世界首個室溫超導材料問世!會對電力產生哪些影響?

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北京時間10月14日,最新一期《自然》(Nature)雜誌上發表了一項物理學界的重磅研究成果:美國羅徹斯特大學研究人員在氫化物材料中,首次觀察到了288開(約15攝氏度)的溫度下的室溫超導現象。

這一發現刷新了高溫超導材料最高臨界溫度的歷史紀錄,也代表著人類向著創造出具有最優效率電力系統的目標又邁出了重要一步。

世界首個室溫超導材料問世!會對電力產生哪些影響?

一個多世紀以來,開發室溫超導材料一直是凝聚態物理學的「聖杯」。據羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授蘭加·迪亞斯(Ranga Dias)所言,這些材料一旦問世,甚至可以徹底改變當今世界的面貌。

為什麼室溫超導材料會有如此大的威力呢?

超導體有兩個特性:零電阻和完全抗磁性。

中學物理的歐姆定律告訴我們,電流通過電阻會發熱,從而導致大量的能源轉化成熱能損失了。而在特定溫度下,電能可以在超導材料中零電阻通過。

除了零電阻的特性以外,超導材料還具有完全抗磁性——指在磁場強度低於臨界值的情況下,磁力線無法穿過超導體,超導體內部磁場為零的現象。

這兩個特性使得超導體在電流傳輸過程中幾乎沒有能量耗損,每平方厘米超導材料上還能承載更強的電流,可以實現最優效率;而一般常規材料,在導電過程中都會消耗大量能量。

既然超導材料功能如此強大,為什麼一直沒有投入實際應用呢?

目前,絕大多數超導體僅在接近絕對零度的溫度下才能實現超導狀態。這意味著實際應用中需要依賴昂貴的低溫液體,如液氦,來維持低溫環境。因此,超導應用的成本急劇增加,甚至維持低溫的成本,都要遠超材料本身的價值。

自1911年超導體首次被發現以來,尋找室溫超導材料一直是科學家們競相追求的目標。

中國科學家在高溫超導領域收穫頗豐,趙忠賢院士就曾因在這一領域的突出貢獻榮獲國家最高科學技術獎,他也是國際上最早認識到銅氧化合物超導體重要意義的少數科學家之一。1987年,他的團隊在釔鋇銅氧(Ba-Y-Cu-O)中發現了臨界溫度為93k的超導轉變。

2008年,國內幾個研究團隊又各自獨立在鐵基高溫超導上實現了突破,堪稱中國鐵基超導「奇蹟」。

近年來,隨著電網規模的快速增長,為減小電網建設成本和改造費用,同時,提高供電安全性和可靠性,國家電網公司也在高溫超導領域開展了積極研究與應用。2019年,由中國電力科學研究院主導,國網遼寧省電力有限公司、中科院合肥物質科學研究院、特變電工瀋陽變壓器集團有限公司和清華大學合作開發的磁偏置高溫超導限流器樣機經驗證具備10千伏併網能力。高溫超導故障限流器( SFCL) 具有響應快、損耗低、載流能力強和自觸發能力強等優點,可在極短時間內逐級限制電網故障電流,降低斷路器配置容量,具有較好的技術經濟性。2020年8月份,該磁偏置超導限流器長期掛網試點示範應用被納入國網遼寧省電力公司2021年科技項目規劃中。

此次,羅徹斯特大學研究團隊將可以實現零電阻的溫度提高到了15 攝氏度。然而,這種室溫超導是在金剛石「砧板」製造的267吉帕(Gpa)高壓下實現的,相當於200多萬倍標準大氣壓,很難談得上實際應用。

世界首個室溫超導材料問世!會對電力產生哪些影響?

金剛石頂砧高壓裝置下實現室溫超導

但是,研究團隊也在論文結尾處指出,通過微調化學成分等技術手段來降低所需壓力,未來有可能會實現大氣壓下穩定或亞穩定的室溫超導體。

如果未來真的實現了常溫常壓超導,會為我們的經濟社會發展帶來哪些應用?

首先,電網不會再因為電線中的電阻而造成電的損失和浪費,全球化電力供應也有可能實現;

其次,有可能開發出速度比飛機還要快的磁懸浮列車;

另外,也可以對磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機器、量子計算機等運用超導電磁元件的機器進行進一步的技術升級,為醫療、信息技術等領域的發展做出貢獻。

未來,人類可能會進入「超導社會」,到那時,人類社會在能源、交通、高精度儀器和生物醫學等各個方面可能都將發生深刻變化。

參考資料:

[1]Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

[2]http://www.chinapower.com.cn/tech/20191218/1293344.html

[3]諸嘉慧,張會明,陳盼盼,張宏傑,丘明.10kV混合式磁偏置高溫超導限流器性能實驗研究[J].低溫與超導,2020,48(09):36-41.