希望5到10年内，
高温超导磁悬浮列车就能走进我们的生活。
邓自刚· 西南交通大学研究员
格致论道·湾区第25期 | 2023年9月25日 广州
大家好，我是邓自刚，来自西南交通大学。 非常荣幸能在这里分享我们的研究《未来交通： 高温超导磁悬浮列车》。
我们对速度的追求从未停止过脚步。从人类诞生至今，速度的极限伴随着交通工具的发展而逐渐被刷新。从时速100公里的汽车，到时速350公里的高铁，再到时速1000公里的飞机，它们每一项都是一个时代的标志。如果仔细去看人类交通速度发展史，就会发现在高铁和飞机之间有一段很长的空白区。大家想一想，为什么这段空白区里面没有交通工具？是什么制约着速度的提升？用什么交通工具可以达到这样的速度？
▲左：轮轨黏着
中：弓网接触
右：蛇行失稳
大家想必对高铁都不陌生，高铁是靠轮子来支撑和驱动的，所以又被称为轮轨高铁。高铁已经成为我国的金质名片，实现了领跑世界的目标。但如果要进一步提速，还是会面临很多的挑战和困难，比如轮轨黏着、弓网接触、蛇行失稳等等。那用什么样的技术可以解决这些问题呢？
答案是磁悬浮。磁悬浮是轨道交通速度追求的新范式，它有很多优点。第一点是高速不可替代性，它摆脱了传统轮轨接触，速度可以达到更高，能耗也可以做到更小；第二是低噪音不可替代性，没有轮轨的接触噪声，运行起来非常安静；第三点就是环保无污染，它更加节能，并且无碳排放。
磁悬浮其实有好几种
根据原理的不同，磁悬浮技术可以分为四大类：永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮以及钉扎悬浮。
▲ 主要的磁悬浮种类及代表国家
可以看到，每一种磁悬浮制式的后面都有中国两个字。可以想象未来在中国，磁悬浮肯定是非常红火的。在同行们的共同努力下，中国已成为世界上磁悬浮专利排名第一的国家。
接下来，我们来了解一下每种磁悬浮的基本原理。第一种叫永磁悬浮，它的原理是同性相斥，用两块磁铁相互排斥就可以实现悬浮。
这种悬浮结构比较简单，载重能力比较大。但是两块磁铁靠近的过程中会有一个横向的不稳定力，所以它在横向需要一个机械限位。
第二种是电磁悬浮。顾名思义，它的原理是电生磁。电磁悬浮是依靠电磁铁通电产生磁场，和铁磁性轨道之间产生吸引力，利用吸引力将车子吸上去。
这种技术的代表有德国的常导电磁悬浮技术，上海的浦东机场就有一条这样的高速磁悬浮线运营，它的最高速度已经达到了550公里每小时。目前，世界上所有商业运营的磁悬浮列车都采用了这种磁悬浮技术。即将在广东清远开通的磁悬浮列车也是如此。
第三种是电动悬浮。这里有个核心词叫“动”，电动悬浮的原理是“动生电”。一个磁体源需要在导体板或者导体线圈上面移动，在移动过程中，下面就会产生一个和它相互排斥的感应磁场，这样就让车子悬浮起来了。这种磁悬浮的特点是运动才能产生悬浮，就像飞机需要轮子来助跑一样，跑到一定的速度才能够起浮 。
这种技术的代表有日本的低温超导电动悬浮，它在2015年创造了603公里每小时的世界纪录，这也是目前为止地面轨道交通最高速度记录。
为了让大家更容易理解“动生电”的原理，我们的学生做了一个实验。在运动的磁体下面用一块铝板切割磁力线，于是磁体就可以悬浮起来。这个实验完美地阐释了什么是“动生电”，只要有运动就可以产生悬浮，和“打水漂”的原理相似。
第四种就是我们研究的高温超导磁悬浮，这种磁悬浮的原理是“感生电”。
它不需要通电，电流是靠超导体所在位置磁场发生变化时，在超导体内部所产生的感应电流。
这种磁悬浮比较神奇，从图片里面可以看到，内部具有超导体的模型小车既可以悬浮，又可以悬挂。一会儿在轨道的上面，一会儿在轨道的下面。
为什么它能够有这种能力？这是因为超导材料内部的磁通钉扎特性：超导体中具有阻止磁通线流动的钉扎中心，无论这个超导体要向任何一个方向移动的时候，都会产生一个回复力。就像有一个无形的弹簧一样，如果要压它，就是排斥力；如果要拉它，就是吸引力。所以它既能悬浮又能悬挂。
高温超导和低温超导，哪个更好？
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那什么是高温超导？ 首先，我们要回答什么叫超导。超导就是在一定的温度下，它的电阻完全消失为零，这个温度也被称为叫临界温度。
