转飞天众智：我们距离“潘多拉”星球还有多远？

电影《阿凡达》的热映已是数年前的事情，作为流行话题早已过去。然而片中那颗神奇的“潘多拉”星球，
以及其独蕴的Unobtanium矿物，相信对于许多人而言依然记忆犹新。
纵观整个故事，Unobtanium毫无疑问是核心——正是这种能在常温下保持超导特性的独特矿物，人类才会不惜远征4.4
光年的距离，进而才会展开整部波澜壮阔的异星歌剧。

影片中，为航向潘多拉星球而建造的超级宇宙飞船——使用反物质引擎，最大加速度可达到0.7倍光速，携带有数艘行
星穿梭机。根据设定，其建造成本以千亿。而即便如此，往返潘多拉星与地球一次也需耗时至少15年。而如此代价不
菲的旅程，就是为了追求神奇的Unobtanium，一种地球常温下具备超导效应的神奇矿物

超导——自从这一独特的物理现象被科学界发现以来，人类已经为此探索了一个世纪之久。我们之所以如
此执着于这种物理现象，乃是因为在这重神秘的现象中，似乎也蕴含着解开我们这个世界现有技术瓶颈、产业困境，乃
至化解绝大多数社会矛盾的伟大力量！

科学家苦苦追寻的超导材料广义上指材料所处的温度接近绝对零度时，分子热运动接近停止，电阻趋于零
，在这样的材料上传输导电几乎不损耗能量。
此外，超导状态的物体还具有另一个特性——如果把超导体放在磁场中让温度降低到临界值，那么磁感应线不会穿过超
导体，于是就有了抗磁性，因此一个理想状态的超导体具有超导电性能和抗磁性能。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔
德共同发现并证实了该现象，于是我们将这种现象称之为“迈斯纳效应”——或者更为直观地称为“超导磁悬浮”。
从1911年第一次发现超导现象开始，如今超导材料的研究已经100多年，但1986年是一个转折点，这一年以金属氧化物
为主的高温超导材料有了新发现。从1911年到1986年期间，超导临界温度从4.2K提高到23K【注释】，1986年发现的钡
镧铜氧化物高温超导体一下子把临界温度提高到30K，同年年底再次提升到40K。

电影《阿凡达》内构想的可在常温中出现超导特性的物质——人类跨越恒星际距离，远赴潘h多拉行星追求的根本

到了2014年，一个德国研究团队创下了新的超导温度记录：203K（-70℃）。该团队使用的超导体材料不是我们从元素
周期表上所了解的金属。研究运用了Bardeen-Cooper-Schrieffer超导理论，将硫化氢气体冷却成液体，灌入能产生超高
压力的金刚石压砧。在50万倍大气压下，材料变成了半导体；在95万倍大气压下，它变成了金属。冷却到-70°C后变成
了超导体。研究人员尝试用同位素氘替代氢重复这一过程，发现重硫化氢也能变成超导，但其临界温度要低得多。该论
文发表在《自然》期刊上立即引起了轰动。华盛顿哥伦比亚海军研究实验室将其比喻为超导体研究的“圣杯”，意味着我
们向常温超导体的研发又迈进了空前巨大的一步。
德国科研团队在2年前的突破，虽然从数据上看进步巨大，但由于其材料的特殊性，暂时不具实用性。现阶段，能够投入
大规模产业化运用的，主要还是以金属类超导材料为主。

毫无疑问，一旦常温态的超导材料被研制出来那么第一个受益的很显然是电力行业。
由于电阻几乎为零，因此传输过程中几乎不会损耗电热功率。按照输电线路15%的损耗计算，全国每年可节约千亿度电
的规模，此外还有其他周边产品如超导电缆、超导变压器等电力行业的载体。

