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“超导热”的环保科技意义
来源:中国环境报 时间:2023-08-04 16:07:56
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7月22日,韩国研究团队在预印本平台arXiv上连发两文,宣称合成了全球首个室温常压超导体LK-99,临界温度为127℃。今年不止一次有团队宣称突破室温超导。室温超导可能引发第四次工业革命,但超导专家普遍认为韩国团队的研究只是发现了一种新的抗磁材料,并没有表现出室温超导的证据。无论如何,“超导”的热点持续一个多星期而且不断发酵、相关金融市场大热,都证明了全社会对超导材料领域科技创新的关注。

超导不仅是物理、材料领域的议题,也是环保议题。日常生活中,电能在输送过程中会有一定的损失,例如电力线路中的电阻会产生热量,就会损失电能。超导材料在一定的温度下能够无电阻传导电流,这意味着电流在超导电路中流动不会有因电阻导致的能量损失。如果输电线路由超导材料制成,就可以消除绝大部分电力输送中损失的电能。因此,使用超导材料可以极大地提高能源利用效率,减少能源损耗,高压电传输估计可以节能20%—30%。 因为电力能源占比最高的一直是火力发电,而火力发电主要使用煤炭这种化石能源,会产生大量碳排放,所以使用超导材料输电,也会间接减少排碳量。

此外,超导材料还可以应用在更高效的电力设备和储能设备上,如超导电磁储能系统(SMES)、超导电机和发电机等。这些设备的效率更高、功率损失更少,都能进一步减少能源损失和碳排放。

然而,目前已知的常压超导材料都要在低温环境下才能达到超导状态,这就需要大量的冷却设备,增加了电力消耗,也增加了碳排放,并影响超导材料的规模化应用。提高超导材料的工作温度(临界温度)依然是当前物理学和材料科学领域的一大挑战。

科学家们一直在探索提高临界温度的方法,以及运用量子力学原理来设计和优化材料,通过计算和模拟预测哪些材料在特定的条件下可能表现出超导性等。20世纪80年代发现的铜氧化物超导体具有相对高的临界温度(100K,-173℃),21世纪发现的铁基超导体也有50K(-223℃)以上的临界温度。一些已知超导材料在受到高压时能够调整微观结构改变性质,临界温度上升。然而这些材料的工作温度依然远低于常温,而且需要高压,但高压环境的产生和维持需要额外的能源。

如果室温常压超导真的存在,理论上更环保。室温超导不需要额外的冷却设备和能源,这将大大减少能源损耗和碳排放。而且室温超导材料在运输和使用上也更方便,可以进一步降低生产使用过程的碳排放。今天,真正环保低碳的室温常压超导仍需要科学家们继续努力研究。

超导研发虽然不属于生态环境科技工作者的任务,但生态环境科技依然能够发挥作用助力超导科技创新。比如,生态环境科技工作者可以向公众、企业和决策者宣传超导科技在环保降碳方面的优点和现有情况,提高公众对超导概念的理解水平。也可以和相关学术机构、企业及决策部门合作,共同推动超导科技在环保降碳方面的研发、创新与应用,以发现超导的更多可能。


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