1911年，荷兰莱顿大学的昂内斯教授发现了金属水银汞在4.2K的时候出现了超导现象。他将其命名为super conductive，超导便由此诞生了。
而高温超导是相对低温超导而言的，我们用两种低温液体来让大家更好地区分。我们将能在液氮温区工作的超导材料都泛称为“高温超导材料”，液氮的工作温度是77K，也就是零下196摄氏度。另一种低温液体是液氦，它的温度更低，是4.2K，接近绝对零度。我们将能在液氦温区工作的超导材料都称为低温超导体。
大家可能会问，是高温更好，还是低温更好？肯定是高温好。高温是采用液氮来冷却的，而液氮是靠氮气液化产生的。空气中的78%都是氮气，所以说液氮的成本很少，它的价格是液氦的1/100。
1986年，镧钡铜氧超导体被发现，它的临界温度提高到了35K。隔年，中国科学院物理所的赵忠贤院士团队和美国休斯顿大学的朱经武院士团队，分别独立发现了首个液氮温区可以工作的超导体——钇钡铜氧超导体，它的临界温度是93K。已经超过了液氮的沸点77K，这是具有跨时代意义的。现在我们的磁悬浮列车用的就是这样一种材料。
我们的学生也做了两个小实验，便于大家更加清楚地了解高温超导磁悬浮的神奇。
这里是感生电的原理。大家可以看到，未在轨道上时，铝板会掉落并产生声响。而在轨道上时，铝板缓慢下落，我们听不到声响。这是由于轨道是由永久磁体组成的，所以铝板下降的过程中会接触到磁场，内部产生的感应电流会阻碍下降，从而产生了悬浮现象。
这就是高温超导磁悬浮的原理。我们向小模型中加入液氮，使超导体进入超导态，它就即能悬浮，又能悬挂了。
所以只需要三个要素，就可以实现高温超导磁悬浮，分别是高温超导材料、液氮以及用永久磁体拼成的轨道。
用悬浮装置替代轮子安装在列车的下面，就组成了高温超导磁悬浮列车。照片中两边银色的是永磁轨道，起到了悬浮和导向的作用。中间的线圈就是直线电机，起到了牵引和制动的作用。整个列车非常简洁。
这是我们做的一个样车，虽然它有13吨重，但浮起来之后前进方向没有阻力，一个小女孩就可以将它推走。
高温超导磁悬浮列车在工程化应用的时候也有很多的优势，第一个优势是悬浮、导向一体化、自稳定，系统结构简约，不需要额外的控制系统。第二个是不需要额外耗电，只用液氮来维持，所以运营成本比较低。它的悬浮高度也比较适中，在10-20毫米的范围，行进方向没有固有磁阻力，系统能耗小。磁轨产生静磁场，没有电磁辐射的问题。悬浮能力也比较强，浮重比可以做到1:20，也就是说一公斤的超导材料，可以悬浮二十公斤的重物。
最重要的是，这个技术和现有的高铁技术是兼容的。只要将钢轨换成磁轨，中间铺上直线电机，列车就可以运行。为了让列车更安全，我们还设计了一个U字型的轨道，是一种轨抱车的结构。
潜心造车二十年
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回顾一下我们的工作，可以说是20年潜心造一辆车。
从左边的照片可以看到 ，在2000年12月31日，世界首辆载人高温超导磁悬浮车研制成功。这辆车是我的导师王家素老师与王素玉老师带领团队艰苦奋斗的结果。他们凭借顽强的毅力和创新精神，开启了全世界高温超导磁悬浮车的研究序幕。
经过了20年，接力棒传到了我们的手中，我们立志将老师的成果继续传承和发扬光大。终于在2021年的1月13日，联合中国中车和中国中铁单位，世界首台高温超导磁浮工程化样车在成都的西南交通大学下线。这个成果与项目组每一个人的付出和努力是分不开的。
其实从两位老师的艰苦奋斗，再到我们这一代的传承，梦想一直在延续，我们希望能够再创造一个世界第一。所以为什么我们将样车的设计速度定为620公里每小时？就是因为我们希望能够打破日本低温超导磁悬浮创造的603公里每小时的世界纪录。
记得在高温超导磁悬浮样车与大家见面的前一天晚上，我们将支撑车子的千斤顶取下之后，实际上车子就已经浮起来了。但是因为天特别黑，根本就看不见。所以我就一直在问工程师车子有没有浮起来。当时我非常紧张，也非常激动。
