨著超導(dǎo)材料性能不斷提高和完善，科學(xué)家們正在積極開展高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究，其中誕生了一個(gè)重要領(lǐng)域的研究應(yīng)用——高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)。

作為革命性的技術(shù)創(chuàng)造，高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)在我國已有相關(guān)研究最新進(jìn)展。就在本月13日，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮樣車及試驗(yàn)線，在西南交通大學(xué)下線。這標(biāo)志著高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究從無到有的突破，具備了工程化試驗(yàn)示范條件。

此次下線的世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車重達(dá)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(dòng)。為何如此神奇?答案就是：高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)使它實(shí)現(xiàn)了靜止懸浮。

12.5噸重列車輕松實(shí)現(xiàn)靜止懸浮

高溫超導(dǎo)體的電阻近似為0。因此產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)一直循環(huán)下去，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與軌道磁場(chǎng)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(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)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(xué)教授鄧自剛說，此外電動(dòng)懸浮，顧名思義就是“動(dòng)生電”，即運(yùn)動(dòng)起來后產(chǎn)生懸浮。

關(guān)于電動(dòng)懸浮，目前日本的低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)已相對(duì)成熟并正在建設(shè)商業(yè)運(yùn)行線。在2015年，日本低溫超導(dǎo)磁浮列車創(chuàng)下了時(shí)速603公里的速度紀(jì)錄，之后商業(yè)應(yīng)用的速度達(dá)到時(shí)速505公里。

而低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮是利用車載低溫超導(dǎo)磁體與閉合“8”字形線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在線圈中感應(yīng)出渦流，渦流再產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)與磁體磁場(chǎng)互相作用產(chǎn)生電磁力，從而實(shí)現(xiàn)懸浮。

當(dāng)前，我國已成為世界高鐵大國，技術(shù)、裝備、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。在磁浮列車技術(shù)上，西南交通大學(xué)正在持續(xù)推進(jìn)原創(chuàng)的高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)。

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

高溫超導(dǎo)磁浮的工作原理是：在外磁場(chǎng)中，高溫超導(dǎo)體獨(dú)有的強(qiáng)釘扎能力使得磁力線既難逃離釘扎中心的束縛(對(duì)于已經(jīng)被俘獲的磁力線)也難滲透進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)(對(duì)于未被俘獲的自由磁力線)。這種獨(dú)特的釘扎特性使得超導(dǎo)體能夠隨外磁場(chǎng)的變化而感應(yīng)出阻礙這種變化的超導(dǎo)強(qiáng)電流。這種超導(dǎo)電流與外磁場(chǎng)的電磁相互作用，在宏觀上產(chǎn)生與懸浮體自身重力平衡的懸浮力，并提供橫向穩(wěn)定所需的導(dǎo)向力。

與常規(guī)導(dǎo)體不同，高溫超導(dǎo)體的電阻近似為0。因此產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)一直循環(huán)下去，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與軌道磁場(chǎng)方向相反，將相互作用產(chǎn)生懸浮力。因“感生電”原理，車載懸浮系統(tǒng)和軌道都不需要供電。

“列車懸浮起來后，保持懸浮狀態(tài)，唯一需要的是液氮，液氮使超導(dǎo)材料一直處于超導(dǎo)工作狀態(tài)。”鄧自剛說，空氣中78%都是氮?dú)猓砸旱杀据^低，同時(shí)也節(jié)能環(huán)保。

他表示，高溫超導(dǎo)磁浮還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)——列車前進(jìn)方向的磁阻力幾乎為0。“在這些優(yōu)勢(shì)的加持下，高溫超導(dǎo)才能幫助磁浮列車實(shí)現(xiàn)‘奔跑’，甚至更適合未來交通的超高速應(yīng)用。”

高溫超導(dǎo)材料能“捆綁”磁力線

處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體逐漸靠近，外界磁場(chǎng)以磁通量子束形式開始進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，釘扎中心周圍超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(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(shí)現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)這三項(xiàng)最重要的功能。鄧自剛解釋，導(dǎo)向也可以用“感生電”來解釋，更形象的解釋是高溫超導(dǎo)材料具有磁通釘扎特性，對(duì)磁力線有束縛作用，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。

“由于超導(dǎo)體在軌道上方，磁力線將穿透超導(dǎo)體，但如果磁力線被釘扎在超導(dǎo)體里面，要想移動(dòng)超導(dǎo)體，它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回復(fù)力，阻礙車體的移動(dòng)，所以說回復(fù)力會(huì)起到導(dǎo)向作用，使列車不會(huì)發(fā)生脫軌。”他說。

