高溫超導(dǎo)體的五大應(yīng)用場景

編譯 許林玉

高溫超導(dǎo)帶在眾多應(yīng)用中前景廣闊

1911 年，荷蘭物理學(xué)家海克 · 卡末林 · 昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）將一根汞線放入液氦中之后，發(fā)現(xiàn)汞線的電阻隨即消失。這意味著這根汞線已經(jīng)變成了“超導(dǎo)體”。

數(shù)十年來，由于引起超導(dǎo)性所需的溫度極低而壓力極高，超導(dǎo)體的實(shí)用價(jià)值一直受到限制。但1986年高溫超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)，為其更廣泛的應(yīng)用鋪平了道路。

“高溫”并非指室溫，而是指溫度高于液氮沸點(diǎn)196℃，此時(shí)材料具有超導(dǎo)性。最近，新的材料和結(jié)構(gòu)正在提高這些超導(dǎo)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(dǎo)材料因能產(chǎn)生高磁場而備受推崇。

休斯頓大學(xué)得克薩斯超導(dǎo)中心的應(yīng)用研究部門負(fù)責(zé)人文卡特 · 塞爾瓦馬尼卡姆（Venkat Selvamanickam）介紹道：“過去15年，研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向更多地將其用作高場超導(dǎo)體，而不是高溫超導(dǎo)體?！?/p>

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

能量存儲

與使用化學(xué)物質(zhì)存儲能量的傳統(tǒng)電池不同，超導(dǎo)磁儲能裝置（SMES）利用超導(dǎo)材料線圈中直流電流產(chǎn)生的磁場存儲能量。線圈充電后，只要保持冷卻狀態(tài)，能量就可以無限期存儲起來，而且?guī)缀醪粫p。存儲的能量隨著磁場強(qiáng)度的平方而增加，也就是說，磁場強(qiáng)度每增加一倍，系統(tǒng)就能存儲四倍的能量。這類系統(tǒng)幾乎可以在瞬間釋放大量能量，因此可以在公用電網(wǎng)、粒子加速器以及采用敏感、高速工藝的工業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

兼具超導(dǎo)磁儲能裝置超快放電與電池較高能量密度兩大優(yōu)勢的混合存儲系統(tǒng)是一個(gè)前景廣闊的研究領(lǐng)域。與其他高溫超導(dǎo)應(yīng)用一樣，低溫冷卻會增加成本，而且需要堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能承受磁體線圈產(chǎn)生的洛倫茲力。

概念驗(yàn)證 布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和ABB公司領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用高溫超導(dǎo)建立了一個(gè)磁儲能系統(tǒng)。2014年，該系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場達(dá)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(shí)驗(yàn)室的儲能裝置利用了超導(dǎo)材料線圈中直流電流產(chǎn)生的磁場

感應(yīng)加熱器

加熱鋁錠、鍛造有色金屬和熔煉高端合金的工業(yè)流程需要消耗大量能源。高溫超導(dǎo)感應(yīng)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(dǎo)感應(yīng)加熱器正在逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。它可以使金屬錠在磁場中旋轉(zhuǎn)，從而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流。在傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱過程中，這些電流很難穿透金屬錠。而高溫超導(dǎo)系統(tǒng)的強(qiáng)磁場可增強(qiáng)穿透力，從而使加熱更快速、更均勻。

值得關(guān)注的項(xiàng)目 2023年4月，中國公司聯(lián)創(chuàng)光電在哈爾濱一家工業(yè)設(shè)施中安裝了世界首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱器。如果采用傳統(tǒng)方法，需要至少9個(gè)小時(shí)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(dǎo)感應(yīng)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(jìn)的最大挑戰(zhàn)在于功率重量比：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無法在不增加飛機(jī)重量的情況下產(chǎn)生足夠的推力。高溫超導(dǎo)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(shè)備等其他電氣系統(tǒng)的重量。不過，為保證飛行安全，未來的高溫超導(dǎo)飛機(jī)必須配備冗余系統(tǒng)，以防止高溫超導(dǎo)材料溫度升高時(shí)可能出現(xiàn)的失磁現(xiàn)象。

值得關(guān)注的項(xiàng)目 空客公司正在研發(fā)一款使用液氫作為冷卻劑和燃料的超導(dǎo)電機(jī)。其ASCEN D項(xiàng)目旨在演示驗(yàn)證一種配備超導(dǎo)電機(jī)和低溫冷卻系統(tǒng)的動力系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的重量僅為傳統(tǒng)電力飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的1/3到1/2，卻能實(shí)現(xiàn)高達(dá)97%的傳動效率。這一概念的基礎(chǔ)是使用液氫作為冷卻劑兼燃料?？湛蜕形赐嘎秾⑷绾紊a(chǎn)氫氣，但該公司確實(shí)參與了氫氣可再生資源的行業(yè)研究。

專為風(fēng)力渦輪機(jī)研發(fā)的EcoSwing緊湊型發(fā)電機(jī)使用數(shù)千米長的帶狀高溫超導(dǎo)材料，其功率密度為銅的100倍

超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在過去幾十年中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率從1985年的50千瓦飆升至現(xiàn)在的15兆瓦。這要?dú)w功于配備了更大磁體的大渦輪機(jī)——它們可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁場。但對效率的追求卻正在遭遇阻力，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，發(fā)電機(jī)的功率越大，重量就越重。此外，永磁發(fā)電機(jī)中使用的稀土元素（如釹和鏑）也面臨供應(yīng)短缺問題。

高溫超導(dǎo)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)新一代高效、低成本渦輪機(jī)提供了一條前景廣闊的道路。用超導(dǎo)線圈取代永磁體可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，將發(fā)電機(jī)的重量減半，并最大限度地減少對稀土的需求。

概念驗(yàn)證 由歐盟資助的EcoSwing項(xiàng)目于2019年完工，該項(xiàng)目在丹麥北海沿岸安裝了一臺3.6兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中包含長達(dá)20千米由釓、鋇和銅氧化物制成的高溫超導(dǎo)電線。該發(fā)電機(jī)的重量比傳統(tǒng)機(jī)組輕40%，機(jī)艙（即包裹發(fā)電機(jī)和其他機(jī)械設(shè)備的殼體）體積小25%。高溫超導(dǎo)線圈材料仍然昂貴，但隨著技術(shù)日趨成熟，成本應(yīng)該能夠降下來。

醫(yī)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(chǎn)生電離輻射，因此成為備受青睞的醫(yī)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(diǎn)。為了將超導(dǎo)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(dǎo)線圈可減小設(shè)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(xù)替代品。目前，高溫超導(dǎo)技術(shù)已被應(yīng)用于核磁共振設(shè)備，用于在分子水平上對材料進(jìn)行研究。由于磁場較高，高溫超導(dǎo)技術(shù)可以顯著提高信噪比，從而獲得更詳細(xì)、更精確的成像。

值得關(guān)注的項(xiàng)目 科學(xué)儀器制造商布魯克公司的最新光譜儀在低溫超導(dǎo)外線圈之間夾著一個(gè)高溫超導(dǎo)體內(nèi)線圈，實(shí)現(xiàn)了28.2 T的磁通密度——這幾乎是地球磁場強(qiáng)度的60萬倍。

資料來源IEEESpectrum