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超導(dǎo)會(huì)如何影響人類生活?

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超導(dǎo)會(huì)如何影響人類生活?

  超導(dǎo)會(huì)如何影響人類生活?(趣科普)

  想象一下,未來超導(dǎo)可能如何影響人類生活?

  晨光中,城市道路行駛的汽車,正通過地下的超導(dǎo)無線充電設(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……

  從可控核聚變的無限能源,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題,被許多國家列為未來能源的重要戰(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,其核心特征是通過超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的環(huán)形強(qiáng)磁場在真空腔內(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,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,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

  中國的高速磁懸浮列車(時(shí)速600公里)進(jìn)入測試階段,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、美國、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)型為我國提供了戰(zhàn)略機(jī)遇,通過攻克兆瓦級(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,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“無阻”特性,邁向無限未來。

  (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)

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