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邓自刚：未来交通，高温超导磁悬浮列车
350km/h的高铁到1000km/h的飞机，它将补上这个速度空白区
纵观人类速度发展史，我们发现在350km/h的高铁与1000km/h的飞机之间存在着一大段速度空白区。是什么制约着速度的提升？车子还能不能跑得更快？科学家采用这项技术，让高铁列车速度超过了600km/h……
演讲者：邓自刚 西南交通大学研究员
演讲时间：2023年9月25日 格致论道·湾区第25期
从北京到成都只用一小时？用这种方法，我们让列车在地面起飞
希望5到10年内，高温超导磁悬浮列车就能走进我们的生活。
大家好，我是邓自刚，来自西南交通大学。非常荣幸能在这里分享我们的研究《未来交通：高温超导磁悬浮列车》。
我们对速度的追求从未停止过脚步。从人类诞生至今，速度的极限伴随着交通工具的发展而逐渐被刷新。从时速100公里的汽车，到时速350公里的高铁，再到时速1000公里的飞机，它们每一项都是一个时代的标志。如果仔细去看人类交通速度发展史，就会发现在高铁和飞机之间有一段很长的空白区。大家想一想，为什么这段空白区里面没有交通工具？是什么制约着速度的提升？用什么交通工具可以达到这样的速度？
大家想必对高铁都不陌生，高铁是靠轮子来支撑和驱动的，所以又被称为轮轨高铁。高铁已经成为我国的金质名片，实现了领跑世界的目标。但如果要进一步提速，还是会面临很多的挑战和困难，比如轮轨黏着、弓网接触、蛇行失稳等等。那用什么样的技术可以解决这些问题呢？
答案是磁悬浮。磁悬浮是轨道交通速度追求的新范式，它有很多优点。第一点是高速不可替代性，它摆脱了传统轮轨接触，速度可以达到更高，能耗也可以做到更小；第二是低噪音不可替代性，没有轮轨的接触噪声，运行起来非常安静；第三点就是环保无污染，它更加节能，并且无碳排放。
磁悬浮其实有好几种
根据原理的不同，磁悬浮技术可以分为四大类：永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮以及钉扎悬浮。
可以看到，每一种磁悬浮制式的后面都有中国两个字。可以想象未来在中国，磁悬浮肯定是非常红火的。在同行们的共同努力下，中国已成为世界上磁悬浮专利排名第一的国家。
接下来，我们来了解一下每种磁悬浮的基本原理。第一种叫永磁悬浮，它的原理是同性相斥，用两块磁铁相互排斥就可以实现悬浮。
这种悬浮结构比较简单，载重能力比较大。但是两块磁铁靠近的过程中会有一个横向的不稳定力，所以它在横向需要一个机械限位。
第二种是电磁悬浮。顾名思义，它的原理是电生磁。电磁悬浮是依靠电磁铁通电产生磁场，和铁磁性轨道之间产生吸引力，利用吸引力将车子吸上去。
这种技术的代表有德国的常导电磁悬浮技术，上海的浦东机场就有一条这样的高速磁悬浮线运营，它的最高速度已经达到了550公里每小时。目前，世界上所有商业运营的磁悬浮列车都采用了这种磁悬浮技术。即将在广东清远开通的磁悬浮列车也是如此。
第三种是电动悬浮。这里有个核心词叫“动”，电动悬浮的原理是“动生电”。一个磁体源需要在导体板或者导体线圈上面移动，在移动过程中，下面就会产生一个和它相互排斥的感应磁场，这样就让车子悬浮起来了。这种磁悬浮的特点是运动才能产生悬浮，就像飞机需要轮子来助跑一样，跑到一定的速度才能够起浮 。
这种技术的代表有日本的低温超导电动悬浮，它在2015年创造了603公里每小时的世界纪录，这也是目前为止地面轨道交通最高速度记录。
