未来高铁什么样？真空管道+高温超导助力磁浮列车“奔跑”

北京科协

随着超导材料性能不断提高和完善，科学家们正在积极开展高温超导应用技术的研究，其中诞生了一个重要领域的研究应用——高温超导磁悬浮列车技术。

作为革命性的技术创造，高温超导磁悬浮列车技术在我国已有相关研究最新进展。就在13日，具有完全自主知识产权的、世界首条高温超导高速磁浮样车及试验线，在西南交通大学下线。这标志着高温超导高速磁浮工程化研究从无到有的突破，具备了工程化试验示范条件。

高温超导高速磁浮工程化样车外观及试验线（无人机照片）。新华社记者刘坤摄

那么高温超导如何帮助磁悬浮列车实现“奔跑”？在未来我国怎样建成“超级高铁”？对此，科技日报记者采访了西南交通大学邓自刚教授。

高温超导磁悬浮技术让列车实现静止悬浮

“磁悬浮根据悬浮力的产生原理不同，主要分为电磁悬浮、电动悬浮和高温超导磁悬浮。最常见的是电磁悬浮，它的基本原理就是‘电生磁’，即通电后产生悬浮。”邓自刚说，此外电动悬浮，顾名思义就是“动生电”，即运动起来后产生悬浮。

关于电动悬浮，目前日本的低温超导电动悬浮技术已相对成熟并正在建设商业运行线。在2015年，日本低温超导磁悬浮列车创下了时速603公里的速度纪录，之后商业应用的速度达到时速505公里。

日本低温超导电动悬浮列车技术是利用车载低温超导磁体与闭合“8”字形线圈的相对运动，在线圈中感应出涡流，涡流再产生感应磁场，感应磁场与磁体磁场互相作用产生电磁力，从而实现悬浮。

我国已成为世界高铁大国，技术、装备、建设和运营达到国际先进水平，部分处于领先水平。除了响当当的高铁名片，在磁悬浮列车技术上，为保持优势地位，西南交通大学正在持续推进原创的高温超导磁浮列车技术。

高温超导磁悬浮技术，利用非理想第二类高温超导体在混合态中的磁通钉扎特性，实现稳定悬浮。因此，高温超导磁悬浮也被称为“高温超导钉扎悬浮”。其悬浮原理为“感生电”，即置于永磁体上方的高温超导体处于超导态时，随工作位置处的磁场变化，超导体内部会产生感应电流。

与常规导体不同，高温超导体的电阻近似为0。因此产生的感应电流会在超导体内一直循环下去，而感应电流产生的磁场与轨道磁场方向相反，将相互作用产生悬浮力。因“感生电”原理，车载悬浮系统和轨道都不需要供电。

此次下线的世界首台高温超导高速磁浮工程化样车重达12.5吨，但是它就像是一片漂浮于水面的叶子，仅用手就能轻松向前推动。为何如此神奇？答案就是：高温超导磁悬浮技术使它实现了静止悬浮。

“列车悬浮起来后，保持悬浮状态，唯一需要的是液氮，液氮使超导材料一直处于超导工作状态。”邓自刚说，空气中78%都是氮气，所以液氮成本较低，同时也节能环保。

他表示，除了能让列车实现不通电悬浮、静止悬浮，高温超导磁悬浮技术还有一个更显著的特点——列车前进方向的磁阻力几乎为0。“在这些优势的加持下，高温超导才能帮助磁悬浮列车实现‘奔跑’，甚至更适合未来交通的超高速应用。”

高温超导材料具有磁通钉扎特性，能“捆绑”磁力线

据介绍，目前任何一种磁悬浮列车制式都能实现悬浮、导向、驱动这三项最重要的功能。邓自刚解释，导向也可以用“感生电”来解释，更形象的解释是高温超导材料具有磁通钉扎特性，对磁力线有束缚作用，从而实现导向功能。

“由于超导体在轨道上方，磁力线将穿透超导体，但如果磁力线被钉扎在超导体里面，要想移动超导体，它就会产生一个回复力，阻碍车体的移动，所以说回复力会起到导向作用，使列车不会发生脱轨。”他说。

从驱动功能方面来说，磁悬浮列车都是依靠直线电机进行牵引，直线电机产生一个行波磁场，然后拉着列车不停地“奔跑”。直线电机与车体之间也没有接触，由车上永磁体组成的动子和线路上线圈组成的定子构成，两者相互作用，产生牵引力或制动力。

当然，磁悬浮列车的底部装有悬浮装置，被称为“杜瓦”。杜瓦里面有超导材料，可以把它理解为列车的“车轮”。因此，要让列车悬浮，车载高温超导材料、地面永磁轨道和液氮三要素必不可少。

“不同的磁悬浮技术采用的导体也有所不同，按照所采用的导体材料划分为常导磁悬浮、高温超导磁悬浮和低温超导磁悬浮。常导磁悬浮使用的是常规导体材料，比如铜或铝；高温超导磁悬浮和低温超导磁悬浮使用的是超导材料，其电阻近似为0。”邓自刚介绍，此次高温超导磁悬浮列车使用的是钇钡铜氧高温超导材料。

新华社记者刘坤摄

邓自刚告诉记者，“由于超导体最大的优点是没有电阻，可减少电流传输过程中的热消耗，所以十分节能，它的导电能力是常规导体铜线的几十倍以上。因此，在磁悬浮轨道交通系统中使用超导磁体不但可以产生更大的悬浮力、导向力和驱动力，而且更加节能、环保。”

此次成功下线的世界首条高温超导高速磁浮样车及试验线，邓自刚表示，结合西南交通大学此前建成的真空管道高温超导磁浮车高速试验台，最高试验速度可达400km/h，可开展高温超导磁浮车动力学、气动、振动、噪声等方面的研究。

“高温超导磁悬浮是理想的新型轨道交通技术，适用于多种速度域，尤其适合高速及超高速线路的运行。下一步将结合真空管道技术，开发填补陆地交通和航空交通速度空白的综合交通系统，为远期向时速1000千米以上速度值的突破奠定基础。”邓自刚表示。

未来室温超导体对磁悬浮技术来说更具有应用价值

众所周知，超导是指某些材料在温度降低到某一临界值以下时，电阻突然消失的现象，而具备这种特性的材料称为超导体。所谓“高温超导体”，是指临界温度在40K（约零下233摄氏度）以上的超导体。

“除了磁悬浮外，超导材料在众多领域也有相关研究应用。目前，低温超导材料已实现商业化应用，主要用在医学的核磁共振上。”邓自刚介绍，超导技术被称为21世纪电力工业的高技术储备，可有效解决当前的能源、交通等问题。如今国内外正在研究应用于高压线输电的高温超导电缆，应用于各种设备的超导电机等。

“超导电机重量轻、体积小，在风力发电机中具特别优势，所以将超导电机用于风力发电也是目前的研究热点。同时，超导在所有与电相关的领域，比如信息、检测、交通运输、电力技术等都能广泛应用，有着重要的研究和开发价值。”他说。

目前我国正在大力开展超导材料制备及其应用研究。而不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，是未来的大方向。

值得注意的是，科学家们正在研究在室温下没有电阻和磁场驱逐的超导材料，也就是室温超导材料。在最新研究中，科学家在高达260万个大气压的条件下，制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提高到了约15摄氏度，首次在室温下观测到了超导现象。“我们现在是用低温条件换取超导，目前发现的室温超导体是用高压条件换取超导，未来能在大气环境下工作的室温超导材料的发现，对磁悬浮列车技术更加有应用价值。”邓自刚说。

内容来源：科技日报

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