電影《阿凡達(dá)》的熱映已是數(shù)年前的事情，作為流行話題也早已過去。然而片中中那顆神奇的“潘多拉”星球，以及其獨(dú)蘊(yùn)的Unobtanium礦物，相信對于許多人依然記憶猶新。片中，人類正是為了Unobtanium——這種可以在常溫下保持超導(dǎo)狀態(tài)的獨(dú)特礦物，而遠(yuǎn)征4.4光年的距離，不惜代價去開采這寶貴的礦藏。
影片中，為航向潘多拉星球而建造的超級宇宙飛船——使用反物質(zhì)引擎，最大加速度可達(dá)到0.7倍光速，攜帶有數(shù)艘行星穿梭機(jī)。根據(jù)設(shè)定，其建造成本以千億。而即便如此，往返潘多拉星與地球一次也需耗時至少15年。而如此代價不菲的旅程，就是為了追求神奇的Unobtanium，一種地球常溫下具備超導(dǎo)效應(yīng)的神奇礦物
超導(dǎo)——自從這一獨(dú)特的物理現(xiàn)象被科學(xué)界發(fā)現(xiàn)以來，人類已經(jīng)為此探索了一個世紀(jì)之久。而在此之中，似乎也蘊(yùn)含著解開我們這個世界現(xiàn)有技術(shù)瓶頸、產(chǎn)業(yè)困境，乃至化解絕大多數(shù)社會矛盾的力量!
2015年8月《自然》雜志的一篇文章引發(fā)了超導(dǎo)領(lǐng)域的轟動，德國馬普學(xué)會化學(xué)研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種在零下70攝氏度就擁有零電阻的材料。這項研究的意義是重大的，華盛頓哥倫比亞海軍研究實(shí)驗(yàn)室將其比喻為超導(dǎo)體研究的圣杯，意味著我們向常溫超導(dǎo)體的研發(fā)又邁進(jìn)了一步?？茖W(xué)家苦苦追尋的超導(dǎo)材料廣義上指材料所處的溫度接近絕對零度時，分子熱運(yùn)動接近停止，電阻趨于零，在這樣的材料上傳輸導(dǎo)電幾乎不損耗能量。
此外，超導(dǎo)狀態(tài)的物體還具有另一個特性——如果把超導(dǎo)體放在磁場中讓溫度降低到臨界值，那么磁感應(yīng)線不會穿過超導(dǎo)體，于是就有了抗磁性，因此一個理想狀態(tài)的超導(dǎo)體具有超導(dǎo)電性能和抗磁性能。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了該現(xiàn)象，于是我們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”——或者更為直觀地稱為“超導(dǎo)磁懸浮”。
從1911年第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開始，如今超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)100多年，但1986年是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一年以金屬氧化物為主的高溫超導(dǎo)材料有了新發(fā)現(xiàn)。從1911年到1986年期間，超導(dǎo)臨界溫度從4.2K提高到23K【注釋】，1986年發(fā)現(xiàn)的鋇鑭銅氧化物高溫超導(dǎo)體一下子把臨界溫度提高到30K，同年年底再次提升到40K。
電影《阿凡達(dá)》內(nèi)構(gòu)想的可在常溫中出現(xiàn)超導(dǎo)特性的物質(zhì)——人類跨越恒星際距離，遠(yuǎn)赴潘多拉行星追求的根本
到了2014年，一個德國研究團(tuán)隊創(chuàng)下了新的超導(dǎo)溫度記錄：203K(-70℃)。該團(tuán)隊使用的超導(dǎo)體材料不是我們從元素周期表上所了解的金屬。研究運(yùn)用了Bardeen-Cooper-Schrieffer超導(dǎo)理論，將硫化氫氣體冷卻成液體，灌入能產(chǎn)生超高壓力的金剛石壓砧。在50萬倍大氣壓下，材料變成了半導(dǎo)體;在95萬倍大氣壓下，它變成了金屬。冷卻到-70°C后變成了超導(dǎo)體。研究人員嘗試用同位素氘替代氫重復(fù)這一過程，發(fā)現(xiàn)重硫化氫也能變成超導(dǎo)，但其臨界溫度要低得多。該論文發(fā)表在《自然》期刊上立即引起了轟動。
德國科研團(tuán)隊在2年前的突破，雖然從數(shù)據(jù)上看進(jìn)步巨大，但由于其材料的特殊性，也缺乏實(shí)用性。能夠運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)的，主要還是以金屬類超導(dǎo)材料為主。那么我們也不敬要問——我們距離發(fā)現(xiàn)，或者說是創(chuàng)造出Unobtanium，還有多遠(yuǎn)?
在這里，筆者沒有妄言樂觀。事實(shí)是，現(xiàn)有的材料技術(shù)距離制造出Unobtaniumz何種能夠在常溫下維持超導(dǎo)特性的物質(zhì)，還有極大的距離。但這卻不等于現(xiàn)階段超導(dǎo)技術(shù)不能造福于我們的生活。
毫無疑問，一旦常溫態(tài)的超導(dǎo)材料被研制出來那么第一個受益的很顯然是電力行業(yè)。但在實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)以前，現(xiàn)有的超導(dǎo)材料就可以用于超導(dǎo)電線的制造，還有超導(dǎo)變壓器制造，并在現(xiàn)有技術(shù)和環(huán)境下投入商業(yè)運(yùn)用!
