超導(dǎo)磁懸浮列車，會來嗎？

庫可

超導(dǎo)，超導(dǎo)，一身功夫不得了。那么，超導(dǎo)體的這一身功夫，究竟能用來干什么呢？目前最熱門，離我們的生活最近，也最有可能實現(xiàn)的就是——超導(dǎo)磁懸浮列車！

何為磁懸浮？

磁懸浮，按照字面意思，想必你也能猜出個七七八八：同名磁極相互排斥，如果這個排斥力正好可以平衡掉物體的重力，就能使物體懸浮起來。一般來說，實現(xiàn)磁懸浮的方式有三種，主要是根據(jù)產(chǎn)生磁場的材料來區(qū)分的。

第一種叫“永磁懸浮”，利用的是磁鐵這類磁性材料來實現(xiàn)的。你自己就可以試試，看能否用一塊大磁鐵當?shù)鬃?，讓一塊小磁鐵短暫地懸浮起來。

第二種叫“電磁懸浮”，利用的是電流的磁效應(yīng)，也就是給導(dǎo)體線圈通電產(chǎn)生電磁力來實現(xiàn)磁懸浮。如今，我們在網(wǎng)絡(luò)上能輕松買到“懸浮地球儀”“懸浮音箱”等有意思的小玩意兒，其原理就是“電磁懸浮”。你瞧，一旦斷電，這些小玩意兒就懸浮不起來了。

第三種就是“超導(dǎo)磁懸浮”，即將電磁懸浮中的線圈材料，從導(dǎo)體換成超導(dǎo)體。為了區(qū)分，“電磁懸浮”也被稱為“常導(dǎo)磁懸浮”。

那么，這三種磁懸浮方式都能利用在磁懸浮列車上嗎？答案是肯定的。相對來說，“超導(dǎo)磁懸浮”簡直就是磁懸浮列車的“天選之子”。

永磁懸浮

永磁懸浮的原理就是在軌道和車體下方都安裝“磁鐵”（嚴謹?shù)恼f法叫“永磁材料”），利用同名磁極相排斥的原理將車體“頂起來”。

由于“磁鐵”的磁性一直都存在，因此永磁懸浮僅靠“磁鐵”就能實現(xiàn)，不需要額外的能量輸入。不過，永磁懸浮有兩道“致命傷”。

如果已經(jīng)進行了前面提到的磁鐵懸浮小實驗，你會發(fā)現(xiàn)，想撒手不管讓磁鐵保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，幾乎是不可能完成的任務(wù)。因此，用永磁懸浮制造的磁懸浮列車，通常需要在車體兩側(cè)用導(dǎo)向輪來進行約束，難以實現(xiàn)真正的“無接觸懸浮”。正因為有這個缺陷，永磁懸浮列車難以實現(xiàn)高速行駛。

另一道“致命傷”是，現(xiàn)有永磁材料的“磁力”有限，難以滿足支撐車體的需要。不過，隨著稀土永磁材料的發(fā)展，這一領(lǐng)域今后可能會有所突破。

總而言之，現(xiàn)階段想要實現(xiàn)磁懸浮高速行駛，依靠傳統(tǒng)的永磁懸浮并不是非常好的選擇。

磁懸浮列車如何運動

磁懸浮列車不用輪子驅(qū)動，也沒有傳統(tǒng)列車的發(fā)動機和傳動裝置。簡單來說，它依靠軌道和車輛之間的磁力來運動。軌道上的磁力按照N 極和S 極交叉分布，一個推一個拉，按照“同名相斥、異名相吸”的原理，就這樣帶動列車前進。

常導(dǎo)磁懸浮

與永磁懸浮相比，常導(dǎo)磁懸浮列車主要有兩個“不一樣”。

第一個不一樣是，常導(dǎo)磁懸浮不是永久的，需要通電才能產(chǎn)生磁性，而且需要消耗大量的電來維持列車的懸浮狀態(tài)，并推動列車前進。這就是限制常導(dǎo)磁懸浮列車發(fā)展的最大障礙——耗電= 費錢= 成本高= 劃不來。

第二個不一樣是，常導(dǎo)磁懸浮采用異名磁極相互吸引的原理實現(xiàn)懸?。豪密壍赖撞康碾姶盆F將列車“吸起”約10 毫米以實現(xiàn)懸浮。

當前，國內(nèi)外已經(jīng)有多條時速在80～140 千米的中低速磁懸浮線路投入商業(yè)運營，例如長沙磁浮快線和北京S1 磁懸浮線，以及韓國的仁川機場線、日本的東部丘陵線等。這些線路采用的都是常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。值得一提的是，我國在車輛和線路上都擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

