列車竟然“輕如樹葉” 神力源自高溫超導

超導體導電能力是常規導體銅線的幾十倍以上。在磁浮軌道交通系統中使用超導磁體，可產生更大的懸浮力、導向力和驅動力，且更加節能、環保。

鄧自剛

西南交通大學教授

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。

作為革命性的技術創造，高溫超導磁浮列車技術在我國已有相關研究最新進展。就在本月13日，具有完全自主知識產權的，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。這標志著高溫超導高速磁浮工程化研究從無到有的突破，具備了工程化試驗示范條件。

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了靜止懸浮。

12.5噸重列車輕松實現靜止懸浮

高溫超導體的電阻近似為0。因此產生的感應電流會在超導體內一直循環下去，而感應電流產生的磁場與軌道磁場方向相反，將相互作用產生懸浮力。

“磁浮根據懸浮力的產生原理不同，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”，即運動起來后產生懸浮。

關于電動懸浮，目前日本的低溫超導電動懸浮技術已相對成熟并正在建設商業運行線。在2015年，日本低溫超導磁浮列車創下了時速603公里的速度紀錄，之后商業應用的速度達到時速505公里。

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，渦流再產生感應磁場，感應磁場與磁體磁場互相作用產生電磁力，從而實現懸浮。

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推進原創的高溫超導磁浮列車技術。

據鄧自剛介紹，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中的磁通釘扎特性，實現穩定懸浮導向一體化。因此，高溫超導磁浮也被稱為“高溫超導釘扎懸浮”。

高溫超導磁浮的工作原理是：在外磁場中，高溫超導體獨有的強釘扎能力使得磁力線既難逃離釘扎中心的束縛(對于已經被俘獲的磁力線)也難滲透進入超導體內(對于未被俘獲的自由磁力線)。這種獨特的釘扎特性使得超導體能夠隨外磁場的變化而感應出阻礙這種變化的超導強電流。這種超導電流與外磁場的電磁相互作用，在宏觀上產生與懸浮體自身重力平衡的懸浮力，并提供橫向穩定所需的導向力。

與常規導體不同，高溫超導體的電阻近似為0。因此產生的感應電流會在超導體內一直循環下去，而感應電流產生的磁場與軌道磁場方向相反，將相互作用產生懸浮力。因“感生電”原理，車載懸浮系統和軌道都不需要供電。

“列車懸浮起來后，保持懸浮狀態，唯一需要的是液氮，液氮使超導材料一直處于超導工作狀態。”鄧自剛說，空氣中78%都是氮氣，所以液氮成本較低，同時也節能環保。

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。“在這些優勢的加持下，高溫超導才能幫助磁浮列車實現‘奔跑’，甚至更適合未來交通的超高速應用。”

高溫超導材料能“捆綁”磁力線

處于超導態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，釘扎中心周圍超導區域將產生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束。

據介紹，目前任何一種磁浮列車制式都能實現懸浮、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，使列車不會發生脫軌。”他說。

具體來看，高溫超導體材料制備過程中產生的位錯、沉淀物等缺陷，形成位能勢阱。將正常態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，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域將產生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束，宏觀上表現為自穩定懸浮現象。

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。

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

鄧自剛告訴記者，由于超導體最大的優點是沒有電阻，可減少電流傳輸過程中的熱消耗，所以十分節能，它的導電能力是常規導體銅線的幾十倍以上。“因此在磁浮軌道交通系統中使用超導磁體，不但可以產生更大的懸浮力、導向力和驅動力，而且更加節能、環保。”

此次成功下線的世界首條高溫超導高速磁浮樣車及試驗線，鄧自剛表示，結合西南交通大學此前建成的真空管道高溫超導磁浮車高速試驗臺，最高試驗速度可達400公里/小時，目標速度將達到620公里/小時，可開展高溫超導磁浮車動力學、氣動、振動、噪聲等方面的研究。

未來室溫超導體更有研究價值

現在是用低溫條件換取超導，目前發現的室溫超導體是用高壓條件換取超導，如果未來能發現在大氣環境下工作的室溫超導材料，將會進一步提升磁浮列車研究的應用價值。

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

“除了磁浮外，超導材料在眾多領域也有相關研究應用。目前，低溫超導材料已實現商業化應用，主要用在醫學的核磁共振上。”鄧自剛介紹，超導技術被稱為21世紀電力工業的高技術儲備，可有效解決當前的能源、交通等問題，如今國內外正在研究應用于高壓線輸電的高溫超導電纜，應用于各種設備的超導電機等。

“超導電機重量輕、體積小，在風力發電機中具備特別優勢，所以將超導電機用于風力發電也是目前的研究熱點。同時，超導在所有與電相關的領域，比如信息、檢測、交通運輸、電力技術等都能廣泛應用，有著重要的研究和開發價值。”他說。

目前我國正在大力開展超導材料制備及其應用研究。而不斷探索更高臨界溫度的超導體，并加強與超導技術應用密切相關的低溫制冷技術和低溫系統的研究，是未來的大方向。

值得注意的是，科學家們正在研究在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料，也就是室溫超導材料。在最新研究中，科學家在高達260萬個大氣壓的條件下，制作的碳硫氫化材料將此前的超導溫度紀錄提高到了約15攝氏度，首次在室溫下觀測到了超導現象。

“我們現在是用低溫條件換取超導，目前發現的室溫超導體是用高壓條件換取超導，如果未來能發現在大氣環境下工作的室溫超導材料，將會進一步提升磁浮列車研究的應用價值。”鄧自剛說。