常溫超導(dǎo)這么火，航天受益有多大？
近日，韓國(guó)一篇論文聲稱發(fā)現(xiàn)了世界上首種常溫超導(dǎo)材料，引發(fā)大眾關(guān)注。如果無(wú)視網(wǎng)絡(luò)上的種種喧囂，我們不妨弄清楚3個(gè)問題：什么是超導(dǎo)和常溫超導(dǎo)？為了獲取相關(guān)成就，科研人員需要攻克哪些技術(shù)難關(guān)？如果常溫超導(dǎo)成真，在航天領(lǐng)域可能具備怎樣的應(yīng)用前景呢？
神奇背后限制重重
討論常溫超導(dǎo)之前，我們有必要理解超導(dǎo)的概念。所謂“超導(dǎo)”，就是電流能夠不受阻礙地流經(jīng)導(dǎo)體，并產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)。超導(dǎo)在日常生活中最常見的應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)該是醫(yī)院的核磁共振儀，其最核心組件是由鈮鈦合金絲繞制的線圈。
不過，材料想達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，在傳統(tǒng)上需要使用大量液氦和低溫制冷機(jī)，冷卻到零下264攝氏度左右，無(wú)疑會(huì)付出極大的代價(jià)，包括巨大能耗、液氦的昂貴成本和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等。近年來，隨著材料技術(shù)進(jìn)步，一些在液氮溫區(qū)（約零下196攝氏度）甚至更高溫區(qū)下就能展現(xiàn)超導(dǎo)特性的材料不斷被發(fā)現(xiàn)、改良，但距離室內(nèi)常溫還很遙遠(yuǎn)。
航天電磁發(fā)射裝置想象圖
超導(dǎo)研究是20世紀(jì)材料學(xué)的前沿領(lǐng)域。1908年，液氦制取成功，沸點(diǎn)約為零下269攝氏度，為超導(dǎo)研究奠定了基礎(chǔ)條件。1911年，科研人員發(fā)現(xiàn)，在液氦環(huán)境的極低溫度下，水銀的電阻突然消失了。這被認(rèn)為是超導(dǎo)研究的“起點(diǎn)”。1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德認(rèn)識(shí)到，只要材料溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總和就為零，即具有完全抗磁性。這就是超導(dǎo)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)“邁納斯效應(yīng)”。
那么低溫超導(dǎo)是如何產(chǎn)生的呢？答案蘊(yùn)含在精妙的微觀世界中。
經(jīng)典理論認(rèn)為，電阻是電子在導(dǎo)線中碰撞、受阻所致。
然而，在超導(dǎo)材料中，電子會(huì)結(jié)成一對(duì)一對(duì)的所謂“庫(kù)珀對(duì)”，就像舞蹈一樣，迅速避開阻礙，實(shí)現(xiàn)電流的零電阻傳輸。這種奇妙的現(xiàn)象被認(rèn)為是由材料晶體內(nèi)部原子的振動(dòng)引發(fā)的，也就是由巴丁、庫(kù)珀、施瑞弗共同提出的“BCS理論”。
然而，受限于液氦等極低溫條件，超導(dǎo)長(zhǎng)期難以在大規(guī)模工程中廣泛應(yīng)用，也促使科研人員對(duì)“高溫”超導(dǎo)的研究投入了巨大的熱情。1986年，科學(xué)家們驚喜地發(fā)現(xiàn)，釔鋇銅氧化物、鉍系材料等在相對(duì)較高的液氮溫區(qū)下仍然能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)現(xiàn)象。這意味著，可以將獲取更簡(jiǎn)便、成本更低廉的液氮作為超導(dǎo)冷卻劑。
這個(gè)突破為超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用提供了更廣闊的“舞臺(tái)”，也為許多大科學(xué)裝置的建設(shè)提供了有力保障。比如，“東方超環(huán)”和國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆等設(shè)施都應(yīng)用了新型超導(dǎo)電纜，有效降低了制冷系統(tǒng)的功率需求。
但“高溫”超導(dǎo)研究當(dāng)前似乎遇到了“理論滯后于現(xiàn)實(shí)”的困境?？茖W(xué)家們一直在努力探索其中的奧秘，至今仍未完全揭示其具體原理，基本上停留在假說階段。例如，一些學(xué)者認(rèn)為，電子之間復(fù)雜的相互作用、新的凝聚態(tài)現(xiàn)象等或許是“高溫”超導(dǎo)誕生的主要原因。
不難看出，超導(dǎo)研究領(lǐng)域的所謂“高溫”仍然不是大眾日常能夠體驗(yàn)到的，那么在室溫條件下獲得超導(dǎo)更是困難重重。