超導(dǎo)磁懸浮

超導(dǎo)磁懸浮列車，我們可以簡單理解為常導(dǎo)磁懸浮列車的“加強版”。

超導(dǎo)體內(nèi)部能通過比普通導(dǎo)體更加強大的電流，也就能產(chǎn)生更加強大的磁力，如此一來，列車就更容易實現(xiàn)懸浮，并以更快的速度運行。同時，電流能在超導(dǎo)體內(nèi)部幾乎沒有損耗地存在，能減少電力的消耗，經(jīng)濟又環(huán)保。

超導(dǎo)磁懸浮的實現(xiàn)方式，有“超導(dǎo)電動懸浮”和“超導(dǎo)釘扎懸浮 ”這兩大類。

超導(dǎo)電動懸浮，是將超導(dǎo)體裝在車體兩側(cè)，超導(dǎo)線圈則呈“8 字形”安裝在U 形軌道兩側(cè)，N 極和S 極交替排列。通電后，軌道上的線圈與車輛上超導(dǎo)體的磁場方向相反，產(chǎn)生斥力使列車浮起。

超導(dǎo)釘扎懸浮，則是利用了在第二類超導(dǎo)體上存在的“釘扎效應(yīng)”。當外部磁場的強度超過一定的臨界值時，第二類超導(dǎo)體表面的抗磁性會突然崩潰，此時的它會像被一枚枚看不見的釘子給釘住了一般，穩(wěn)定地懸浮在磁場中。

這兩種懸浮方式都能夠?qū)崿F(xiàn)“穩(wěn)定懸浮”，也就是列車懸浮起來之后，我們可以“撒手不管”，就算存在外界的擾動，車體也能自動回正。

超導(dǎo)磁懸浮列車的現(xiàn)在和未來

早在1934 年，德國工程師赫爾曼·肯佩斯就申請了關(guān)于磁懸浮列車的專利，20 世紀80 年代后，世界上更是迎來了研發(fā)磁懸浮列車的高潮。

然而，時至今日，磁懸浮列車依然是“稀罕玩意兒”。除了前文中提到的中低速磁懸浮線路，高速磁懸浮線路更是只有一條投入了商業(yè)運營。這條線路就是上海浦東機場至龍陽路的高速磁懸浮示范線，全長30 千米，單程僅需8 分鐘，最高時速430 千米。這條線路采用的依舊是常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。

由于常導(dǎo)磁懸浮耗電量巨大，從經(jīng)濟上來說沒有明顯的優(yōu)勢，所以研究人員早已將磁懸浮列車的未來放到了超導(dǎo)磁懸浮列車身上。

那么，超導(dǎo)磁懸浮列車在哪兒呢？還在實驗室里呢！例如，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、時速達到600千米級別的超導(dǎo)高速磁懸浮列車就正在研制之中，并已于2021 年建成樣車。要是這列列車投入運營，從北京到上海只需要兩個小時！

制約超導(dǎo)磁懸浮列車發(fā)展的，就是超導(dǎo)體的“臨界溫度”。截至目前，無論是低溫超導(dǎo)還是高溫超導(dǎo)，超導(dǎo)體的臨界溫度都遠低于室溫。因此整套磁懸浮系統(tǒng)需要液氦（低溫超導(dǎo)）或液氮（高溫超導(dǎo)）來維持低溫，幫助超導(dǎo)體維持超導(dǎo)狀態(tài)。整套系統(tǒng)需要額外增加制冷設(shè)備和隔熱設(shè)備，增加了成本，抵消了優(yōu)勢。

不難看出，超導(dǎo)磁懸浮列車的未來與超導(dǎo)材料的發(fā)展是緊密聯(lián)系在一起的。在未來，如果實現(xiàn)了更高臨界溫度的穩(wěn)定超導(dǎo)甚至室溫超導(dǎo)，相信不僅是超導(dǎo)磁懸浮列車，其他各種磁懸浮交通工具都將不再遙遠

真空運輸——未來高速磁懸浮的可能形態(tài)

雖然超導(dǎo)磁懸浮列車具備更高速度的運行能力，但空氣阻力仍然是不可忽視的限制條件。研究表明，當列車時速超過400 千米時，空氣阻力會占到總阻力的90% 以上。那么，有辦法消除空氣阻力嗎？

辦法就是讓磁懸浮列車到接近真空環(huán)境的管道中運行。理論上，這種真空管道磁懸浮列車的運行時速能超過1000 千米，我們有可能只需要不到一個小時，就能完成從北京到上海的旅程！

真空管道磁懸浮技術(shù)目前還處于研究之中，它的實現(xiàn)只有依靠正在閱讀雜志、有志為科學(xué)貢獻一份力量的科學(xué)少年們了！