具體來看，高溫超導(dǎo)體材料制備過程中產(chǎn)生的位錯(cuò)、沉淀物等缺陷，形成位能勢(shì)阱。將正常態(tài)的超導(dǎo)塊材放入磁場(chǎng)中，此時(shí)磁場(chǎng)能夠穿過塊材，塊材進(jìn)行冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，位能勢(shì)阱會(huì)阻止磁通線移動(dòng)，對(duì)磁通線進(jìn)行“束縛”，也就是磁通釘扎效應(yīng)。處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體逐漸靠近，外界磁場(chǎng)以磁通量子束形式開始進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，在其通過的路徑上遇到結(jié)構(gòu)缺陷等(釘扎中心)，釘扎中心周圍超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(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(qū)動(dòng)功能方面來說，磁浮列車都是依靠直線電機(jī)進(jìn)行牽引，直線電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)，然后拉著列車不停地“奔跑”。直線電機(jī)與車體之間也沒有接觸，由車上永磁體組成的動(dòng)子和線路上線圈組成的定子構(gòu)成，兩者相互作用，產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力。

當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)材料、地面永磁軌道和液氮三要素必不可少。

“不同的磁浮技術(shù)采用的導(dǎo)體也有所不同，按照所采用的導(dǎo)體材料劃分為常導(dǎo)磁懸浮、高溫超導(dǎo)磁懸浮和低溫超導(dǎo)磁懸浮。常導(dǎo)磁懸浮使用的是常規(guī)導(dǎo)體材料，比如銅或鋁;高溫超導(dǎo)磁懸浮和低溫超導(dǎo)磁懸浮使用的是超導(dǎo)材料。”鄧自剛介紹，此次高溫超導(dǎo)磁浮列車使用的是釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料。

鄧自剛告訴記者，由于超導(dǎo)體最大的優(yōu)點(diǎn)是沒有電阻，可減少電流傳輸過程中的熱消耗，所以十分節(jié)能，它的導(dǎo)電能力是常規(guī)導(dǎo)體銅線的幾十倍以上。“因此在磁浮軌道交通系統(tǒng)中使用超導(dǎo)磁體，不但可以產(chǎn)生更大的懸浮力、導(dǎo)向力和驅(qū)動(dòng)力，而且更加節(jié)能、環(huán)保。”

此次成功下線的世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮樣車及試驗(yàn)線，鄧自剛表示，結(jié)合西南交通大學(xué)此前建成的真空管道高溫超導(dǎo)磁浮車高速試驗(yàn)臺(tái)，最高試驗(yàn)速度可達(dá)400公里/小時(shí)，目標(biāo)速度將達(dá)到620公里/小時(shí)，可開展高溫超導(dǎo)磁浮車動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)、振動(dòng)、噪聲等方面的研究。

未來室溫超導(dǎo)體更有研究?jī)r(jià)值

現(xiàn)在是用低溫條件換取超導(dǎo)，目前發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)體是用高壓條件換取超導(dǎo)，如果未來能發(fā)現(xiàn)在大氣環(huán)境下工作的室溫超導(dǎo)材料，將會(huì)進(jìn)一步提升磁浮列車研究的應(yīng)用價(jià)值。

據(jù)介紹，超導(dǎo)是指某些材料在溫度降低到某一臨界值以下時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象，而具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。所謂“高溫超導(dǎo)體”，是指臨界溫度在40K(約零下233攝氏度)以上的超導(dǎo)體。

“除了磁浮外，超導(dǎo)材料在眾多領(lǐng)域也有相關(guān)研究應(yīng)用。目前，低溫超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，主要用在醫(yī)學(xué)的核磁共振上。”鄧自剛介紹，超導(dǎo)技術(shù)被稱為21世紀(jì)電力工業(yè)的高技術(shù)儲(chǔ)備，可有效解決當(dāng)前的能源、交通等問題，如今國內(nèi)外正在研究應(yīng)用于高壓線輸電的高溫超導(dǎo)電纜，應(yīng)用于各種設(shè)備的超導(dǎo)電機(jī)等。

“超導(dǎo)電機(jī)重量輕、體積小，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具備特別優(yōu)勢(shì)，所以將超導(dǎo)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電也是目前的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，超導(dǎo)在所有與電相關(guān)的領(lǐng)域，比如信息、檢測(cè)、交通運(yùn)輸、電力技術(shù)等都能廣泛應(yīng)用，有著重要的研究和開發(fā)價(jià)值。”他說。

目前我國正在大力開展超導(dǎo)材料制備及其應(yīng)用研究。而不斷探索更高臨界溫度的超導(dǎo)體，并加強(qiáng)與超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用密切相關(guān)的低溫制冷技術(shù)和低溫系統(tǒng)的研究，是未來的大方向。

值得注意的是，科學(xué)家們正在研究在室溫下沒有電阻和磁場(chǎng)驅(qū)逐的超導(dǎo)材料，也就是室溫超導(dǎo)材料。在最新研究中，科學(xué)家在高達(dá)260萬個(gè)大氣壓的條件下，制作的碳硫氫化材料將此前的超導(dǎo)溫度紀(jì)錄提高到了約15攝氏度，首次在室溫下觀測(cè)到了超導(dǎo)現(xiàn)象。

“我們現(xiàn)在是用低溫條件換取超導(dǎo)，目前發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)體是用高壓條件換取超導(dǎo)，如果未來能發(fā)現(xiàn)在大氣環(huán)境下工作的室溫超導(dǎo)材料，將會(huì)進(jìn)一步提升磁浮列車研究的應(yīng)用價(jià)值。”鄧自剛說。