科技狂人馬斯克倡導的 '超環高鐵' 已經在美國得到認可, 正在進行可行性方案研究, 超環高鐵利用了低真空管道和磁懸浮技術, 速度將接近飛機的1000公裡時速. 這種高鐵不僅可以修築在地表, 也可以開挖地下隧道. 在中國, 這項實驗也正在進行中. 《經濟半小時》記者在成都的一間實驗室裡, 看到中國科學家正在為之努力.
中國公布高溫超導磁懸浮技術
成都西南交通大學搭建的, 全球首個真空管道超高速磁懸浮列車環形實驗線平台, 是國內第一個載人高溫超導磁懸浮環形實驗線. 線路總長45米, 設計載重300 公斤, 最大載重可達1噸, 懸浮淨高大於20毫米, 是目前國際上同等載重能力, 截面最小, 永磁材料用量最少的超導懸浮系統, 可進行0-50 km/h的實際動態運行實驗, 別小看這些複雜的機器設備, 在真空管道理想狀態下, 這項技術上的創新, 可將列車理論時速提高到一千公裡以上的更高速度, 換句話說, 眼前的這堆實驗設備, 搭建的將是人類目前能觸摸到的未來超級高鐵的雛形.
西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士副教授鄧自剛: 很多指標都是國際領先的. 我們核心的東西, 它的實際載重能力, 能夠懸浮一噸重. 我們這個軌道的截面積, 是現在全世界最小的, 就是它的寬度只有120毫米, 厚度只有25毫米, 它用的永磁材料特別少.
中國科學家推出的這項高溫超導磁懸浮技術, 一經公布, 就引起了世界最大的電子電氣工程師協會——美國IEEE協會的關注, 他們用兩個整版的文字報道了中國人的這項科研成果, 英國BBC, 美國CNN, 歐洲公共電視台等媒體, 紛紛趕赴西南交通大學展開實地調查報道. 這一項科技技術的誕生, 可能沒有引起民眾的過多關注, 但在世界眾多科學家的眼裡, 中國人這次幹出了幾乎是一件革命性的技術創造.
鄧自剛: 當時它的標題叫超級管道, 然後下面還有評語, 它覺得這個顛覆性技術, 可能對未來人們的出行方式, 或者航天應用, 各方面應該都會有革命性的意義.
這個被世界多位科學家稱為顛覆性技術的 '超級管道' , 是如何能夠懸浮在軌道上行駛的呢? 37歲的項目負責人鄧自剛告訴記者, 幾十年來, 西南交大, 國內科研院所和眾多製造企業的專家, 不斷地接力式研發實驗, 才誕生出今天的成果.
磁懸浮技術是上世紀二十年代德國人最早提出的, 距今差不多已有百年歷史. 此後幾十年, 德國在常導磁懸浮, 日本在低溫超導磁懸浮方面一直保持著技術領先; 中國從上世紀八十年代中期開始追趕, 但是想要追上六十年的技術差距, 無疑是一個巨大的難題.
如果要完成磁懸浮列車的研究製造, 我們需要提前去邁過很多門檻, 比如高溫超導材料從哪裡來? 特殊的軌道如何建設? 車體究竟該怎樣設計等一系列的問題, 從無到有的這場挑戰, 中國的科學家又是否能研發成功呢?
高溫超導磁懸浮中的超導指的是一種超導材料, 具有零電阻效應, 也就是說, 電流流經導體時不發生熱損耗, 可以毫無阻力地在導線中形成強大電流, 從而產生超強磁場. 超導磁懸浮, 就是利用超導體的抗磁性, 實現磁懸浮. 而所謂高溫超導, 是指零下196攝氏度的液氮環境中, 超導所具有的特性; 低溫超導是指在零下269攝氏度的液氦環境中, 超導所具有的特性.
與低溫超導和常溫超導相比, 高溫超導有一個最大特點: 它有自穩定性, 換句話說, 把高溫超導體放在永磁軌道上後, 既能懸浮, 又能懸掛, 不管運動還是靜止, 都能懸浮; 而且在永磁軌道上, 高溫超導體還提供穩定的導向力和懸浮力, 也就是不會上下左右搖晃, 像釘子一樣牢牢地紮在永磁軌道上面.
超導層厚度僅為頭髮絲的百分之一
可以懸浮又可以懸掛, 看起來有點像變魔術. 這其中的秘密在哪裡呢? 鄧自剛介紹, 首先是鋪設在軌道上的永磁材料. 其實高性能的永磁材料, 國外已經研製生產多年, 但這些產品技術曾經對我國長期封鎖, 不要說買不到, 就是想去參觀都不行. 唯一的辦法, 就是中國人自己造. 磁懸浮實驗室在成都, 但磁懸浮的材料, 卻在杭州一家企業默默地研發生產.