作为目前世界上发展最快的主要经济体，中国对能源、特别是电力的需求巨大。如果引入超导技术，对庞大而高负荷的
中国电网而言，将会是一个巨大的助益

有分析指出，全球超导市场在2020年市场总值会达到2000多亿美元，技术越成熟就代表着生产可以更大
规模进行。超导电缆的年平均需求量都在数万千米以上，各种机车电缆、通信电缆等都会被替换到。但是目前超导技术
仍然没有达到规模化生产的程度，一些主要超导技术研发国家仅仅具备数百米的生产规模。这些高温超导材料主要集中
的钇系、铋系、铊系以及汞系，距离实用化生产还有较大的距离，去年下半年上海电缆研究所启动了35千伏高温超导电
缆示范研究工程重大专项。德国埃森市建成了德国第一条公里级的高温超导电缆，日本也建成了一条2公里长的超导线
缆，用于北海道变电站的试运营。

正在实验室内进行测试的中国超导输电线路原型系统

此外，德日目前，也正努力研发各类基于超导磁悬浮原理的轨道交通工具，以便在现有交通体系下探寻新的发展方向。
而我国亦在该领域内紧追不舍。西南交通大学超导技术研究所已于2014年试制成功的磁悬浮载人高温超导磁悬浮环形
实验线。

日本新型磁悬浮列车，最高时速每小时590公里

  2014年5月2日，四川省成都市西南交通大学超导技术研究所牵引动力国家重点实验室试制成功的磁悬浮载人高温超导
磁悬浮环形实验线

那么，我们距离常温超导还有多远呢？事实上，笔者对此无法妄言乐观。残酷的现实是，现有的材料技术距离制造出
Unobtaniumz这种能够在常温下维持超导特性的“神奇物质”还有相当大的距离。不过值得欣慰的是，常温超导或许暂时
难以实现，但这却不等于现阶段超导技术不能造福于我们的生活。

有关超导技术的研发，现阶段该领域内的几个领头羊分别为欧洲、日本、美国以及中国。在这其中日本
和欧洲的国家行为介入更多。而美国则主要是企业行为。
企业注重经济效益，在技术不成熟的情况下一般不会进行商业化运营，因此美国的超导产业推动力似乎并不明显。但由
于是企业投入，其效能相对经济，且与与高校、国家重点实验室紧密合作使一旦具备商业化运用的条件，即可大规模推
广。相比之下，中国则介于两者之间，既有国家介入的课题，亦有大量企业投资项目。
当前，推进超导技术的方向大致如下：
首先是能源领域的可控核聚变技术。在核聚变反应堆中，为约束反应容器内的超高温等离子体，必须使用超强磁场。而
传统的托卡马克装置中，由于导线存在较明显的电阻，会损耗相当大的能量。故到上世纪末为止，托卡马克装置虽然最
终实现了对核聚变的短时间可控，但控制的能耗却明显大于聚变反应所能产出的能量。至此，传统的托卡马克装置终被
证明为“死路一条”。进入新世纪以后，凭借超导技术，低能耗的超托卡马克装置逐渐成熟起来，目前实验已推进至能量
正输出阶段。

依托超导技术建造的EAST试验装置。EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马
克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置
是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。是点燃人类未来能源希望的关键性设备，也是中国超导材料技术
对于人类未来的重要贡

在军事领域中，超导技术也正在发挥莫大的价值。目前美国海军水面战中心已提出用超导材料制造电磁加速武器的概念，
美国海军的电磁弹射器技术也已经成熟。对此，中国在相关领域内的进展也颇为神速。我国在研的超导电磁弹射器居信
有不亚于美国同类设备的性能，且在体积、能耗与功率上均有所提升。
此外，在已有的交通运输领域，采用超导磁悬浮技术建造的各类公共交通系统，在未来也将日益增多。相信很快就会成
为多数人日常出行的选择之一。
在上述所有的领域中，除了早已开始商业化运营的超导磁悬浮交通系统外，目前最接近工程实用化阶段的技术，莫过于
中科院电工研究所马衍伟研究组推进的超导输电线项目：
2015年，该研究组已经成功研制出国际第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线，基本实现了铁基超导线带材领域
的新突破。