航天應(yīng)用前景無(wú)限
航天是利用速度擺脫星球引力束縛、探索并開發(fā)浩瀚太空的偉大事業(yè)。而最經(jīng)典的航天器運(yùn)載工具就是火箭，一般利用燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高速噴流，產(chǎn)生強(qiáng)大的反作用力，將載荷不斷加速、抬升，直到飛出大氣層。
但現(xiàn)有的火箭大多數(shù)是從地面發(fā)射架上直接起飛，為了加速飛離空氣稠密阻力大的對(duì)流層，需要消耗大量燃料，這也意味著火箭會(huì)損失許多寶貴的運(yùn)力。
為了解決這個(gè)問題，航天發(fā)射機(jī)構(gòu)提出了五花八門的創(chuàng)新方案，包括飛機(jī)掛載火箭空中發(fā)射、巨型飛艇和氣球提升火箭到高空發(fā)射、離心機(jī)甩出火箭發(fā)射等。
比如，美國(guó)飛馬座空射火箭在1990年成功入軌，在發(fā)射前會(huì)被懸掛在經(jīng)過特別改裝的客機(jī)機(jī)腹下。載機(jī)在13000米左右高度以0.8馬赫平飛時(shí)，火箭被投放，隨后點(diǎn)燃第一級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)，加速爬升。
但這些發(fā)射方式都存在一些弊端，尤其是飛機(jī)等平臺(tái)的運(yùn)作維護(hù)成本不低，運(yùn)輸能力有限，一般只能發(fā)射小型火箭，入軌運(yùn)力不足。例如，飛馬座火箭的700公里太陽(yáng)同步軌道運(yùn)力僅有200公斤出頭，只能投送小型載荷入軌，單位發(fā)射成本要高于很多地面發(fā)射的大中型火箭，因此飛馬座火箭乃至后續(xù)的空射火箭規(guī)模化應(yīng)用始終困難重重。
不過，一旦常溫超導(dǎo)材料問世并成功實(shí)用化，航天發(fā)射史有望“翻開全新的一頁(yè)”。比如，科研人員和工程師可以借鑒磁懸浮列車和電磁彈射器的原理，構(gòu)建起一種新概念航天發(fā)射裝置，其結(jié)構(gòu)類似于一條垂直于地面的磁懸浮列車軌道。
屆時(shí)，在矗立的發(fā)射塔上，懸浮線圈負(fù)責(zé)維持火箭的發(fā)射方向，并避免火箭與軌道發(fā)生摩擦而產(chǎn)生阻力，加速線圈則為火箭提供強(qiáng)大的起飛推力，幫助它盡快沖出空氣稠密的近地高度。當(dāng)火箭被發(fā)射裝置充分加速并沖出對(duì)流層后，再點(diǎn)燃第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，繼續(xù)加速爬升，最終入軌。
相比空中發(fā)射，這種發(fā)射方式基本上僅消耗電力，而且由于常溫超導(dǎo)材料不需要配備復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，發(fā)射裝置的規(guī)?？梢宰龅煤艽螅虼擞型麑⒏氐妮d荷送入軌道，單位發(fā)射成本也會(huì)顯著降低，很可能催生出更大的航天器組合體和全新的太空活動(dòng)形態(tài)。
除了航天發(fā)射領(lǐng)域外，常溫超導(dǎo)材料在衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器上也具有廣泛的應(yīng)用前景。
例如，在航天器設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)電子設(shè)備和敏感儀器采取合適的屏蔽手段，保護(hù)它們免受外界磁場(chǎng)干擾。常溫超導(dǎo)將是磁屏蔽裝置的完美材料，只需制成殼體，再將對(duì)磁場(chǎng)敏感的儀器設(shè)備放入其中，就可以在內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)屏蔽區(qū)域。
此外，常溫超導(dǎo)材料如果用于制造導(dǎo)線，替代航天器內(nèi)部的傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線，不僅有望降低電功耗，還能顯著減少熱量，從而簡(jiǎn)化供電和溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，助力新型衛(wèi)星性能更強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)更輕巧。
總之，超導(dǎo)技術(shù)在短短幾十年內(nèi)取得了巨大的進(jìn)展，為人類追尋美好生活、探索未知世界帶來了全新的可能?？蒲腥藛T對(duì)超導(dǎo)的研究和實(shí)驗(yàn)不斷深入，一直在不懈地探索和挑戰(zhàn)著物質(zhì)的極限。而航天作為眾多最前沿科技的優(yōu)先應(yīng)用領(lǐng)域，未來常溫超導(dǎo)也一旦成真，必將在此大放異彩，幫助人類進(jìn)一步探索和開發(fā)浩瀚蒼穹。
