“超導(dǎo)熱”備受關(guān)注,背后蘊(yùn)藏著哪些環(huán)保科技意義?
7月22日,韓國研究團(tuán)隊在預(yù)印本平臺arXiv上連發(fā)兩文,宣稱合成了全球首個室溫常壓超導(dǎo)體LK-99,臨界溫度為127℃。今年不止一次有團(tuán)隊宣稱突破室溫超導(dǎo)。室溫超導(dǎo)可能引發(fā)第四次工業(yè)革命,但超導(dǎo)專家普遍認(rèn)為韓國團(tuán)隊的研究只是發(fā)現(xiàn)了一種新的抗磁材料,并沒有表現(xiàn)出室溫超導(dǎo)的證據(jù)。無論如何,“超導(dǎo)”的熱點(diǎn)持續(xù)一個多星期而且不斷發(fā)酵、相關(guān)金融市場大熱,都證明了全社會對超導(dǎo)材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新的關(guān)注。
超導(dǎo)不僅是物理、材料領(lǐng)域的議題,也是環(huán)保議題。日常生活中,電能在輸送過程中會有一定的損失,例如電力線路中的電阻會產(chǎn)生熱量,就會損失電能。超導(dǎo)材料在一定的溫度下能夠無電阻傳導(dǎo)電流,這意味著電流在超導(dǎo)電路中流動不會有因電阻導(dǎo)致的能量損失。如果輸電線路由超導(dǎo)材料制成,就可以消除絕大部分電力輸送中損失的電能。因此,使用超導(dǎo)材料可以極大地提高能源利用效率,減少能源損耗,高壓電傳輸估計可以節(jié)能20%—30%。 因為電力能源占比最高的一直是火力發(fā)電,而火力發(fā)電主要使用煤炭這種化石能源,會產(chǎn)生大量碳排放,所以使用超導(dǎo)材料輸電,也會間接減少排碳量。
此外,超導(dǎo)材料還可以應(yīng)用在更高效的電力設(shè)備和儲能設(shè)備上,如超導(dǎo)電磁儲能系統(tǒng)(SMES)、超導(dǎo)電機(jī)和發(fā)電機(jī)等。這些設(shè)備的效率更高、功率損失更少,都能進(jìn)一步減少能源損失和碳排放。
然而,目前已知的常壓超導(dǎo)材料都要在低溫環(huán)境下才能達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài),這就需要大量的冷卻設(shè)備,增加了電力消耗,也增加了碳排放,并影響超導(dǎo)材料的規(guī)模化應(yīng)用。提高超導(dǎo)材料的工作溫度(臨界溫度)依然是當(dāng)前物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
科學(xué)家們一直在探索提高臨界溫度的方法,以及運(yùn)用量子力學(xué)原理來設(shè)計和優(yōu)化材料,通過計算和模擬預(yù)測哪些材料在特定的條件下可能表現(xiàn)出超導(dǎo)性等。20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的銅氧化物超導(dǎo)體具有相對高的臨界溫度(100K,-173℃),21世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體也有50K(-223℃)以上的臨界溫度。一些已知超導(dǎo)材料在受到高壓時能夠調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)改變性質(zhì),臨界溫度上升。然而這些材料的工作溫度依然遠(yuǎn)低于常溫,而且需要高壓,但高壓環(huán)境的產(chǎn)生和維持需要額外的能源。
如果室溫常壓超導(dǎo)真的存在,理論上更環(huán)保。室溫超導(dǎo)不需要額外的冷卻設(shè)備和能源,這將大大減少能源損耗和碳排放。而且室溫超導(dǎo)材料在運(yùn)輸和使用上也更方便,可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)使用過程的碳排放。今天,真正環(huán)保低碳的室溫常壓超導(dǎo)仍需要科學(xué)家們繼續(xù)努力研究。
超導(dǎo)研發(fā)雖然不屬于生態(tài)環(huán)境科技工作者的任務(wù),但生態(tài)環(huán)境科技依然能夠發(fā)揮作用助力超導(dǎo)科技創(chuàng)新。比如,生態(tài)環(huán)境科技工作者可以向公眾、企業(yè)和決策者宣傳超導(dǎo)科技在環(huán)保降碳方面的優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)有情況,提高公眾對超導(dǎo)概念的理解水平。也可以和相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、企業(yè)及決策部門合作,共同推動超導(dǎo)科技在環(huán)保降碳方面的研發(fā)、創(chuàng)新與應(yīng)用,以發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的更多可能。
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