互动科普

利用电磁铁的力进行悬浮

接着我们来看看实际中超导列车的推进方式。解开问题的钥匙正是作为超导列车运行“轨道”的“引导线”，引导线设置在两侧，其中布置了用以悬浮和推进用的线圈。

所谓“悬浮线圈”就是使列车浮起来的线圈。这个线圈并没有使用超导体，只是一般的线圈。当超导列车在线圈的近旁通过时，在车厢侧面的超导磁铁产生的强力磁场的作用下，悬浮线圈中产生电流（电磁感应）。有电流流动的线圈变成了电磁铁，它和车厢里的电磁铁之间产生一个斥力，斥力朝向浮起方向。但是要想产生足以浮起列车的力，要求列车必须以足够快的速度通过悬浮线圈。因此当超大列车低速运行时实际上浮不起来，而是用轮轨运行。

而超导列车的推进力是通过超导电磁铁和安装在引导线侧壁的推进线圈之间产生的引力、斥力完成的。推进用的线圈和悬浮用的线圈同样由导线制成，因此从外部来的电流使它成为电磁铁。改变电流的方向就能翻转电磁铁的N极和S极。在列车运行时，只要掌握好N、S极切换的时机，就能一直让车辆受到向前加速的力。另一方面，只要错过N、S极切换的时机，就会产生与车辆运行方向相反的力，也就是减速。

利用超导电磁铁进行浮起、加速、减速等运行所需的基本功能，现在都已经实现，目前在为运营做进一步的准备。

没有损失的超导输电

向着实用化迈进的超导技术不只有超导列车。利用超导体电阻为零的特性，在超导输电方面也有应用。超导输电对于能源紧缺的日本来说是非常值得期待的一项技术。

一般的输电线选用电导性好的金属材料。但是不论多好的电导能力，只要不是超导体就会有电阻。结果就在输电的时候产生热。现在的电网中大约5%的电力变成了热而损失掉。如果把输电线换成超导体的话，电阻就变成零，也就无输电损失了。

难以实现的超导输电

实际上使用超导体来做输电线的想法由来已久。但是把超导体加工成电缆的形状并不容易，维持超导态所需要的冷却系统也是难上加难，所以超导输电有很大难度。

现在使用的超导输电电缆的材料是铋或者钇、钡的铜氧化物，如铋锶钙铜超导体的转变温度为110K（-163℃）。这里的氧化物是一种陶瓷制品，但可以拉伸、弯曲，加工的容易程度媲美金属，当然这种氧化物也非常容易切割。因此加工成电缆的形状也并不难。

如果使用金属超导体的话当然是比较容易做成输电电缆的。可是能够成为超导体的金属的转变温度都非常低，所以为了冷却，必须要使用4.2K（-269℃）的液氦。一升液氦的成本大约1000日元（约56元人民币）。使用金属类材料制作超导体电缆，成本巨大，仅在这一点上就是万难实现的。

实际上用来冷却超导电缆的77K（-196℃）的液氮比矿泉水还要便宜。把超导电缆密封在管道里，使用液氮循环冷却。管道犹如魔法瓶一样形成真空层，起到隔热的作用。但热是不可能被完全隔绝的，因此循环中的液氮必然慢慢升温。所以为了实现超导输电的实用化，能够高效制液氮的制冷机也是必不可少的。如果制冷机的性能不佳的话，它所耗掉的电能比通过超导输电省下来的电能还多。

直流与交流输电都在试验中

目前日本正在进行两大输电试验。其一是在神奈川县鹤见区的变电所进行的“交流超导输电试验”。在这个试验中改造了变电所的大约240米的输电线路，通过这个变电所的全部60万千瓦的电力中，有20万千瓦会用到超导电缆，这样实现了大约一年的输电。

另一处的实验是在日本北海道石狩市进行的“直流超导输电试验”。在一次试验中，约10万千瓦的电力通过埋在地下的500米超导电缆输送。这也是世界上最大规模的直流输电实验验证。在之后的试验中，计划将要在地面铺设1000米的超导电缆进行进一步的验证试验。

神奈川县和北海道的两项试验分别使用了交流电和直流电。所谓交流电，是指电流的方向和大小发生周期性的变化，而直流电的方向和大小都保持不变。那么交流和直流电到底有什么差别呢？

直流电可以100%地利用超导体的性能

一般来说，发电站产生的电力都是使用交流电来向外输出的。而在电器中使用的则是直流电。所以从发电站输送到千万家庭的交流电会在实际的使用中转换成直流。这一转换也将损失不少的能量。

另外，使用交流电时电流的大小和方向总是在不断地变化，这一过程产生的电磁辐射损失掉的能量即便使用了超导体也是无能无力的。在北海道石狩市进行的500米长度的输电试验中，如果使用的是一般的直流电缆的话，可以计算出大约要损失掉6.5%的电力。而试验中使用了超导电缆，可以做到在该部分损失的能量为零。

加之，直流电的输送就是电流从高压端到低压端单向流动，所以只要1根输电线就够了，而对于交流电的情况，从发电机的设计上来说，必须要有3根输电线。所以不仅装有电缆的配管要更粗，能够冷却3根导线的制冷系统也是必要的。

如此说来，使用直流电比使用交流电的优势可能更加明显。但是现在的发电设备基本上都是使用交流电。所以使用交流超导输电的时候只要用超导电缆替换掉现有的电缆就可以了。初期的投入将会占有压倒性的优势，所以全世界超导输电研究的主流也是交流输电。

超导电缆

输送太阳能发出的直流电

在北海道进行的试验的最终目标是把太阳能发出的直流电输送给临近的樱花网络公司的数据中心。不通过电力公司，而是自己生产电力。

太阳能发出来的电本来就是直流电。所以如果能够结合超导输电的话，理论上将不会有输送中的能量损失。所以也就消除了从发电站出来的交流电接入时带来的交流转直流，反过来直流转交流等过程中损失的电力。

由于先前进行的验证试验获得成功，2015年9月25日开始正式把太阳能发出的电力用直流超导电缆输送到数据中心。这次不是作为检验，也不是研究机构的试验行为，而是用生产中的设备实际进行输电。顺便说一下，这次太阳能发电的最大功率是200千瓦。

虽说使用超导电缆的输电设备在技术上已经成为了现实，但也不会去替换从发电站到各个家庭的输电线路。由于成本等现实问题，目前还只限于类似电站、数据中心这种处理大量电力的场所使用，因为在这些场所引入超导输电所带来的节约效应会比较高。

（本文发表于《科学世界》2016年3期）