1986年掀起了高温超导的狂热后,世界各地的研究人员都在积极地开发超导电,但近几年来已看不到前几年那种热情。不过,在开发超导电材料方面仍继续向着实用化进行艰苦攻关,这些努力的成果究竟何时才能见天日?
问:从1986年的超导热以来已过了6年,迈向21世纪的超导应用开发的前景如何?
田中昭二[国际超导电产生技术研究中心副理事长、超导工学研究所所长、东京大学名誉教授]:超导材料应用的关键在于技术方面的潜在力量和市场。由于超导体是崭新材料,故要准确预测其市场的发展动向比较难,技术上的潜在力量似乎有所加强,但对这股力量到底如何去扩大到社会的问题就难于预测到,不过,各国都认真地对待超导体市场却是事实。
例如有些人认为超导体市场已打开了,而另一些人却认为尚未打开。看法不同在于各自的定义不同。如在美国风险企业很盛行,故即使其市场规模不大,其产品仍能卖掉,但日本是大企业为主导的社会,故其产品市场规模不达到几十亿时就不会批量生产。若从美国的风险企业的观念而言,超导体市场一下子就可出现,但从大规模市场的角度而言,目前超导体市场尚未出现。
问:对在技术上的潜在力量的看法如何?
田中:高温超导电被发现后已过了6年,在这期间技术开发遇到过各种艰难险阻,但可以说在3年时间基本上完成了第一阶段工作,现在已进入了第二阶段。第1阶段是大家趁着高温超导电热拼命致力于其材料的开发,结果虽其临界温度达到127 K,但其临界电流没有达到预期的地步。但到了第二阶段时,研究人员对物质本身有了头绪,开始把其正式的应用方面作为追求目标。
例如对钇[Y]系物质具有这种性质也逐渐地弄清,而且在钇系也开始能拉出其单结晶。虽然单结晶本身并不怎么大,但若利用这种拉晶法顺利地构成单结晶育成法时,那就能使结晶扩大到需要的程度,去年1年时间就上了好几个台阶。从材料工艺学观点来说似乎上了一个等级。
问:对第2个阶段的材料工艺学的发展乐观吗?
田中:从半导体的发展史看,当材料研究愈来愈取得进展并达到一定水平时,科学与技术之间就会发生共鸣。例如当锗的纯粹单结晶被发现仅2年后就在半导体使用,与此同时,半导体物理学也一下子取得了进展。这就是说明,当人类一旦能控制其物质时,科学和技术就将产生共鸣,这两者间总是存在着这种阶段。
像超导体之类的复杂物质不会那么简单地取得进展,但从最近的发展情况看,最迟明年也许有可能会发生共鸣现象,从而将导致技术方面的大进步。那时也将会出现GaAs那样大的,若也能生产出超导体硬件时,超导体元件也将一下子取得进步。
争取1995年超导量子干涉器件问世
问:这么说,市场也会自然诞生。
田中:超导器件市场或许将出现,问题在于生产出来的超导器件究竟是否能胜过半导体的器件。若在性能上无法超过半导体器件,谁也不会买它,若能制成像约瑟夫逊计算机那样的东西,那就一下子成为超过半导体的超级技术。究竟超导体何时将成为超级技术是难于预料的,不过,从去年开始似乎出现了可能性。若高品质的单结晶能制成且能自如地运用,那么超导量子干涉器件也同样一下子就能取得进展,我们的超导工学研究所也已制成了质量相当好的SQUID。我们研究所把1995年作为制成高质量SQUID的共同目标在共同奋斗。
在技术上有的已大体上确立
问:线材、松散材料、轴承、薄膜及磁屏蔽等的应用开发现状如何?
田中:线材或许最适宜的是铋系的。目前在液化氮温度77 K时销连接顶尖尚无法顺利地引入。钇系的熔化松散材料虽然能很顺利地引入销连接顶尖,但铋系的还不行,但如果能顺利地引入,铋系的就必有大进展。
另一方面,虽然已发现钇系的具有很强的销连接顶尖,但存在着晶界难结合的弱点,不过铋系就有很大可能性。例如现在铋系在77 K及零磁场,其临界电流密度约为6万A/cm2,当然如果在液化氢温度20 K能用的话,那就没话可说。但钇系也有这种可能性存在,故一旦能达到20万~30万A/cm2时就可能在电缆等大电流用领域得到运用。
其次是强化磁场,例如用1忒斯拉就能达到近10万A/cm2,那么其应用就迫在眼前,但要达到这个地步预料需要2~3年时间。线材是一种万能的东西,若能制成就能在各个领域里应用,但要制成它是非常难的。
问:松散材料和轴承又是如何呢?
田中:我想松散材料如果是77 K,其可能性是相当大的,松散材料的很大应用领域之一是利用磁浮效果,在我们研究所也在试制利用磁浮的飞轮的电力贮藏装置,现在装置的飞轮旋转1200次也只能蓄电100瓦特1小时,因为达到KWh时,大电流在瞬间就能出现,故或许能在计算机的补助电源得到应用。当把蓄电能力能提高到l KWh水平时,或许有可能按自己的计划大大扩大其应用范围。
轴承领域也许是大有可为的,我们研究所同日本精工社共同研究开发了无接触的轴承,2.4 kg的旋转轴在1分钟就无接触地旋转36000次。同现有的磁轴承相比,其性能大致相等,但其稳定性高,为此,它具有无需从外部进行控制的优点,这是以前的轴承所不具有的优点。
此类新型轴承目前在美国的国家航空和航天局在拼命研究开发,因为在宇宙的温度极低无法用油。若使用超导体时就可把极低温当作冷却源加以利用。而且因这种轴承无接触地旋转,所以无需要用油,可以说它是当前最理想的。只要有需求者随时都能达到实用化,剩下的就是其市场的出现。
问:薄膜又如何呢?
