超导性的进展为新技术革命让路

超导极限

电力是历史上最具变革性的技术之一，可以长距离传输一种非常有用的能源形式。但每个电力系统都面临着电阻，这会导致在施加电流时产生热量。

存在一种替代方案，即所谓的超导材料。超导材料的电阻为零，因此可以使用极强的电流，而不会产生热量或强大的磁场。

如果没有超导性，许多现代技术就不可能实现，包括粒子加速器、核磁共振成像和磁悬浮列车。

问题在于，所有这些应用都基于低温超导性，其中材料只有在冷却至 20°K/-253°C/-423°F（包括液氦）等低温时才具有超导性。

对于某些应用，例如实验聚变反应堆中的磁体，所需的温度可低至 4°K（仅比绝对零高 4 度），尽管这一情况正在改善（见下文）。

如此极低的温度很难维持，而且会消耗大量能源。因此，虽然其他技术和应用可以从超导中受益，但这样做在经济上很少可行。

高温超导

这就是为什么材料能够在较高温度下保持超导性的前景令人兴奋。在这种背景下， “高”温度可低至 -185°C 至 -135°C 但这比使用液氮代替液氦的传统超导温度更容易达到。

当然，理想的材料应该在略低于冰点甚至室温的温度下具有超导性。

室温超导

2023年夏天，一块 新闻疯传 在发表了一篇题为“第一个室温常压超导体”。一种名为 LK-99 的材料被描述为可在高达 127°C/260°F 的温度下发挥超导体作用。它使用了铜和铅（铜替代铅磷灰石 - CSLA）等常见材料，这进一步增加了这一发现的潜力。

铜晶体 – 来源： 美国能源部

它甚至引发了与超导相关的股票的微泡沫，例如美国超导公司的股价上涨了60%。

这一说法立即遭到质疑，并发现很难复制。

LK-99 超导故事

但这个故事还没有结束。 2024 年 XNUMX 月， 另外两个研究小组也观察到了 LK-99 的潜力 超导.

有趣的是，每个团队都通过不同的制造方法重新创建了自己版本的 LK-99，这表明观察到的结果可能更多地与材料相关，而不是某些可能的杂质或错误。

因此，我们希望这不是一场虚惊。目前的情况似乎是，制造过程效率极低，使得测试结果很容易呈阴性。

因此，复制 LK-99 的最初发现并不简单，这也许并不奇怪。

“……即使是按照当前最著名的工艺（他们采用的工艺）合成的样品，也往往有很高比例的非超导物质与所谓的超导位混合在一起。在这种情况下，即使在测试之后，也很容易错误地将样本宣告为死亡。

他们的论文所依据的超导样品之一是在 2023 年 XNUMX 月制造的，被确定为无用的，并且即将在其生命周期的多个阶段被丢弃。”

来源: 汤姆的硬件

超导潜力

即使室温超导体仍然难以捉摸，研究人员也可能找到一种方法，使材料在 -80°C 至 -70°C 的“高温”下保持超导性。

这将彻底改变可能的应用，因为超导可以依赖于储存 mRNA 疫苗的冰箱中使用的冷却技术，而不是更昂贵的液氦或液氮。

其中 1990 世纪 XNUMX 年代已经讨论过可能的应用 是：

• 更好的核磁共振成像分辨率更高，构建和操作成本更低，使其成为一种更加常规的医疗检查。
• 电磁推力驱动系统 （也叫 磁流体动力学 （MHD）驱动）推动船舶通过带电的海水。
• 更强大、更高效 电动发动机.
• 更高密度和更安全的电池 超导磁能存储（SMES）.
• 超导限制器、开关和熔断器 改善电网基础设施。
• 长距离无损耗电力传输，这可以提高可再生能源的效率，例如，太阳能电池板仍在阳光下为数千公里外的城市供电。
• 更便宜且更易于维护 磁悬浮列车 或稍后在超级高铁系统上。
• 传感器/磁力计 (超导量子干涉装置——SQUIDS）用于工业环境中的应用。
• 超导量子计算
  • （您可以在我们的文章中阅读有关量子计算进展的更多信息“量子计算的现状“）。
• 国防与航空航天应用，包括辐射屏蔽、电磁发射、磁力轴承、传感器、轨道炮、线圈炮、激光器和其他能源武器。

来源: 美国能源部

超导与核聚变

核聚变是另一种可以从高温下工作的超导体中受益匪浅的应用。

实现商业核聚变的所有各种方法都依赖于极其强大的磁铁来容纳和压缩加热到数千万或数亿度的等离子体。

在 2021 年取得初步成功后，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 的一个研究团队致力于制造一种足够强大的超导磁体，可用于核聚变反应堆。

新的聚变磁体设计在 16°K（而不是之前的 4°K）下具有超导性。一项关键的创新是消除了磁铁导线周围的所有隔离。这反过来又为进一步改进腾出了空间，例如更简单的制造工艺或更高的结构强度。

来源: Phys.org

“在 5 月 40 日的演示之前，最好的超导磁体的威力足以实现聚变能，但其尺寸和成本永远无法实用或经济上可行。然后，当测试证明了这种尺寸大大缩小的强磁铁的实用性时，“一夜之间，它基本上使聚变反应堆的每瓦成本在一天之内改变了近 XNUMX 倍”

Dennis Whyte – 日立美国工程教授

他们发表了他们的发现 发表于 6 篇科学论文的汇编 IEEE 应用超导学报。他们详细解释了如何建造这种 16°K 聚变磁体，该磁体产生的磁场强度高达 20 特斯拉。

测试极限

他们渴望证明新的聚变磁体设计可以安全地运行，因此也积极地将其置于困难的情况下。最后一次测试导致磁铁在一个角落部分熔化。甚至大多数磁铁元件都幸存下来（95%+），证明了设计的稳健性。

同样令人印象深刻的是，研究人员的模型完美地预测了磁铁失效的方式。

此次体验还测试了此类材料的供应链，与以下公司合作使用了 300 公里（186 英里）的高温超导体 CFS（Commonwealth Fusion Systems，麻省理工学院的衍生公司）

聚变超导磁体的未来

在更长的一段时间内，聚变反应堆将依靠使用液氦的众所周知且经过测试的超导体来将温度保持在 20°K 以下。

然而，更高温度的超导性似乎不仅是可能的，而且很可能在更容易控制的温度下实现。

从长远来看，这种超导磁体可以帮助提高聚变反应堆的性能，并降低其价格，从而实现商业可行性。

这将为人类释放几乎无限的能源，使我们当前有关粮食生产、海水淡化、气候变化、太空旅行等问题变得微不足道。