超导磁悬浮列车，会来吗？

库可

超导，超导，一身功夫不得了。那么，超导体的这一身功夫，究竟能用来干什么呢？目前最热门，离我们的生活最近，也最有可能实现的就是——超导磁悬浮列车！

何为磁悬浮？

磁悬浮，按照字面意思，想必你也能猜出个七七八八：同名磁极相互排斥，如果这个排斥力正好可以平衡掉物体的重力，就能使物体悬浮起来。一般来说，实现磁悬浮的方式有三种，主要是根据产生磁场的材料来区分的。

第一种叫“永磁悬浮”，利用的是磁铁这类磁性材料来实现的。你自己就可以试试，看能否用一块大磁铁当底座，让一块小磁铁短暂地悬浮起来。

第二种叫“电磁悬浮”，利用的是电流的磁效应，也就是给导体线圈通电产生电磁力来实现磁悬浮。如今，我们在网络上能轻松买到“悬浮地球仪”“悬浮音箱”等有意思的小玩意儿，其原理就是“电磁悬浮”。你瞧，一旦断电，这些小玩意儿就悬浮不起来了。

第三种就是“超导磁悬浮”，即将电磁悬浮中的线圈材料，从导体换成超导体。为了区分，“电磁悬浮”也被称为“常导磁悬浮”。

那么，这三种磁悬浮方式都能利用在磁悬浮列车上吗？答案是肯定的。相对来说，“超导磁悬浮”简直就是磁悬浮列车的“天选之子”。

永磁悬浮

永磁悬浮的原理就是在轨道和车体下方都安装“磁铁”（严谨的说法叫“永磁材料”），利用同名磁极相排斥的原理将车体“顶起来”。

由于“磁铁”的磁性一直都存在，因此永磁悬浮仅靠“磁铁”就能实现，不需要额外的能量输入。不过，永磁悬浮有两道“致命伤”。

如果已经进行了前面提到的磁铁悬浮小实验，你会发现，想撒手不管让磁铁保持稳定的悬浮状态，几乎是不可能完成的任务。因此，用永磁悬浮制造的磁悬浮列车，通常需要在车体两侧用导向轮来进行约束，难以实现真正的“无接触悬浮”。正因为有这个缺陷，永磁悬浮列车难以实现高速行驶。

另一道“致命伤”是，现有永磁材料的“磁力”有限，难以满足支撑车体的需要。不过，随着稀土永磁材料的发展，这一领域今后可能会有所突破。

总而言之，现阶段想要实现磁悬浮高速行驶，依靠传统的永磁悬浮并不是非常好的选择。

磁悬浮列车如何运动

磁悬浮列车不用轮子驱动，也没有传统列车的发动机和传动装置。简单来说，它依靠轨道和车辆之间的磁力来运动。轨道上的磁力按照N 极和S 极交叉分布，一个推一个拉，按照“同名相斥、异名相吸”的原理，就这样带动列车前进。

常导磁悬浮

与永磁悬浮相比，常导磁悬浮列车主要有两个“不一样”。

第一个不一样是，常导磁悬浮不是永久的，需要通电才能产生磁性，而且需要消耗大量的电来维持列车的悬浮状态，并推动列车前进。这就是限制常导磁悬浮列车发展的最大障碍——耗电= 费钱= 成本高= 划不来。

第二个不一样是，常导磁悬浮采用异名磁极相互吸引的原理实现悬浮：利用轨道底部的电磁铁将列车“吸起”约10 毫米以实现悬浮。

当前，國内外已经有多条时速在80～140 千米的中低速磁悬浮线路投入商业运营，例如长沙磁浮快线和北京S1 磁悬浮线，以及韩国的仁川机场线、日本的东部丘陵线等。这些线路采用的都是常导磁悬浮技术。值得一提的是，我国在车辆和线路上都拥有自主知识产权。

超导磁悬浮

超导磁悬浮列车，我们可以简单理解为常导磁悬浮列车的“加强版”。

超导体内部能通过比普通导体更加强大的电流，也就能产生更加强大的磁力，如此一来，列车就更容易实现悬浮，并以更快的速度运行。同时，电流能在超导体内部几乎没有损耗地存在，能减少电力的消耗，经济又环保。

超导磁悬浮的实现方式，有“超导电动悬浮”和“超导钉扎悬浮 ”这两大类。

超导电动悬浮，是将超导体装在车体两侧，超导线圈则呈“8 字形”安装在U 形轨道两侧，N 极和S 极交替排列。通电后，轨道上的线圈与车辆上超导体的磁场方向相反，产生斥力使列车浮起。

超导钉扎悬浮，则是利用了在第二类超导体上存在的“钉扎效应”。当外部磁场的强度超过一定的临界值时，第二类超导体表面的抗磁性会突然崩溃，此时的它会像被一枚枚看不见的钉子给钉住了一般，稳定地悬浮在磁场中。

这两种悬浮方式都能够实现“稳定悬浮”，也就是列车悬浮起来之后，我们可以“撒手不管”，就算存在外界的扰动，车体也能自动回正。

超导磁悬浮列车的现在和未来

早在1934 年，德国工程师赫尔曼·肯佩斯就申请了关于磁悬浮列车的专利，20 世纪80 年代后，世界上更是迎来了研发磁悬浮列车的高潮。

然而，时至今日，磁悬浮列车依然是“稀罕玩意儿”。除了前文中提到的中低速磁悬浮线路，高速磁悬浮线路更是只有一条投入了商业运营。这条线路就是上海浦东机场至龙阳路的高速磁悬浮示范线，全长30 千米，单程仅需8 分钟，最高时速430 千米。这条线路采用的依旧是常导磁悬浮技术。

由于常导磁悬浮耗电量巨大，从经济上来说没有明显的优势，所以研究人员早已将磁悬浮列车的未来放到了超导磁悬浮列车身上。

那么，超导磁悬浮列车在哪儿呢？还在实验室里呢！例如，我国拥有自主知识产权的、时速达到600千米级别的超导高速磁悬浮列车就正在研制之中，并已于2021 年建成样车。要是这列列车投入运营，从北京到上海只需要两个小时！

制约超导磁悬浮列车发展的，就是超导体的“临界温度”。截至目前，无论是低温超导还是高温超导，超导体的临界温度都远低于室温。因此整套磁悬浮系统需要液氦（低温超导）或液氮（高温超导）来维持低温，帮助超导体维持超导状态。整套系统需要额外增加制冷设备和隔热设备，增加了成本，抵消了优势。

不难看出，超导磁悬浮列车的未来与超导材料的发展是紧密联系在一起的。在未来，如果实现了更高临界温度的稳定超导甚至室温超导，相信不仅是超导磁悬浮列车，其他各种磁悬浮交通工具都将不再遥远

真空运输——未来高速磁悬浮的可能形态

虽然超导磁悬浮列车具备更高速度的运行能力，但空气阻力仍然是不可忽视的限制条件。研究表明，当列车时速超过400 千米时，空气阻力会占到总阻力的90% 以上。那么，有办法消除空气阻力吗？

办法就是让磁悬浮列车到接近真空环境的管道中运行。理论上，这种真空管道磁悬浮列车的运行时速能超过1000 千米，我们有可能只需要不到一个小时，就能完成从北京到上海的旅程！

真空管道磁悬浮技术目前还处于研究之中，它的实现只有依靠正在阅读杂志、有志为科学贡献一份力量的科学少年们了！