这个车子有13吨重、21米长，也是我们第一次悬浮这么大的车。好在结果是令人欣慰的，车子成功地悬浮起来了，而且非常稳。在场的每一个人都非常激动，大家脸上也出现了笑容，这也更加坚定了我们将高温超导磁悬浮事业往前推进的信念。
下一步：真空管道磁悬浮
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那么列车的速度还能不能更快？答案肯定是能，就是采用磁悬浮加真空管道的方式。
早在1904年，“火箭之父”罗伯特·戈达德就提出了真空管道运输这一概念。但由于需求不足，以及技术的成熟度跟不上，所以这个想法一直停留在纸面上。
近年来，随着我国轨道交通技术的快速发展，以及人们对出行质量的要求越来越高，真空管道磁浮交通就再一次出现在我们的视野里。
磁悬浮技术消除了轮轨之间的机械摩擦，但是还有一个影响列车提速的重要因素，那就是空气阻力。而真空管道的引入完美地解决了这个问题。
▲低气压管道 降低空气阻力
它可以通过降低管道内部空气的气压，创造一个类似于飞机在万米高空飞行的环境，实现超高速、低能耗运行。同时它也具有安全、舒适、环保等优点。我们相信，真空管道磁悬浮交通的速度有望超过1000公里每小时。
目前在真空管道磁浮交通研究领域，呈现出中国、美国、欧亚等多方布局的全球格局。特别是从2013年以来，真空管道磁浮交通发展迅速。
这也要部分归功于埃隆·马斯克，也就是特斯拉的CEO。他在2013年提出了Hyperloop“超级高铁”的概念，吸引了全世界范围内的更多的科研工作者一起加入这一领域。目前国际上有5个国家、7个单位在研究超级高铁，国内外的竞争十分的激烈。
其实各个研究团队的方案都大同小异，都是采用真空管道加磁悬浮加直线电机的方案。但我们团队采用的是我国原创的高温超导磁悬浮技术。
这个系统的核心问题就在于方案的技术可行性验证。早在2004年，沈志云院士就提出并组织论证了真空管道磁悬浮交通的可能性。其中主要的两个研究重难点分别是超高速的适应性和低气压的适应性。
▲发展规划：“三步走”战略
任何研究都不是一蹴而就的，我们需要脚踏实地，一步一个脚印往前推进。为此，西南交通大学制定了“三步走”的战略，希望通过研制不同速度等级的试验平台来推进这项技术的成熟。
第一步，我们在2014年研制成功了“Super-Maglev”真空管道磁悬浮环形线。环形线的半径是6米，管道的直径是2米，运行最高速度为50公里每小时。
这个环形线实现了在0.029个大气压，也就是相当于海拔24000米的高度下，超导磁悬浮车连续运行10小时。因此，就验证了真空管道加高温超导磁悬浮的可能性。目前为止，这条线已经安全运行了10年，有15000人来参观并体验过。
第二步，我们想提高它的速度，所以在2019年做了一个直线型的真空管道高速试验台。这个直线管道是140米，里面跑的是1∶10的模型车。我们设计的气压是0.05个大气压，相当于海拔20000米。在管道里面，我们要实现400公里每小时的速度等级。
第三步，我们现在正在建设最高时速1500公里的真空管道超高速试验平台。这个管道的直径是3米，它的长度延长到了1.6公里，管道内部的真空度为500帕，相当于海拔约35000米，里面是一个1:8的模型车。我们希望在这个平台上进行高温超导磁悬浮列车在超高速低气压下的运行试验。
设想一下，如果这种交通研制成功，我们从成都到北京大约1800公里，用磁悬浮加真空管道的方案大约只需要1个多小时。现在乘坐高铁大约需要8个小时，乘坐飞机也需要3个小时。可以很清楚地看到，交通工具速度的提升可以大大地节省出行的时间成本。
最后，我想用罗伯特·戈达德的一句话来结束今天的演讲，就是“昨天的梦想，将变成今天的希望，也将变成明天的现实”。在1904年，他第一次提出真空管道交通的设想的时候，当时的火车才跑几十公里每小时。而他提出来了1000公里每小时的这种交通，受到了非常多的质疑，他用这句话来勉励自己。
这么多年来，这句话也一直在激励着我们。我们坚信梦想终将照进现实，希望5到10年之内，高温超导磁悬浮列车能够走进我们的生活。
谢谢大家！
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