高温超导材料和结构可产生高磁场，并因此具备新的用途。

高温超导带在众多应用中前景广阔

1911年，荷兰物理学家海克 · 卡末林 · 昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）将一根汞线放入液氦中之后，发现汞线的电阻随即消失。这意味着这根汞线已经变成了“超导体”。

数十年来，由于引起超导性所需的温度极低而压力极高，超导体的实用价值一直受到限制。但1986年高温超导性的发现，为其更广泛的应用铺平了道路。

“高温”并非指室温，而是指温度高于液氮沸点?196℃，此时材料具有超导性。最近，新的材料和结构正在提高这些超导体可以工作的温度，使它们更容易使用。这种最新一代的超导材料因能产生高磁场而备受推崇。

休斯顿大学得克萨斯超导中心的应用研究部门负责人文卡特 · 塞尔瓦马尼卡姆（Venkat Selvamanickam）介绍道：“过去15年，研究重点已转向更多地将其用作高场超导体，而不是高温超导体。”

得益于高温超导体产生的高磁场，核聚变能源也许终有一天会变成现实。不过，这些材料可能很快就会出现在各种实际应用中，包括风力发电、能量存储和核磁共振设备等。如果工程师能够解决相关问题，它们将使人们的日常生活发生翻天覆地的变化。下面将介绍高温超导体的五种新兴用途。

能量存储

与使用化学物质存储能量的传统电池不同，超导磁储能装置（SMES）利用超导材料线圈中直流电流产生的磁场存储能量。线圈充电后，只要保持冷却状态，能量就可以无限期存储起来，而且几乎不会衰减。存储的能量随着磁场强度的平方而增加，也就是说，磁场强度每增加一倍，系统就能存储四倍的能量。这类系统几乎可以在瞬间释放大量能量，因此可以在公用电网、粒子加速器以及采用敏感、高速工艺的工业系统中发挥重要作用。

兼具超导磁储能装置超快放电与电池较高能量密度两大优势的混合存储系统是一个前景广阔的研究领域。与其他高温超导应用一样，低温冷却会增加成本，而且需要坚固的机械结构才能承受磁体线圈产生的洛伦兹力。

概念验证 布鲁克海文国家实验室和ABB公司领导的研究团队利用高温超导建立了一个磁储能系统。2014年，该系统产生的磁场达到12.5特斯拉。此后，由于材料成本高昂，研究工作被迫停滞。

布鲁克海文国家实验室的储能装置利用了超导材料线圈中直流电流产生的磁场

感应加热器

加热铝锭、锻造有色金属和熔炼高端合金的工业流程需要消耗大量能源。高温超导感应加热器有望将能耗和温室气体排放量减半。

目前，一款高温超导感应加热器正在逐步实现商业化。它可以使金属锭在磁场中旋转，从而在金属内部产生涡流。在传统的感应加热过程中，这些电流很难穿透金属锭。而高温超导系统的强磁场可增强穿透力，从而使加热更快速、更均匀。

值得关注的项目 2023年4月，中国公司联创光电在哈尔滨一家工业设施中安装了世界首台兆瓦级高温超导感应加热器。如果采用传统方法，需要至少9个小时才能将一块500千克的铝锭从20°C加热至403°C。而使用新型高温超导感应加热器，这一过程只需约10分钟。

航空

在航空中使用电力推进的最大挑战在于功率重量比：传统的电力系统无法在不增加飞机重量的情况下产生足够的推力。高温超导材料体积小、重量轻，具有高功率密度和高效率，还能减轻飞行控制、通信和电力电子设备等其他电气系统的重量。不过，为保证飞行安全，未来的高温超导飞机必须配备冗余系统，以防止高温超导材料温度升高时可能出现的失磁现象。

值得关注的项目 空客公司正在研发一款使用液氢作为冷却剂和燃料的超导电机。其ASCEND项目旨在演示验证一种配备超导电机和低温冷却系统的动力系统。计算结果显示，该系统的重量仅为传统电力飞机推进系统的1/3到1/2，却能实现高达97%的传动效率。这一概念的基础是使用液氢作为冷却剂兼燃料。空客尚未透露将如何生产氢气，但该公司确实参与了氢气可再生资源的行业研究。

专为风力涡轮机研发的EcoSwing紧凑型发电机使用数千米长的带状高温超导材料，其功率密度为铜的100倍

超导风力发电机

在过去几十年中，风力发电机的功率从1985年的50千瓦飙升至现在的15兆瓦。这要归功于配备了更大磁体的大涡轮机——它们可以产生更强的电磁场。但对效率的追求却正在遭遇阻力，因为在通常情况下，发电机的功率越大，重量就越重。此外，永磁发电机中使用的稀土元素（如钕和镝）也面临供应短缺问题。

高温超导技术为实现新一代高效、低成本涡轮机提供了一条前景广阔的道路。用超导线圈取代永磁体可以产生更强的磁场，将发电机的重量减半，并最大限度地减少对稀土的需求。

概念验证 由欧盟资助的EcoSwing项目于2019年完工，该项目在丹麦北海沿岸安装了一台3.6兆瓦的风力发电机，其中包含长达20千米由钆、钡和铜氧化物制成的高温超导电线。该发电机的重量比传统机组轻40%，机舱（即包裹发电机和其他机械设备的壳体）体积小25%。高温超导线圈材料仍然昂贵，但随着技术日趋成熟，成本应该能够降下来。

医疗诊断与研究

磁共振成像具有卓越的软组织成像性能，并且不产生电离辐射，因此成为备受青睐的医疗诊断工具。但磁共振成像异常昂贵——收到过磁共振成像账单的人都知道这一点。为了将超导磁体冷却至?269°C，如今的仪器通常使用日益稀缺的液氦。

高温超导线圈可减小设备尺寸、减轻其重量并降低能耗，因此如果成本降低，就能成为氦冷却磁共振成像磁体的可持续替代品。目前，高温超导技术已被应用于核磁共振设备，用于在分子水平上对材料进行研究。由于磁场较高，高温超导技术可以显著提高信噪比，从而获得更详细、更精确的成像。

值得关注的项目 科学仪器制造商布鲁克公司的最新光谱仪在低温超导外线圈之间夹着一个高温超导体内线圈，实现了28.2 T的磁通密度——这几乎是地球磁场强度的60万倍。

资料来源 IEEE Spectrum