为了让大家更容易理解“动生电”的原理，我们的学生做了一个实验。在运动的磁体下面用一块铝板切割磁力线，于是磁体就可以悬浮起来。这个实验完美地阐释了什么是“动生电”，只要有运动就可以产生悬浮，和“打水漂”的原理相似。
第四种就是我们研究的高温超导磁悬浮，这种磁悬浮的原理是“感生电”。
它不需要通电，电流是靠超导体所在位置磁场发生变化时，在超导体内部所产生的感应电流。
这种磁悬浮比较神奇，从图片里面可以看到，内部具有超导体的模型小车既可以悬浮，又可以悬挂。一会儿在轨道的上面，一会儿在轨道的下面。
为什么它能够有这种能力？这是因为超导材料内部的磁通钉扎特性：超导体中具有阻止磁通线流动的钉扎中心，无论这个超导体要向任何一个方向移动的时候，都会产生一个回复力。就像有一个无形的弹簧一样，如果要压它，就是排斥力；如果要拉它，就是吸引力。所以它既能悬浮又能悬挂。
高温超导和低温超导，哪个更好？
那什么是高温超导？首先，我们要回答什么叫超导。超导就是在一定的温度下，它的电阻完全消失为零，这个温度也被称为叫临界温度。
1911年，荷兰莱顿大学的昂内斯教授发现了金属水银汞在4.2K的时候出现了超导现象。他将其命名为super conductive，超导便由此诞生了。
而高温超导是相对低温超导而言的，我们用两种低温液体来让大家更好地区分。我们将能在液氮温区工作的超导材料都泛称为“高温超导材料”，液氮的工作温度是77K，也就是零下196摄氏度。另一种低温液体是液氦，它的温度更低，是4.2K，接近绝对零度。我们将能在液氦温区工作的超导材料都称为低温超导体。
大家可能会问，是高温更好，还是低温更好？肯定是高温好。高温是采用液氮来冷却的，而液氮是靠氮气液化产生的。空气中的78%都是氮气，所以说液氮的成本很少，它的价格是液氦的1/100。
1986年，镧钡铜氧超导体被发现，它的临界温度提高到了35K。隔年，中国科学院物理所的赵忠贤院士团队和美国休斯顿大学的朱经武院士团队，分别独立发现了首个液氮温区可以工作的超导体--钇钡铜氧超导体，它的临界温度是93K。已经超过了液氮的沸点77K，这是具有跨时代意义的。现在我们的磁悬浮列车用的就是这样一种材料。
我们的学生也做了两个小实验，便于大家更加清楚地了解高温超导磁悬浮的神奇。
这里是感生电的原理。大家可以看到，未在轨道上时，铝板会掉落并产生声响。而在轨道上时，铝板缓慢下落，我们听不到声响。这是由于轨道是由永久磁体组成的，所以铝板下降的过程中会接触到磁场，内部产生的感应电流会阻碍下降，从而产生了悬浮现象。
这就是高温超导磁悬浮的原理。我们向小模型中加入液氮，使超导体进入超导态，它就即能悬浮，又能悬挂了。
所以只需要三个要素，就可以实现高温超导磁悬浮，分别是高温超导材料、液氮以及用永久磁体拼成的轨道。
用悬浮装置替代轮子安装在列车的下面，就组成了高温超导磁悬浮列车。照片中两边银色的是永磁轨道，起到了悬浮和导向的作用。中间的线圈就是直线电机，起到了牵引和制动的作用。整个列车非常简洁。
这是我们做的一个样车，虽然它有13吨重，但浮起来之后前进方向没有阻力，一个小女孩就可以将它推走。
高温超导磁悬浮列车在工程化应用的时候也有很多的优势，第一个优势是悬浮、导向一体化、自稳定，系统结构简约，不需要额外的控制系统。第二个是不需要额外耗电，只用液氮来维持，所以运营成本比较低。它的悬浮高度也比较适中，在10-20毫米的范围，行进方向没有固有磁阻力，系统能耗小。磁轨产生静磁场，没有电磁辐射的问题。
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