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【科技观察】室温超导体如果被证实，会为全球科技带来什么变化？
日期：2023-08-11 作者/来源：

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如果室温超导真的被证实，不仅能避免世界陷入经济衰退和战争，甚至有望成为开启第四次工业革命的“金钥匙”，彻底改变人类社会的生产生活方式。


▲ 图源：New Scientist


为什么LK-99在发布之后瞬间引爆了国内外的关注度？OpenAI的创始人山姆奥特曼（Sam Altman）也不禁感慨起来它的热度。


要知道在此之前, ChatGPT一度被认为是近年来最具有前景的技术，现在局面颇有些“新王登基”的意味。


究其原因，还是世界太需要一个“白马技术”，正如上世纪末的计算机与互联网技术和近十年来的移动互联网技术一样，带领经济走出泥潭。


畅想一下：如果室温超导真的被证实，不仅能避免世界陷入经济衰退和战争，甚至有望成为开启第四次工业革命的“金钥匙”，彻底改变人类社会的生产生活方式。


▲Sam Altman感慨：现在招聘都要求两年LK-99经验了[1]

图源：推特


首先在电力传输方面，超导体的零电阻特性具有无可比拟的优势。输配电电网损耗和变压器损耗通常约占所有发电量的4-15%，其中大部分都是由电阻造成的。


每一年美国电网的输配电损耗占总电力的5%左右——足以为所有七个中美洲国家供电四次[2]。输电线路越长，则由电阻引起的损耗也越大，而全世界的输电线路总长有470万公里[3]。


如果全部更换为常压室温超导，所带来的经济效益将是天文数字，还不包括在更新换代过程中所创造的上下游产业红利以及所带动的投资与就业机会。


▲ 现有的合金输电线[2]

图源：International Journal of Electrical Power & Energy Systems


除能源的运输以外，超导材料在能源的产生方面也将起到颠覆性的促进作用。可控核聚变被视作最有前景的清洁能源，它利用核聚变原理产生巨大的能量，又不会产生放射性污染物。通过可控核聚变，几克的氘（重氢）和氚（超重氢）的混合物，就可以产生一个人在60年内所需要的能量[5] ，而核聚变的原料在地球上又极易获得。


但在地球上产生核聚变的难点在于：需要将混合物加热到1亿5千万摄氏度的等离子态[6] ，这是任何实体物质都无法承载的温度。因此往往采用利用超强的磁场来约束等离子体（12-20T），而目前的强磁场需要使用远低于室温的超导材料来产生。


“托卡马克”是以此原理设计的可控核聚变装置，ITER和EAST项目都基于这种方式。而托卡马克装置能产生的最大稳定等离子体电流与外加磁场强度成正比[6] ，如果室温超导能够被证明且应用，那么可以更稳定地产生更高强度的磁场，并且可以除去现在的超导材料所用的大量制冷剂和制冷设备。这或许会帮助可控核聚变朝商业应用前进一大步。


▲“托卡马克环”的结构图[6]

图源：Nature Physics


文明发展中的任何问题归根结底是能源问题。卡尔达舍夫等级（Kardashev Scale）根据对能源的利用能力将文明分为三个等级[7] ：I型、Ⅱ型和Ⅲ型, 分别可以运用一个星球、一个恒星、一个星系的能量。


著名的“戴森球”就是设想中Ⅱ型文明的一种实现方式。根据国际能源署的数据，地球上的人类文明目前达到了0.728级文明[7] 。而如果室温超导真的实现，凭借可控核聚变+无损耗传输这两张“王牌”，或许人类社会有望达到I型文明并开始向星际文明发展。而在此之前，它将改变的远远不止能源。


▲卡尔达舍夫的三种文明等级[8]

图源：维基百科


同样是由于室温超导材料的零电阻特性，磁共振成像（MRI）可以达到更加小型化、低成本、高分辨率。目前的磁共振成像仪主要使用Nb-Ti超导材料，并用液氮降温，这需要不间断的制冷液和巨型的配套设施。


因此目前的磁共振仪器的安装和运行成本都非常高，导致世界上70%的人无法使用磁共振仪[9] 。假设有一种低成本的室温超导材料，那么世界上绝大部分的磁共振仪器都会进行更新。目前的磁共振成像仪大多使用1.5-3T磁场，这是使用成本和成像效果的一个平衡结果。如果能够更轻易的实现高磁场，那么成像的质量和分辨率都会上升[10] 。


除了零电阻外，迈斯纳效应（Meissner effect）是超导材料的另一个重要特性，对于高速磁悬浮运输有着重要作用。当外加磁场时，导体的内部会产生感应电流，普通的导体由于有电阻，所以感应电流会很快消失。而超导体的电阻为零，这种感应电流会一直存在并产生与外加磁场大小相等、方向相反的磁场[11] ，这种效应直观上体现为不需要能源就可以实现磁悬浮。