研製高性能的永磁材料, 尤其用於高溫超導磁懸浮軌道上的永磁體, 首先需要將十幾種原料, 包括多種稀土材料熔合, 均勻分布.
杭州永磁集團有限公司副總裁冒守棟告訴《經濟半小時》記者, 這個過程好比揉面, 很難, 但是對磁鋼的性能很關鍵.
在對十幾種原料進行精密排布後, 就需要用電流給磁鋼充磁, 這也是危險性比較高的環節. 如果充磁充不好, 容易造成它性能不穩定, 有些時候控制不住, 磁鋼容易飛到天花板上去.
經過反覆試驗, 高性能永磁材料總算成功研製成功, 但接下來又一個難題出現了: 那就是怎樣把永磁體拼接在一起形成磁懸浮導軌? 由於永磁體之間相排斥的磁力很大, 一小塊可產生300多公斤的推力, 一不小心就可能跑偏. 那麼, 有什麼方法能有效解決拼接, 組合難題呢?
杭州永磁集團有限公司副總裁冒守棟: 要靠一系列設計的工裝, 通過機械的方式, 一點一點把它固定好, 一個磁鋼固定好, 再裝下一個磁鋼.
西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士鄧自剛: 當時也是前期做了很充分的一種設計, 設計了夾具之後, 然後現場又不斷地摸索, 不斷地改進, 最後找到了一種比較優的方式, 我們最後84塊永磁軌道, 安裝只花了一天的時間.
永磁導軌材料的難題得到解決之後, 鄧自剛的團隊開始面臨第二道難題的考驗, 這就是世界製造磁懸浮列車最為核心的高溫超導材料.
鄧自剛: 我們的超導材料, 就裝在我們車子四個角, 這塊黑色的蓋板裡面. 這個超導材料, 它就替代了咱們汽車的四個輪子. 這個超導材料, 在我們液氮低溫的環境裡面, 它就可以實現懸浮.
本世紀第一個10年, 全球只有3家第二代高溫超導材料供應商, 2家在美國, 以昂貴的價格向全世界銷售, 另一家企業在日本, 但禁止出口. 如果材料只能靠進口, 我國發展高溫超導產業就會被 '卡脖子' . 經過多方尋找, 鄧自剛把目光鎖定在上海超導科技公司.
上海超導科技股份有限公司超導材料事業部副總經理吳祥: 為什麼我們做這個事情? 也是有一個情懷在. 因為以前我們去參加國際會議, 大家來報道的超導材料, 都是別人做的, 一說到中國的超導, 提問的就非常的少, 就是有一種感覺, 就是中國沒有人做出來這個東西. 我們的想法就是, 不管怎麼樣, 一定要把這個做出來, 就是為了爭這口氣.
2011年, 上海超導科技公司正式成立並開始研發. 他們遇到的第一個難關, 就是怎樣將不同的塗層和超導帶材緊密連在一起. 超導帶材是由好幾層不同原料加工塗抹在一起的, 超導層位於中間核心層, 外面主要分為機帶, 隔離層, 緩衝層等七, 八層, 之所以加這麼多層, 主要起保護, 緩衝作用, 相當於給中間層的超導帶材, 穿了一套防護鎧甲, 讓超導帶材的性能保持穩定性和一致性. 但這幾層原料都不同, 塗抹的厚度, 需要非常薄, 非常均勻. 工藝難度極大.
上海交通大學國家能源智能電網 (上海) 研發中心電氣工程系特別研究員趙躍: 它是在一個50微米厚的, 不鏽鋼帶材上, 所鍍著的超導薄膜, 50微米厚的是一個什麼概念? 就是我們大概頭髮絲一樣的厚度, 但是它們中間所起到的, 最重要的超導層厚度, 僅為頭髮絲厚度的大概1%左右.
上海超導科技股份有限公司超導材料事業部副總經理吳祥: 超導層其實說白了, 是我們現在最難鍍的, 因為它的工藝很特殊, 我們用的是雷射附著沉積來鍍膜.
但最艱難的, 是將超導帶材連接在一起的技術, 儘管現在超導帶材長度已從最初的百米級做到現在公裡級長度, 但受限於現有技術, 世界上還沒有不做接頭的超導帶材. 超導帶材一有接頭, 就會有電阻. 如何把電阻降到最低值, 不僅是中國人的難題, 也是世界各國企業面對的難題.
