能源革命即将到来?——浅析超导行业的影响

 
近日物理学界一篇韩国团队的预载论文引发了全球关注,该团队在预印本网站arXiv平台上提交了两篇论文,声称发现了世界上首个室温常压超导体:即在常压条件下,一种改性的铅磷灰石(LK-99)能够在127℃以下表现为超导体。论文一出,世间哗然,全球各大实验室争相实验以期可以复现论文结果。事实上这已经是今年第二次有研究团队声称在超导材料领域得到突破,今年3月,罗彻斯特大学的迪亚斯团队声称用一种氮化氢镥材料实现了近常压室温超导,但这一成果直到今天也没有团队实现结果重现而被证伪,因此,韩国团队的常压室温超导材料目前也是被坊间半信半疑,但这足以显示出超导领域研究的重要意义。那么超导研究为何如此重要?这种“梦幻材料”对各产业有何影响?
 
 
所谓超导体有三大特性:无电阻、完全抗磁性、通量量子化。所谓无电阻,既指材料的电阻值低于10-25Ω,电流在材料内的流通完全无阻力无损耗,更直白一点而言,既指在材料一端输入一定能量的电力,另一端输出的电力没有能量损耗;完全抗磁性则指不论通电与否,超导材料可以完全抵抗外界磁场,从实际场景上来看,超导体可以不通电既悬浮在磁体上;通量量子化则指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时,电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象,也就是量子遂穿效应。只有当材料同时具备上述三种特性,我们才能称其为超导体。
 

 
但是,时至今日,人类发现的超导体实现超导态必须经由严苛的物理条件,例如极低的温度、极高的压强等等,正是这些苛刻的物理条件使得超导材料商业应用的步伐不得已放慢,正因如此,全球各国科学家一直在更常见的材料、更宽松的物理条件、更简单地制备方法三个方向上对超导材料进行研发。这也是韩国研究团队常压常温超导材料获得如此重视的原因。
 
那么,我们可以试想,如果有一种常温常压、可量产、成本较为低廉的超导材料出现,对于我们的生活、行业乃至人类历史发展会有何影响呢?虽然这种理想中的材料尚未出现,但目前低温与高温常压超导已经有了应用,并已经形成了产业链形态。
 

01

 电力领域供应

 
 
除了超导体以外,所有导体由于有电阻的存在,在传输电流的过程中必然会有自然的能耗损失,这种损耗迫使人类在传输电力时绞尽脑汁降低其影响。一是用交流电替代直流电,二是加大电力传输过程中的电压差,这也就是我们常说的特高压输变电技术。但是即使如此,电力传输领域的自然损耗问题仍旧无法得到完全解决。
 
 
根据相关统计,考虑我国电网系统中的线损率与变电损耗等问题,我国电力系统中的平均自然损耗率可达3%,而2022年我国发电量为8.85万亿度,既损耗量可达2500亿度以上,这相当于三峡电站满负荷运转2年的发电量。
 
大家可以试想,如果用超导材料替代现有的电力传输材料,我们不仅可以节约大量损耗电力,同时还可以节约大量建造特高压输变电、电瓷配套材料等等高昂的建造成本,更深一步讲,我们甚至可以大幅度减少电力生产过程中的化石能源消耗,真正做到能源生产的绿色环保。
 

02

 超导体磁体领域

 

 

由于超导材料具备完全抗磁性,既材料会将自身完全排斥于磁场之外,因此,利用超导材料绕制成磁铁可以产生强大的磁场,这种超导磁体具备的特性可以在很多领域实现应用。其中最典型的案例,就是磁悬浮列车。虽然磁悬浮列车风声在市场上很大,但实际应用的雨点缺很小,直到目前,我国只有长沙与上海有两条磁悬浮列车线路,但长沙的线路是低速线路,而上海的磁悬浮线路使用的并非超导磁体,因此列车悬浮高度距离轨道仅有1cm左右,载客数量同样有严格的限制。
 
不过目前,国内多家研究机构已经在超导磁悬浮列车领域有了长足进步。而这些研究还仅是基于低温(-270°C)或高温(-200°C)超导材料,这些材料都需要昂贵的超低温制冷与繁复的维护保养才可实现,如果常温常压超导材料真的可以应用,那么磁悬浮列车就可以大范围普及。
 
 
而超导材料磁体的另一个重要应用方向,则是可控核聚变领域,在这一领域中,由于需要大量强磁体制造可控核聚变的托卡马克装置,因此超导材料磁体的磁场能力可以说是托卡马克装置的不二之选,目前在国内,以翌曦科技、上海超导为代表的企业正在超导磁体领域不断深耕。
 
 
而在托卡马克研究领域,我国目前有中核集团西南物理研究所、星环聚能、新奥集团等企业已经实现了托卡马克装置的实验装置研发,其中星环聚能更是在最近完成了第一次点火试验,并成功取得了第一等离子体。
 
 

03

 通讯与集成电路领域

 
 
如果我们向更远期方向考虑,超导材料的特性在通讯与集成电路领域同样有着巨大的应用前景。如前文所述,超导材料的无电阻特性,可以让电子以几乎无损耗的方式得到传输,这一特点可以应用在远距离通讯的电信号传输领域,使得通讯信号可以远距离无损耗的传递,这意味着我们不必再花重金建设逐级向下的信息网络,实现信息传递的高效化;而如果我们将视角缩小,在一个大规模集成电路上用超导材料替代现有材料,不仅同样可以提高电子传输速度降低损耗,更可以避免传统集成电路上严重的热堆积问题。向着更长远来看,超导材料更可以应用在量子计算、航空航天、生物技术等等诸多领域。
 

 
虽然超导技术看似离我们的生活十分遥远,目前国际上的超导材料应用也尚处在初级阶段,但不可否认的是,超导材料如可以大规模商业应用对于人类社会将是一次巨大的变革。在这一领域尚处初级的当下,我们已经可以看到众多核心技术突出、研发实力强劲、已经出具商业应用规模的优秀企业。在硬科技投资大行其道的当下,这些企业可以说是投资者们应当关注的重要投资目标。