超導(dǎo)會如何影響人類生活？(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)備實時補能。

　　搭載超導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)的電動飛機掠過江面，向遠(yuǎn)處飛去。

　　超導(dǎo)磁懸浮列車以時速1000公里平穩(wěn)行駛，北京至上海只需一個多小時。

　　列車駛出隧道，從車窗向外看去，塔克拉瑪干沙漠的超級農(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，到電動飛機的綠色革命，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，成為目前推動聚變裝置發(fā)生變革性突破、實現(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)”，理論運行速度可突破1000公里/小時，比現(xiàn)有的民航飛機還快。乘坐這樣的陸上飛車，國內(nèi)各大型城市間的一小時經(jīng)濟圈將不再是想象。

　　電動大飛機

　　交通電氣化的進(jìn)程從未停止。與水陸交通工具不同，飛機對重量極其敏感，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、線纜、儲能等機載電氣設(shè)備的功率密度，成為當(dāng)前突破電動飛機輕量化技術(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)地對飛機進(jìn)行電氣化改造。中國也開始了面向電動飛機的超導(dǎo)技術(shù)研究布局，在2019年《電動飛機發(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)電機與發(fā)電機，導(dǎo)致電動飛機研發(fā)進(jìn)程受阻。航空動力系統(tǒng)超導(dǎo)電氣化轉(zhuǎn)型為我國提供了戰(zhàn)略機遇，通過攻克兆瓦級高密度超導(dǎo)電機、機載輕量化輸配電技術(shù)等，結(jié)合電動汽車領(lǐng)域積累的動力電池、驅(qū)動電機和電控系統(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。

　　(人民日報 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)