铁基超导长线结构示意图

122型铁基超导带材传输电流性能在4.2K/14T下，达到10万安培每平方厘米，标示着我国已率先迈入实用化门槛。而上
文提到的上海电缆研究所的示范项目，也正是基于122型铁基超导带材的成功研制。
最近，该研究组又在铁基超导线带材的低成本制备方面也取得了重要进展，开发出采用纯铜作为包套材料的高性能122
型超导带材。上述成果意味着，国内距离推动超导材料输变电领域内的大规模产业化运用，已为期不远。

随着国力的进一步增长，未来中国的能源需求还会继续攀升。电能这种具备干净环保、用途广泛等诸多优
点的能源，势必会在中国今后的能源发展格局中占据更加重要的地位。中国经济这一巨人，在迈向民族复兴的道路上，
还需要更强健的体魄，更聪慧的大脑，更宽广的胸襟。
而超导体材料的发展，无疑为巨人的舒筋活络、理气顺血助益良多。今后的中国，在超导体所打造的血管中，电能会像
激涌的血液一样，从用超导技术助控的核聚变反应堆的心脏中源源不断流出，为磁悬浮轨道打造的大脑回路带来闪光的
思想，给EMP武器武装起来的铁拳以威猛的力量。

湖南长沙中低速磁浮快线上线试车，速度可达每小时100公里。这条磁浮快线连接长沙火车南站和长沙黄花机场，全长
18.5公里，2014年5月开工建设，目前已进入试运行“冲刺”阶段，2016年春节前后将进行试运营

莫道是笑呓。假以时日，等美国人真跑到潘多拉上去开采Unobtanium了，而我们却能用着自家开发出来的超导体——看
届时谁还敢说我们“山寨”！


注释：以绝对零度作为计算起点的温度，即将水三相点的温度准确定义为273.15K后所得到的温度，过去称为绝对温度。
开尔文温度常用符号T表示，其单位为开尔文，定义为水三相点温度的1/273.15,常用符号K表示。开尔文温度和人们习
惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度的符号）。

电影《阿凡达》的热映已是数年前的事情，作为流行话题早已过去。然而片中那颗神奇的“潘多拉”星球，
以及其独蕴的Unobtanium矿物，相信对于许多人而言依然记忆犹新。
纵观整个故事，Unobtanium毫无疑问是核心——正是这种能在常温下保持超导特性的独特矿物，人类才会不惜远征4.4
光年的距离，进而才会展开整部波澜壮阔的异星歌剧。

影片中，为航向潘多拉星球而建造的超级宇宙飞船——使用反物质引擎，最大加速度可达到0.7倍光速，携带有数艘行
星穿梭机。根据设定，其建造成本以千亿。而即便如此，往返潘多拉星与地球一次也需耗时至少15年。而如此代价不
菲的旅程，就是为了追求神奇的Unobtanium，一种地球常温下具备超导效应的神奇矿物

超导——自从这一独特的物理现象被科学界发现以来，人类已经为此探索了一个世纪之久。我们之所以如
此执着于这种物理现象，乃是因为在这重神秘的现象中，似乎也蕴含着解开我们这个世界现有技术瓶颈、产业困境，乃
至化解绝大多数社会矛盾的伟大力量！

科学家苦苦追寻的超导材料广义上指材料所处的温度接近绝对零度时，分子热运动接近停止，电阻趋于零
，在这样的材料上传输导电几乎不损耗能量。
此外，超导状态的物体还具有另一个特性——如果把超导体放在磁场中让温度降低到临界值，那么磁感应线不会穿过超
导体，于是就有了抗磁性，因此一个理想状态的超导体具有超导电性能和抗磁性能。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔
德共同发现并证实了该现象，于是我们将这种现象称之为“迈斯纳效应”——或者更为直观地称为“超导磁悬浮”。
从1911年第一次发现超导现象开始，如今超导材料的研究已经100多年，但1986年是一个转折点，这一年以金属氧化物
为主的高温超导材料有了新发现。从1911年到1986年期间，超导临界温度从4.2K提高到23K【注释】，1986年发现的钡
镧铜氧化物高温超导体一下子把临界温度提高到30K，同年年底再次提升到40K。

