超導(dǎo)會(huì)如何影響人類生活？(趣科普)
想象一下，未來(lái)超導(dǎo)可能如何影響人類生活？
晨光中，城市道路行駛的汽車，正通過(guò)地下的超導(dǎo)無(wú)線充電設(shè)備實(shí)時(shí)補(bǔ)能。
搭載超導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)的電動(dòng)飛機(jī)掠過(guò)江面，向遠(yuǎn)處飛去。
超導(dǎo)磁懸浮列車以時(shí)速1000公里平穩(wěn)行駛，北京至上海只需一個(gè)多小時(shí)。
列車駛出隧道，從車窗向外看去，塔克拉瑪干沙漠的超級(jí)農(nóng)田盡收眼底，懸浮在上空的聚變光球，源源不斷地為作物提供能量，昔日荒漠變成綠色糧倉(cāng)……
從可控核聚變的無(wú)限能源，到電動(dòng)飛機(jī)的綠色革命，超導(dǎo)以其神奇的物理特性，改變科技和生活。
可控核聚變
可控核聚變可以從根本上解決人類的能源問(wèn)題，被許多國(guó)家列為未來(lái)能源的重要戰(zhàn)略方向。基于超導(dǎo)磁體的磁約束聚變技術(shù)最具工程化潛力，其核心特征是通過(guò)超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的環(huán)形強(qiáng)磁場(chǎng)在真空腔內(nèi)約束高溫等離子體，形成類似“磁籠”的約束環(huán)境。
磁約束聚變裝置內(nèi)部存在著極端的溫度環(huán)境：超導(dǎo)磁體需要低于零下200攝氏度的低溫環(huán)境來(lái)維持超導(dǎo)特性，而被束縛的氘氚等離子體卻高達(dá)上億攝氏度，這相當(dāng)于將太陽(yáng)裝進(jìn)冰箱，是當(dāng)前最具挑戰(zhàn)性的前沿工程技術(shù)之一。近年來(lái)，高溫超導(dǎo)材料和磁體技術(shù)快速發(fā)展，可在較高的溫區(qū)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于低溫超導(dǎo)材料的磁場(chǎng)，成為目前推動(dòng)聚變裝置發(fā)生變革性突破、實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電的關(guān)鍵。
超導(dǎo)磁懸浮列車
中國(guó)的高速磁懸浮列車(時(shí)速600公里)進(jìn)入測(cè)試階段，已接近大氣環(huán)境下的速度極限。超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)讓列車懸浮在軌道上，消除了傳統(tǒng)列車的機(jī)械摩擦阻力，配合低真空管道，大幅降低空氣阻力，從而形成“低真空管道磁浮交通系統(tǒng)”，理論運(yùn)行速度可突破1000公里/小時(shí)，比現(xiàn)有的民航飛機(jī)還快。乘坐這樣的陸上飛車，國(guó)內(nèi)各大型城市間的一小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈將不再是想象。
電動(dòng)大飛機(jī)
交通電氣化的進(jìn)程從未停止。與水陸交通工具不同，飛機(jī)對(duì)重量極其敏感，電力推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度和輕量化技術(shù)是制約其發(fā)展的瓶頸。高溫超導(dǎo)材料的電流密度比傳統(tǒng)銅導(dǎo)體高50倍以上，可顯著提升電機(jī)、線纜、儲(chǔ)能等機(jī)載電氣設(shè)備的功率密度，成為當(dāng)前突破電動(dòng)飛機(jī)輕量化技術(shù)瓶頸的最優(yōu)技術(shù)路線。
法國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等已經(jīng)開始利用高溫超導(dǎo)技術(shù)循序漸進(jìn)地對(duì)飛機(jī)進(jìn)行電氣化改造。中國(guó)也開始了面向電動(dòng)飛機(jī)的超導(dǎo)技術(shù)研究布局，在2019年《電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展白皮書》中規(guī)劃了載客250人、航程3500千米的超綠色混合電推進(jìn)方案，中國(guó)航空研究院聯(lián)合高等院校正在開展超導(dǎo)動(dòng)力系統(tǒng)研究。
當(dāng)前全球共性技術(shù)難題在于缺乏高效超導(dǎo)電機(jī)與發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)進(jìn)程受阻。航空動(dòng)力系統(tǒng)超導(dǎo)電氣化轉(zhuǎn)型為我國(guó)提供了戰(zhàn)略機(jī)遇，通過(guò)攻克兆瓦級(jí)高密度超導(dǎo)電機(jī)、機(jī)載輕量化輸配電技術(shù)等，結(jié)合電動(dòng)汽車領(lǐng)域積累的動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控系統(tǒng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望在航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“換道超車”。
歷經(jīng)百年時(shí)間，超導(dǎo)技術(shù)從液氦罐線圈演變?yōu)橥黄颇芰繐p耗限制的關(guān)鍵鑰匙。超導(dǎo)，正以其“無(wú)阻”特性，邁向無(wú)限未來(lái)。
(人民日?qǐng)?bào) 作者：王亞偉 作者為上海交通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，《超導(dǎo)(英文)》期刊副主編)