能源的未来

室温超导风波渐平,超导的真正价值在何处?

只需要保持极度寒冷的温度,超导材料便可以在改变能源系统方面发挥重要作用。图中德国的超导电缆便是一个例子。 Image: 路透社/Ina Fassbender

John Letzing
Digital Editor, World Economic Forum
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能源的未来

  • 超导技术可以大大减少我们对化石燃料的依赖。
  • 因此,在刚刚过去的这个夏天,超导技术领域两项所谓的“突破”引起了人们的广泛关注。
  • 但日内瓦大学的一位专家表示,不需要所谓室温超导如此重大的“突破”,超导本身就能够发挥积极作用。

上个月,部分作者谨慎地要求撤回一篇已发表在美国《科学》杂志上的论文。撤稿发生得悄无声息,几乎没有人关注到这件事。

至少,撤稿事件与该篇文章在3月份出版时引起的小型媒体风波完全不能相提并论。随后几个月内,当另一个超导发现的消息接踵而至时,炒作舆论愈发加速了。突然间,那些可能从未听说过“超导”这个词的人,都开始知道有这项可能拯救地球的技术了。

超导体是一种可以在传输过程中不损失能量的材料。这听起来可能无关痛痒,但实则意义重大。从确保未来的电力运输中能够供应充足的电力,到为核聚变持续提供能源,既不受地区冲突的影响,也不依赖化石燃料。超导体的用处不胜枚举,但目前它有个致命的问题:只能在极度寒冷的温度下工作。

最近被媒体大肆宣传的两项“突破性”研究都声称在室温下实现了超导技术。室温超导材料这一极难实现的目标被称之为物理学“圣杯”。在美国《纽约时报》美国《大众机械》英国The Register科技网站上都有相关报道。

日内瓦大学应用超导小组的负责人Carmine Senatore认为:“室温超导的确是圣杯。”但在他看来,室温超导材料或许并没有人们所想象得那么神圣。

他解释道,目前我们已经可以用超导技术做很多事情,所以“我们不需要等待室温超导的来临”。随着与能源相关的排放量持续飙升,我们刚刚经历了有记录以来最热的9月。采取行动刻不容缓。

此外,最新出现的所谓室温超导材料是由韩国研究人员发现并命名为LK-99的物质。但这一谎言被戳破得如此之快,以至于Senatore甚至没有足够的时间来尝试复现它:LK-99在7月底横空出世,但在8月初就被证伪了。

循规蹈矩:在Carmine Senatore的实验室里研究超导金属 Image: 世界经济论坛

回顾以往,这并不是虚假的超导理论首次激起人们短暂的关注热潮。当然,也不会是最后一次。当我们正紧赶慢赶从破坏性的化石燃料转型时,超导材料能让我们用更少能源做更多事情。

然而,相比于向媒体宣称发现了“石破天惊”的超导材料,超导领域实际的日常研究工作就不那么容易了。

在Senatore的实验室里,很多超导研究任务的运转依然老旧刻板。几十年前生产的机器整齐排列着,已经褪色,但实验人员仍需要反复使用这些机器来加工金属线。当然,其中也包括需要先进高科技的任务,例如在真空室中发射激光或者使用强力磁铁等。

在实验室内,研究人员在有条不紊地将液氦从一个看起来像巨大啤酒桶的容器中提取出来。此外,超导金属铌也是常用的研究材料。这种金属虽然听起来很不常见,但其实可以在亚马逊上就可以买到。

Senatore透露,一般来说,实验流程包括“从打铁到处理液氦和液氮,再到在表面涂覆超导体的激光烧蚀。”这样做并不是为了生产性能超强的样品,而是为了找到可以迅速投入使用的技术。

超导材料的其中一种用途就在大型强子对撞机里。在瑞士与法国的边境上,有着一台27公里长的对撞机,主要用于研究“世间万物的基本组成部分”。成千上万的超导磁体引导质子通过机器,超导腔加速它们碰撞。在整个过程中,液氦将确保所有物质都保持足够的低温。

“上帝粒子”及其实际效益

1908年,氦在荷兰莱顿大学首次实现液化。几年后,超导现象也在这里被首次发现,这并不令人意外。

简单来说,低温超导的原理是:当某些材料被冷却到零下几百摄氏度时,其内部的电子停止消散,开始配对,从而使电流得以在内部无限期地流动。电子在流动的过程中并不会发生能量损耗,同时还会产生强大的磁场。1911年,Heike Kamerlingh Onnes在充分冷却一段汞线后发现了低温超导的现象。

大约一个世纪之后,低温超导在大型强子对撞机证实“上帝粒子”存在的过程中发挥了关键作用。所谓“上帝粒子”,也被称为希格斯玻色子,被认为是理解宇宙的关键。

冷却后的超导体也已被投入实际使用。目前,它已经被用于医学成像,成为愈加强大的核磁共振成像机器的重要组成部分。

低温超导还被用于与电更直接相关的应用中。比如,德国埃森中国深圳等地的电网都已开始使用超导电缆。

在全球变暖的环境下,人们对空调的需求日益增长。电动汽车也预计将在几十年内占据汽车市场的大头。因此,电力需求也在逐年攀升。Senatore认为:“目前城市的电网配电水平是无法满足这种需求的。”为了解决这一问题,或许可以通过超导电缆进行电网改造,并用相对便宜的液氮进行冷却,这可以将现有基础设施的可配电量提升至现在的十倍。

低温液体的发烟缸 Image: 世界经济论坛

超导也被认为是促进可再生能源使用的一种手段。它可以被用来制作更小的风力涡轮机,以及可以远距离有效供应太阳能的传输电缆

但超导在能源方面最大的益处可能在于核能。

目前人类生产核能的方式主要是核裂变。而Senatore表示,太阳是通过核聚变来为自身提供能源的,现在人类也在努力通过让电厂也具备核聚变发电能力,相当于是在“把太阳装进瓶子里”。

但为了实现这一目标,需要跨越一个巨大的难关:太阳核心的温度约为1500万摄氏度。恰好,超导磁体可以被用来限制这种极端高温。

核聚变不会像核裂变那样产生持久的核废料,且理论上所依赖的燃料与海水一样丰富且易于获得。目前,数十个国家正在法国南部合作建造一个实验性聚变反应堆,核聚变领域的初创企业也正在吸引大量资金支持。其中一家初创企业已经筹集了超过20亿美元的资金,并在2021年生产出了“有史以来创造的”最强大的超导电磁铁。

诚然,找到一种实现室温超导的方法,对核聚变和其他以可持续发展为重点的研究发展极为有利。但我们必须承认,室温超导的实现仍有很大难度。不过无论如何,科学家正在持续推进这一领域的研究。日常的锻造和实验室工作都没有停止,室温超导仍旧是他们需要攻克的目标。

Senatore认为,“室温超导将是生产大量能源的一种可行之策,可以使我们最终摆脱对化石燃料的依赖。”

日内瓦大学应用超导小组负责人Carmine Senatore是世界经济论坛战略洞察平台超导转型导图的联合策划人。在战略洞察平台上,您可阅读到更多与超导相关的专家分析及数百份关于其他重要话题的分析。 Image: 世界经济论坛

本文作者:

John Letzing,世界经济论坛战略洞察平台数字编辑

本文原载于世界经济论坛Agenda博客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:吴逸萌

编辑:江颂贤

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