釋放超導體的奇跡潛能,超導能爲我們帶來什么?
1年前
各位,這次恐怕不是玩笑。
超導體(SC)因爲量子力學效應中電子配對和通過導體晶格行進的方式,具有零電阻。這是由量子力學在大塊物質中產生的“魔法”或“不可能”的物理性質的一個例子。幾十年來,由於實現極低溫度(4K(-270C))的困難,超導體在工業應用中鮮有用武之地。在過去的十年中,現代高溫超導(HTS)帶的令人難以置信的新應用得以實現,其工作溫度爲77K。HTS帶通過在操作溫度,電流和磁場彈性方面的長期工程改進取得了關鍵性進展。室溫環境壓力超導體(RTAPS)會有着非凡的影響力——與晶體管齊名。
第一個應用:超導體在能源的生成、轉換和分配中的應用
RTAPS將消除輸電线路的損耗,但這些損耗與發電機和變壓器的損耗相比微不足道。有趣的是,對於某些應用,RTAPS的磁性質比電性質更爲重要。原因如下:電動機和變壓器(將高壓電轉換爲低壓電以供居民使用)通過磁感應工作,其中變化的磁場會誘發電壓。RTAPS可以以非常高的效率產生極強的磁場。HTS電纜已在試點項目中進行了測試——例如在2008年的長島電力公司。然而,這些損失僅佔電網總量的5-7%。對人類來說,更大的勝利是在發電中——在德國,HTS改裝的發電機增加了36%的產量。一個例子是風力發電。每個發電機和電動機都有一個“理想”的RPM,在此時它的效率最高。風的RPM變化很大,這意味着很難在峰值性能下操作。超導體提供了更高的功率密度,更低的維護,並在RPM範圍內提供更好的效率。或許RTAPS在我們的電網中的最大收獲在於能源儲存,這是目前實現只使用可再生能源的電網的最大瓶頸。超導磁能儲存(SMES)的可行性取決於超導材料的制造成本低且在高溫下運行。SMES儲存是這樣工作的:你將電流輸入超導材料的循環中,它就會永遠地繼續循環。這裏沒有電阻,所以沒有能量損失,與電池相比,電池會損失高達25%的儲存能量。
第二個應用:先進的醫療成像和材料測試
MRI是一種了解我們身體結構到毫米級分辨率的非侵入性技術。NMR是一種類似的技術,用於基礎科學研究中理解新材料的性質。MRI通過對整個人體施加強度變化的極強磁場來產生人體的3D圖像。這個場會排列帶電粒子的方向,比如質子。當施加RF脈衝時,質子开始旋轉。旋轉的頻率與磁場成比例,當它們旋轉時,質子會發射RF波。這些波被檢測到,並通過重構哪個頻率的波來自哪個區域的磁場,建立圖像。HTS在哪裏發揮作用?首先,是在產生用於排列質子和使它們旋轉的高磁場。但更重要的是,在檢測這些質子發射的RF波的敏感探測器中。超導探測器將提高MRI的靈敏度12倍。目前开發HTS啓用的MRI的最大障礙是需要將它們冷卻到低溫。RTAPS將使MRI更加可接觸,負擔得起,並提高分辨率到微米級。醫療設備對所有人开放。
第三個應用:高速磁懸浮列車
已經在开發中的超導列車的成本高昂,並且維護起來很困難,再次由於低溫。RTAPS將使這種列車在大規模上變得經濟。從紐約到洛杉磯只需20分鐘,排放零二氧化碳。在1970年代,蘭德公司進行了關於“超高速列車”的研究,並設想了一個由超導路线組成的國家網格,通過真空管以14000英裏/小時的速度行駛。大陸旅行和貨運的成本將大幅度下降。更便宜,更好,更快。
第四個應用:電子傳感器
超導體降低噪音並增加精度,尤其是在接近絕對零度的情況下。超導電子器件的靈敏度令人難以置信。例如,它們可以用於探測者在草地上行走的變化。在這方面,與房屋熱能成像有許多相似之處。或者,對於粒子探測器,你可以檢測到光子的碰撞,並確定它們的方向和能量。
第五個應用:量子計算
當我們談論電子設備時,最重要的限制因素是傳輸電子需要的能量。超導器件具有零電阻,這消除了這個問題。因此,他們是實現基於量子比特的量子計算的理想平台。目前最大的問題是必須將設備冷卻到低溫以實現超導狀態。RTAPS將解決這個問題,帶來真正的量子計算革命。
第六個應用:核聚變
聚變反應產生的高能中子會損壞材料,所以超導线圈需要保持在反應室之外。HTS线圈可以產生高度緊湊的磁場,因此可以放在更接近反應室。然而,他們的溫度還是很低。RTAPS將使這種反應更有效,減少中子輻射,從而降低維護成本。最終,可能有一個儲存足夠的能量儲備,使核聚變在需要的時候可以隨時啓動。
總結一下:超導的應用無處不在,RTAPS將革命性地改變我們的工業、醫療、交通和科學。
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