作為目前世界上發(fā)展最快的主要經(jīng)濟(jì)體，中國對能源、特別是電力的需求巨大。如果引入超導(dǎo)技術(shù)，對龐大而高負(fù)荷的中國電網(wǎng)而言，將會是一個巨大的助益
由于電阻幾乎為零，因此傳輸過程中幾乎不會損耗電熱功率。按照輸電線路15%的損耗計算，全國每年可節(jié)約千億度電的規(guī)模，此外還有其他周邊產(chǎn)品如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器等電力行業(yè)的載體。
有分析指出，全球超導(dǎo)市場在2020年市場總值會達(dá)到2000多億美元，技術(shù)越成熟就代表著生產(chǎn)可以更大規(guī)模進(jìn)行。超導(dǎo)電纜的年平均需求量都在數(shù)萬千米以上，各種機(jī)車電纜、通信電纜等都會被替換到。但是目前超導(dǎo)技術(shù)仍然沒有達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的程度，一些主要超導(dǎo)技術(shù)研發(fā)國家僅僅具備數(shù)百米的生產(chǎn)規(guī)模。這些高溫超導(dǎo)材料主要集中的釔系、鉍系、鉈系以及汞系，距離實(shí)用化生產(chǎn)還有較大的距離，去年下半年上海電纜研究所啟動了35千伏高溫超導(dǎo)電纜示范研究工程重大專項。德國埃森市建成了德國第一條公里級的高溫超導(dǎo)電纜，日本也建成了一條2公里長的超導(dǎo)線纜，用于北海道變電站的試運(yùn)營。
正在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試的中國超導(dǎo)輸電線路原型系統(tǒng)
此外，德日目前，也正努力研發(fā)各類基于超導(dǎo)磁懸浮原理的軌道交通工具，以便在現(xiàn)有交通體系下探尋新的發(fā)展方向。而我國亦在該領(lǐng)域內(nèi)緊追不舍。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所已于2014年試制成功的磁懸浮載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線。
日本新型磁懸浮列車，最高時速每小時590公里
2014年5月2日，四川省成都市西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試制成功的磁懸浮載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線
目前高溫超導(dǎo)領(lǐng)域處于邊研究邊商業(yè)化的進(jìn)度，幾個領(lǐng)頭羊?yàn)闅W洲、日本、美國和中國，事實(shí)上也就是幾個參與超導(dǎo)研究的國家和地區(qū)。日本和歐洲的國家行為介入更多，美國主要是企業(yè)行為更多，企業(yè)注重經(jīng)濟(jì)效益，在技術(shù)不成熟的情況下一般不會進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營，因此美國的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)推動力還不夠，但這些企業(yè)會與高校、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作緊密，一旦商業(yè)化條件具備了，大規(guī)模推廣也非常快。
高溫超導(dǎo)民用化發(fā)展趨勢比較顯著，那么低溫超導(dǎo)的主要方向也非常明朗，首先是可控核聚變磁場線圈。在可控核聚變堆中使用超強(qiáng)磁場來約束超高溫等離子體的行為，超導(dǎo)材料的使用可以加速聚變堆的成熟。除了民用化外，還有一個發(fā)展方向就是軍事用途，美國海軍水面戰(zhàn)中心提出用超導(dǎo)材料制造電磁脈沖武器，具備快速重復(fù)射擊的潛力。因此超導(dǎo)材料也有其兩面性，在民用領(lǐng)域可以引領(lǐng)時代，在軍事領(lǐng)域可研發(fā)出革命性的武器系統(tǒng)，超導(dǎo)電性能和抗磁性能的發(fā)展為我們打開了另一個世界的窗口。
日前，中科院電工研究所馬衍偉研究組成功研制出國際第一根10米量級的高性能122型鐵基超導(dǎo)長線，實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)線帶材領(lǐng)域的新突破。
鐵基超導(dǎo)長線結(jié)構(gòu)示意圖
122型鐵基超導(dǎo)帶材傳輸電流性能在4.2K/14T下，達(dá)到10萬安培每平方厘米，標(biāo)示著我國已率先邁入實(shí)用化門檻。最近，該研究組在鐵基超導(dǎo)線帶材的低成本制備方面也取得了重要進(jìn)展，開發(fā)出采用純銅作為包套材料的高性能122型超導(dǎo)帶材。上述成果意味著，國內(nèi)距離推動超導(dǎo)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，已為期不遠(yuǎn)。
我國今后的能源需求還會繼續(xù)上升，電能這種具備干凈環(huán)保、用途廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)的能源，勢必會在我國今后的能源發(fā)展格局中占據(jù)更加重要的地位。中國這個經(jīng)濟(jì)巨人，在邁向中華民族偉大復(fù)興的道路上，還需要更強(qiáng)健的體魄，更聰慧的大腦，更寬廣的胸襟，而超導(dǎo)體材料的發(fā)展，無疑為巨人的舒筋活絡(luò)、理氣順血助益良多。今后的中國，在超導(dǎo)體所打造的血管中，電能會像激涌的血液一樣，從用超導(dǎo)技術(shù)助控的核聚變反應(yīng)堆的心臟中源源不斷流出，為磁懸浮軌道打造的大腦回路帶來閃光的思想，給EMP武器武裝起來的鐵拳以威猛的力量。莫道是笑囈，假日時日美國人跑到潘多拉上去開采Unobtanium了，我們卻用著自家搞的超導(dǎo)體，看他誰還敢說我們山寨!
注釋：以絕對零度作為計算起點(diǎn)的溫度，即將水三相點(diǎn)的溫度準(zhǔn)確定義為273.15K后所得到的溫度，過去稱為絕對溫度。開爾文溫度常用符號T表示，其單位為開爾文，定義為水三相點(diǎn)溫度的1/273.15,常用符號K表示。開爾文溫度和人們習(xí)慣使用的攝氏溫度相差一個常數(shù)273.15，即T=t+273.15(t是攝氏溫度的符號)。