吳祥: 我們公司研製了一個超導接頭技術, 它的電阻能夠達到兩納歐姆左右, 現在國際上大家正常能夠做到幾十納歐姆左右. 兩納歐姆算是目前比較低的了.
經過3年多的努力, 世界先進水平範圍內的超導材料, 終於在中國上海研製成功.
趙躍: 我們同樣的一個條件, 和國際的一些同類產品進行比較, 它的性能, 載電流能力提高了25%, 在這個條件下, 我們絕對領先.
這種性能先進的超導材料應用前景廣闊, 不僅用於磁懸浮交通, 還運用到超導電纜, 新能源汽車無線電充電系統, 甚至國防軍事上, 比如飛彈新的發射技術——冷發射.
趙躍: 傳統的飛彈方式是點火發射, 在一開始飛彈點火的過程中, 會產生大量的熱, 被敵方偵查到, 這樣會對飛彈採取一定的措施. 如果我們採用超導儲能裝置, 在短時間把巨大的能量, 迅速地釋放出去, 可以把這個武器拋射到空中, 達到一定的高度再點火, 敵人就很難發現, 這是一個非常熱門的技術, 各個發達國家都在研究.
材料和軌道這兩道難關通過了, 西南交大實驗室裡的鄧自剛, 開始面對最後的難題, 磁懸浮的實驗車.
和其他材料研發的模式一樣, 磁懸浮實驗車的研發工作, 從成都轉移到了中車唐山機車公司. 怎麼讓車懸浮起來, 還能保持磁懸浮車無論轉彎, 還是上下坡, 都能安全, 平穩運行, 沒有噪音呢? 中車唐山機車公司的科研人員接過了研發的接力棒.
中國中車唐山機車車輛有限公司博士高級工程師吳會超: 我們每個轉向架, 相當於蜈蚣的一排腿, 我們轉彎的時候, 就過彎道的時候, 每個模組, 都可以靈活進行轉動, 這樣的話, 我們懸浮車過整個的小彎道, 是非常靈活的.
2014年, 真空高溫超導磁懸浮實驗線, 在西南交大的成都實驗室裡順利搭建完成. 西南交大幾代學者, 通過不懈努力, 在磁懸浮領域創下一個又一個研製奇蹟. 與此同時, 他們在科研理論上的貢獻, 也獲得了國際國內的巨大反響. 2016年, 鄧自剛的大學老師王家素, 王素玉老師, 將自己畢生研究的心血, 撰寫下來, 在德國出版發行. 此時, 距德國學者提出磁懸浮技術將近百年, 這是中國學者在磁懸浮發源地德國, 第一次用英文出版發行的超導專著.
西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士鄧自剛: 這兩本書就體現了一個, 高溫超導磁懸浮技術, 從領先到被追趕, 到再次領先的一個過程.
西南交大在高溫超導磁懸浮方面的研究成果, 也強烈吸引著國外同行. 鄧自剛告訴記者, 幾個月後, 也就是2018年7月, 有幾名巴西學者會來西南交大留學.
西南交通大學首席教授牽引動力國家重點實驗室主任張衛華: 隨著我們今年時速400公裡, 400公裡+, 這樣一個試驗平台的完成, 我們速度也可以做到最高. 接下來我們還做時速1500公裡, 所以說我覺得我們在國際上, 應該無論高溫超導磁浮, 還是真空管道, 都是走在前面的.
目前中國, 德國, 日本, 美國, 巴西等國正加大力度推進超導磁懸浮車的實用化進程. 美國Hyperloop one公司在內華達沙漠搭建了500 m長的真空管道試驗線, 並於2017年實現了310 km/h的最高時速. 在國內, 中車青島四方機車公司, 2016年10月正式啟動, 研製時速600公裡的高速磁浮列車項目. 2017年8月, 中國航天科工集團宣布, 人類第五種交通工具 '高速飛行列車' 項目已開展研究論證, 時速最高可達4000公裡, 相比現在京滬高鐵運行的最高時速350公裡, 要快出10倍!
半小時觀察
在科技研發最關鍵的時刻, 我們的鏡頭能記錄的都是過程中的艱辛和枯燥. 但正如西南交大校長所說, 今天這個時代就是一個創造奇蹟的時代. 中國的高鐵今天已經走在了世界的最前面, 而下一代革命性的技術研發, 中國科學家也沒有絲毫的鬆懈, 也許在不久的將來, 你我坐上時速上千公裡的高鐵時, 我們會回想起今天這些科學家們的艱苦努力, 過程就是這樣的枯燥, 但最終彙集在一起的就是中國製造的奇蹟.