田中:对于半导体器件改来改去的结果,最后想出的点子是实现薄膜化,超导器件也同样,现在已研制出相当好的微波器件。我们的研究所也试制在变频利用钇系器件的卫星广播接收用系统装置,以往的装是使用砷化镓半导体。若用砷化镓半导体,其频要消耗20 mmW的电力,若用超导器件 · 大约用0.1 mmW就够了。后者约为前者的1/200,这是世界上第一次试制。
如果那一家专业厂有兴趣想生产它,那就有可能达到实用化地步,不过,无论怎么说,它具有可冷却的优点,实用化的第一站也许在宇宙领域。因为现在的广播卫星仍是使用广播用特种卫星,若是通信卫星,因其发射的功率弱,故在接收装置中有必要安装好几米长天线,但若在此种装置使用超导体,虽有冷却的问题,但却可装成小型盒装置。
预料在今后的卫星广播领域以及各种领域中超导器件将被多用,若它被通信卫星所使用,因卫星本身小型化,当然它的成本就低且寿命也将延长,携带也方便,在移动通信的中转站使用也方便。
我们必须看到担负推广此种尖端技术的人实在够辛苦了,日本的科技人员同美国的同行一直在展开竞争。由于美国不断地发射卫星而日本每年只发射1~2颗,在这种情况下,日本或许不得不同美国航天局共同研究,基本上已确立的技术成为共同研究内容的可能性大。
已到了应认识此种技术市场的时代
问:是否迈向1995年的同时必须考虑如何去开创此种技术市场问题?
田中:通产省也谈到这个问题,日本在过去的30年间在扶植产业方面已取得了很大的成功,但在创造新产业还很不够。现在应考虑如何去扭转这种局面。半导体也是如此。美国遇到此种情况时,冒险家却始终表现得非常活跃。由于日本是个大企业型社会,故此种产业体系就难于创造新企业。
不过,日本也必须在某些方面应有所创造,如不能仅问到应用超导体的制品何时能制成,而需要的应该是设法去推广它,为此,我们一有机会就宣传,但效果不显著。
问:为何不能取到预期的宣传效果?
田中:由于应用本身归根结底还是属于系统装置的问题,例如日本电话电报公司如果决定在移动体通信的中转站想使用超导体时,其相关连的企业就会自然地加入进来,但迄今电报电话公司本身尚未发展到此地步。从总体而言,目前的状况就是如此。
问:有没有打破旧框框创造技术市场的规划?
田中:我们也在拼命议论此问题,但国家的支持还是必要的。美国政府认为有价值时,总是不惜代价拼命搞,即使尚未知合算与否,其结果风险企业就不断地参与进来,新企业也就不断出现和扩大。
但是最初的牵引力仅依靠民间是难于奏效的。于是政府应考虑如何去诱导以及提出如何去创造市场的计划是必要的,超导体的应用开发也同样进入了此种时代。
问:人们已开始认识到超导本也应有市场吗?
田中:已有了大进展,现在正在迈向1995年的黎明,现在似乎在暗处拼命挣扎,不过,可以说现在也许到了如何去促使产业界的眼光转移到超导体市场。虽然现在继续在暗中摸索,不过这仍是无法逃避的必经之路。
例如SQUID一旦研制成功,其用途就很广泛,若用它就能制成超级计算机,原来用的半导体器件已到了接近于极限。其余的真正的器件开发到应用也许还要一段时间。
问:这将影响到产业结构,如何去改造好呢?
田中:这也许今后开发超导体将面临的最大的问题。日本人必须考虑到如何使用技术上的潜力转变为市场化,还有如何去处理其转变过程。市场好像被认为能简单地形成,其实并非如此,如碳纤维在高尔夫球球棒的长柄[shaft]、钓鱼竿等娱乐产业领域被应用以来,经过10年左右时间它在飞机或汽车等各种产业领域的应用,看来仍需要相隔一段时间。
全世界迄今为研究开发半导体技术已投入了好几万亿甚至好几十万亿日元,可是投入于超导体的研究开发资金却差得远,一旦超导体市场将要形成且大企业也真正想要进来这个市场时,其状况就将大变样。为此,我们有责任去向大企业说明在这方面的技术潜在力是无可估量的事实。
问:美国的超导体状况又如何?
田中:日美双方经常就超导体市场状况问题交流看法,美国人关心的只是其市场,前一些日子在美国召开了超导体的高峰会议,日本的预测被一些人视为过分保守,因为预测的是到2000年才能使各个领域进入正规化阶段。
美国的风险企业家认为,日本企业家以为难于卖掉的东西却卖掉了,这些东西卖掉也有好处,因为这可把这种技术反馈,只关起门来研究往往还不如把产品推出市场得到的益处多。
日本也应培育像美国式的风险企业,即不仅要扶植产业而更重要的是今后应着重于创造新产业。超导体材料的技术也应进一步精炼[refine],从而逐步接近于同科学的共鸣点,然后一下子迈入实用化的爆发点,这应是日本科学家日夜奋斗的目标。
[工业材料(日),1993年3月]