电影《阿凡达》内构想的可在常温中出现超导特性的物质——人类跨越恒星际距离，远赴潘h多拉行星追求的根本

到了2014年，一个德国研究团队创下了新的超导温度记录：203K（-70℃）。该团队使用的超导体材料不是我们从元素
周期表上所了解的金属。研究运用了Bardeen-Cooper-Schrieffer超导理论，将硫化氢气体冷却成液体，灌入能产生超高
压力的金刚石压砧。在50万倍大气压下，材料变成了半导体；在95万倍大气压下，它变成了金属。冷却到-70°C后变成
了超导体。研究人员尝试用同位素氘替代氢重复这一过程，发现重硫化氢也能变成超导，但其临界温度要低得多。该论
文发表在《自然》期刊上立即引起了轰动。华盛顿哥伦比亚海军研究实验室将其比喻为超导体研究的“圣杯”，意味着我
们向常温超导体的研发又迈进了空前巨大的一步。
德国科研团队在2年前的突破，虽然从数据上看进步巨大，但由于其材料的特殊性，暂时不具实用性。现阶段，能够投入
大规模产业化运用的，主要还是以金属类超导材料为主。

毫无疑问，一旦常温态的超导材料被研制出来那么第一个受益的很显然是电力行业。
由于电阻几乎为零，因此传输过程中几乎不会损耗电热功率。按照输电线路15%的损耗计算，全国每年可节约千亿度电
的规模，此外还有其他周边产品如超导电缆、超导变压器等电力行业的载体。

作为目前世界上发展最快的主要经济体，中国对能源、特别是电力的需求巨大。如果引入超导技术，对庞大而高负荷的
中国电网而言，将会是一个巨大的助益

有分析指出，全球超导市场在2020年市场总值会达到2000多亿美元，技术越成熟就代表着生产可以更大
规模进行。超导电缆的年平均需求量都在数万千米以上，各种机车电缆、通信电缆等都会被替换到。但是目前超导技术
仍然没有达到规模化生产的程度，一些主要超导技术研发国家仅仅具备数百米的生产规模。这些高温超导材料主要集中
的钇系、铋系、铊系以及汞系，距离实用化生产还有较大的距离，去年下半年上海电缆研究所启动了35千伏高温超导电
缆示范研究工程重大专项。德国埃森市建成了德国第一条公里级的高温超导电缆，日本也建成了一条2公里长的超导线
缆，用于北海道变电站的试运营。

正在实验室内进行测试的中国超导输电线路原型系统

此外，德日目前，也正努力研发各类基于超导磁悬浮原理的轨道交通工具，以便在现有交通体系下探寻新的发展方向。
而我国亦在该领域内紧追不舍。西南交通大学超导技术研究所已于2014年试制成功的磁悬浮载人高温超导磁悬浮环形
实验线。

日本新型磁悬浮列车，最高时速每小时590公里

  2014年5月2日，四川省成都市西南交通大学超导技术研究所牵引动力国家重点实验室试制成功的磁悬浮载人高温超导
磁悬浮环形实验线

那么，我们距离常温超导还有多远呢？事实上，笔者对此无法妄言乐观。残酷的现实是，现有的材料技术距离制造出
Unobtaniumz这种能够在常温下维持超导特性的“神奇物质”还有相当大的距离。不过值得欣慰的是，常温超导或许暂时
难以实现，但这却不等于现阶段超导技术不能造福于我们的生活。

