高溫超導(dǎo)讓列車“輕如樹葉”

李迪 陳科

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)。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。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噸列車實(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(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?！蔽髂辖煌ù髮W(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。

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，感應(yīng)磁場與磁體磁場互相作用產(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”。

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?！霸谶@些優(yōu)勢的加持下，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?！?h3>高溫超導(dǎo)材料“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?！彼f。

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，形成位能勢阱。將正常態(tài)的超導(dǎo)塊材放入磁場中，此時(shí)磁場能夠穿過塊材，塊材進(jìn)行冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，位能勢阱會(huì)阻止磁通線移動(dòng)，對磁通線進(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，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。