就算室温超导真实现了,就能用于输电、磁悬浮和核磁共振吗?
今天,很多人的朋友圈和公众号都被“室温超导”刷屏。近常压室温超导的文章可靠吗?超导材料是什么?此项技术又有哪些应用可能?
撰文/张子立(超导材料博士、研究人员) 编辑/赵天宇
迪亚斯教授于2023年3月9日再次发表重磅文章,宣布了近常压室温超导的发现。(近常压也是10kBar,就是1万个大气压,大约1GPa。在做高压的人眼里,这个压力很容易到达,但是在日常生活中,这个压力还是很高的)开始在网络迅速发酵,炒作此物如何能够改变生活,提到的应用都是输电、磁悬浮甚至MRI(核磁共振成像)等公众熟知的超导应用领域。那么,近常压室温超导材料真的能应用在我们身边吗?
虽然迪亚斯教授有两次撤稿前科,但是本文不想讨论这篇文章是否造假,所有一切讨论,都是基于本文的数据真实可信的基础上的。其次,本文不讨论该发现对超导理论的意义进行讨论,因为不属于应用范围。
结论在前,不论LuN1−δHε(网上有人称之为卤蛋氢,下文照搬)是否为真,他都不可能用于MRI和磁悬浮,用于输电的工程实践性也几乎是零。
近常压室温超导的文章可靠吗?
作为一个做了一辈子超导的人,室温超导绝对是一个梦一般的东西。相比于之前撤稿的文章,这篇文章数据更加详实,不仅包含了电测试,磁测试,甚至包括了比热测试以及样品的XRD,可算是真良心了。
从一个材料学专业的角度出发看,曲线似乎没啥问题,前后逻辑很合理,一眼看过去,没啥自相矛盾的地方。且由于这次测试的非常全面,让我们对这个有了比较深刻的认识。卤蛋氢是从金属Lu箔加N和H获得的,看样子合成后的样品也是固体,但是不知道是否还保持着金属的特性。总之这篇文章披露的信息足够丰富,也足够应用领域判断是否能够使用。
超导材料应用基础知识
超导材料的应用主要分为两大类,一类叫强电应用,一类叫弱电应用。强电和弱电的区分主要是电压,也就是大规模应用(对应强电)和芯片应用(对应弱电)。大规模应用就是我们经常在网上能看到的,输电,核磁共振成像(MRI),磁悬浮列车以及对撞机等。
芯片应用一般是滤波器,SQUID等器件方面的应用。网上盛传的这次的卤蛋氢的应用,基本都集中于大规模应用方面,毕竟芯片应用在日常生活中几乎看不到。
大规模应用,顾名思义需要大规模的超导材料,这需要超导材料具备两方面的特性。
可相对容易的大规模制备。一般大型的MRI和磁悬浮列车所用到的超导材料都是公里级别的,对撞机甚至会用几十公里级别的,而输电则完全看距离长短了。
要有足够的承载电流能力。由于这些大规模应用中使用的是超导材料的零电阻性,也就是在直流(输电是工频)下,损耗小的特点。这就能允许我们在更小的线圈中通入更大的电流,从而获得更强的中心磁场。
大部分科普都提到了,超导是一种低于临界温度就会电阻消失的神奇材料。但是实际上,在临界温度之外,还有两个参数分别是临界电流密度和临界磁场,所以大规模应用的超导材料一定要有高临界电流密度,才能承载高的电流。同时,类似MRI、对撞机和磁悬浮,超导材料都是工作在特斯拉级别的磁场下的,这就要求超导材料具有较高的临界磁场值。
近常压室温超导材料的应用可能分析
根据上一段的描述,一个想用于输电、磁悬浮和MRI的超导材料,高的转变温度仅仅是锦上添花的属性,真正的要求是:可以简单地大规模制备、有足够大的临界电流,且有足够大的临界磁场。
卤蛋氢的这三方面性能是啥样呢?
在制备方面,目前无法得知卤蛋氢是不是还保持着金属的特性,即优良的延展性。但是无论是否保存,卤蛋氢的工作环境需要对其施加1万个大气压(1GPa)。如何对这么一个长将近3米的大家伙均匀施加1GPa的压力,几乎是不可能的。
电流承载方面,原文的图3b展示了M-H曲线,我们可以通过经典的Bean模型去计算其临界电流密度。我们大概可以得知,样品的直径应该是120,280,600微米,厚度是100微米。考虑到他提到了280和600微米是低压用的,而室温的超导正是低压出来的,所以我们取直径为280或者600微米,那么体积就是6.16E-06和2.83E-05立方厘米。从图中可以看出磁矩的绝对值最大值大概是1 emu以内,我们就去1 emu吧,可以轻松算的临界电流密度是870A/cm2和88A/cm2@0.1T
临界磁场方面,同样从图3b中可以看出来,不可逆磁场大概也就0.5T左右。具体啥叫不可逆场呢,为啥不是临界磁场呢?还是不解释了吧,就是一个数值,过了这个数值,超导材料就不能用了。
根据以上的数据,我们可以初步看到,卤蛋氢似乎不太适合用于大规模应用,也就是输电、磁共振和磁悬浮等。下面我们通过列表比对目前被公认最好的超导材料之一REBCO(稀土钡铜氧化合物)的性能,来进一步展示。从表格中可以轻易看出,三个指标上,REBCO完爆卤蛋氢。
这里要指出,目前国际上产业化的超导成品中,NbTi这个最古老的超导材料占据超过95%的市场。在这三个指标上,NbTi未必很高,但是更加成熟好用。所以实际上,不论是对撞机还是MRI,绝大部分都采用的NbTi。
结束语
近常压室温超导的发现(如果是真的)绝对是令人鼓舞的。但是由于其必须高压下使用、很低的临界电流密度和更低的临界磁场,使得这个材料从根本上不可能用于输电(需要大电流),MRI和磁悬浮(需要在较大磁场下依然能承载较大电流)。室温超导转变固然是完美的属性,但是超导的核心是因为零电阻,所以可以承载很大的电流。如果因为室温而放弃电流承载能力,无异于买椟还珠。
在弱电应用领域,弱电应用第一不需要承载大电流,第二不需要承受高磁场,第三对于一个厘米级别的东西施加GPa压力是可行的。至少从这三个角度来说,弱电应用可能是卤蛋氢的应用希望。
总之,卤蛋氢的发现很可能是超导研究的里程碑,但是这种材料,甚至这类材料都不可能用于输电和超导磁体。