有关超导技术的研发，现阶段该领域内的几个领头羊分别为欧洲、日本、美国以及中国。在这其中日本
和欧洲的国家行为介入更多。而美国则主要是企业行为。
企业注重经济效益，在技术不成熟的情况下一般不会进行商业化运营，因此美国的超导产业推动力似乎并不明显。但由
于是企业投入，其效能相对经济，且与与高校、国家重点实验室紧密合作使一旦具备商业化运用的条件，即可大规模推
广。相比之下，中国则介于两者之间，既有国家介入的课题，亦有大量企业投资项目。
当前，推进超导技术的方向大致如下：
首先是能源领域的可控核聚变技术。在核聚变反应堆中，为约束反应容器内的超高温等离子体，必须使用超强磁场。而
传统的托卡马克装置中，由于导线存在较明显的电阻，会损耗相当大的能量。故到上世纪末为止，托卡马克装置虽然最
终实现了对核聚变的短时间可控，但控制的能耗却明显大于聚变反应所能产出的能量。至此，传统的托卡马克装置终被
证明为“死路一条”。进入新世纪以后，凭借超导技术，低能耗的超托卡马克装置逐渐成熟起来，目前实验已推进至能量
正输出阶段。

依托超导技术建造的EAST试验装置。EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马
克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置
是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。是点燃人类未来能源希望的关键性设备，也是中国超导材料技术
对于人类未来的重要贡

在军事领域中，超导技术也正在发挥莫大的价值。目前美国海军水面战中心已提出用超导材料制造电磁加速武器的概念，
美国海军的电磁弹射器技术也已经成熟。对此，中国在相关领域内的进展也颇为神速。我国在研的超导电磁弹射器居信
有不亚于美国同类设备的性能，且在体积、能耗与功率上均有所提升。
此外，在已有的交通运输领域，采用超导磁悬浮技术建造的各类公共交通系统，在未来也将日益增多。相信很快就会成
为多数人日常出行的选择之一。
在上述所有的领域中，除了早已开始商业化运营的超导磁悬浮交通系统外，目前最接近工程实用化阶段的技术，莫过于
中科院电工研究所马衍伟研究组推进的超导输电线项目：
2015年，该研究组已经成功研制出国际第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线，基本实现了铁基超导线带材领域
的新突破。

铁基超导长线结构示意图

122型铁基超导带材传输电流性能在4.2K/14T下，达到10万安培每平方厘米，标示着我国已率先迈入实用化门槛。而上
文提到的上海电缆研究所的示范项目，也正是基于122型铁基超导带材的成功研制。
最近，该研究组又在铁基超导线带材的低成本制备方面也取得了重要进展，开发出采用纯铜作为包套材料的高性能122
型超导带材。上述成果意味着，国内距离推动超导材料输变电领域内的大规模产业化运用，已为期不远。

随着国力的进一步增长，未来中国的能源需求还会继续攀升。电能这种具备干净环保、用途广泛等诸多优
点的能源，势必会在中国今后的能源发展格局中占据更加重要的地位。中国经济这一巨人，在迈向民族复兴的道路上，
还需要更强健的体魄，更聪慧的大脑，更宽广的胸襟。
而超导体材料的发展，无疑为巨人的舒筋活络、理气顺血助益良多。今后的中国，在超导体所打造的血管中，电能会像
激涌的血液一样，从用超导技术助控的核聚变反应堆的心脏中源源不断流出，为磁悬浮轨道打造的大脑回路带来闪光的
思想，给EMP武器武装起来的铁拳以威猛的力量。

湖南长沙中低速磁浮快线上线试车，速度可达每小时100公里。这条磁浮快线连接长沙火车南站和长沙黄花机场，全长
18.5公里，2014年5月开工建设，目前已进入试运行“冲刺”阶段，2016年春节前后将进行试运营

莫道是笑呓。假以时日，等美国人真跑到潘多拉上去开采Unobtanium了，而我们却能用着自家开发出来的超导体——看
届时谁还敢说我们“山寨”！


注释：以绝对零度作为计算起点的温度，即将水三相点的温度准确定义为273.15K后所得到的温度，过去称为绝对温度。
开尔文温度常用符号T表示，其单位为开尔文，定义为水三相点温度的1/273.15,常用符号K表示。开尔文温度和人们习
惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度的符号）。