实际上，2015年在日本山梨县的超导磁悬浮列车就达到了630km/h的速度[12] ，其他国家也具有一系列超导磁悬浮列车的研究成果。但是由于现有超导材料成本和超导条件的限制，无法大规模的建设磁悬浮列车。如果有一种易于制备成本低廉的室温超导材料，那么磁悬浮列车就有可能被大规模的应用，为人们出行提供更快捷的一种选择。


▲超导体的应用领域包括：输变电、磁悬浮、电动飞机、磁共振、可控核聚变等等[12]

图源：iScience


超导材料还有一种较少被提到的特性，称为约瑟夫效应（Josephson effect），是超导计算的重要逻辑电路。与传统电路相比，超导计算的主要优势是提高了电源效率[13] 。


传统处理器消耗的大部分功耗和散热来自逻辑元件之间的信息移动，而不是实际的逻辑操作。由于超导体的电阻为零，因此在处理器内移动位所需的能量很少，预计这将为百万兆次级计算机节省 500 倍的功耗[14] 。然而目前的超导计算只能在低温环境下运行，如果有常温常压的超导材料那么手机、电脑都有可能迎来革命性的优化。这也将催生出不亚于互联网技术的商业市场。


了解了常温常压超导的作用之后，也就能理解LK-99获得如此巨大关注的原因了。然而，人们并不应该盲目乐观，因为即便有一种常温常压超导材料被证实，也需要时间进行工艺和成本的优化，这项技术的发展或许需要5-10年的时间才能进行大规模商业应用。但是，这并不妨碍人们对于新技术的憧憬，或许有一天科幻片中的生活真的会实现。




参考资料 Referrence List

（上下滑动阅读）


[1]     山姆奥特曼推文. 推特. 2023.08.23 https://twitter.com/sama/status/1686504593407025154?s=20

[2]     Sadovskaia, K., Bogdanov, D., Honkapuro, S., & Breyer, C. (2019). Power transmission and distribution losses – A model based on available empirical data and future trends for all countries globally. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 107, 98-109. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.11.012

[3]     Lost in Transmission: World’s Biggest Machine Needs Update. Expert blog of the Natural Resources Defense Council. 2018.07.02

[4]     Kalt, G., Thunshirn, P., & Haberl, H. (2021). A global inventory of electricity infrastructures from 1980 to 2017: Country-level data on power plants, grids and transformers. Data in brief, 38, 107351. https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107351

[5]     国际原子能机构通报62-2. 2021.05. https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901

[6]     Ongena, J., Koch, R., Wolf, R. et al. (2016). Magnetic-confinement fusion. Nature Physics 12, 398–410. https://doi.org/10.1038/nphys3745

[7]      Jiang JH, Feng F, Rosen PE, Fahy KA, Das P, Obacz P, Zhang A, Zhu Z-H. (2022). Avoiding the Great Filter: Predicting the Timeline for Humanity to Reach Kardashev Type I Civilization. Galaxies. 10(3):68. https://doi.org/10.3390/galaxies10030068.

[8]     https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Consommations_%C3%A9nerg%C3%A9tiques_des_trois_types_de_l%27%C3%A9chelle_de_Kardashev.svg

[9]      Liu, Y., Leong, A.T.L., Zhao, Y. et al. (2021). A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner. Nat Commun 12, 7238. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27317-1

[10]    Bay Imaging Consultants Medical Group，2019.09.04. https://www.bicrad.com/blog/2019/9/4/mri-magnet-strength-what-it-is-amp-why-it-matters#:~:text=Magnet%20strength%20matters%20because%20it%20directly%20relates%20to,translates%20to%20better%20quality%20and%20more%20detailed%20imagery.

[11]    维基百科.迈斯纳效应.https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E9%82%81%E6%96%AF%E7%B4%8D%E6%95%88%E6%87%89

[12]    Yao, C., & Ma, Y. (2021). Superconducting materials: Challenges and opportunities for large-scale applications. iScience, 24(6), 102541. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102541

[13]    维基百科. 超导计算. https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_computing

[14]    Joneckis, Lance; Koester, David; Alspector, Joshua (2014). An Initial Look at Alternative Computing Technologies for the Intelligence Community. Institute for Defense Analyses. pp. 15–16, 24–25, 47–50.



作者简介

本文作者杨诗麒，香港大学（HKU）磁共振成像方向博士研究生；本科毕业于合肥工业大学车辆工程系，并于西安交通大学获得机械工程硕士学位。研究兴趣包括：基于图神经网络的生物信号处理算法、超低磁场中的磁共振成像硬件及重建算法设计。

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