本文来自：一席少年，作者：邓自刚（西南交通大学超高速真空管道磁浮交通研究中心研究员，科学探索奖获奖人），题图来自：视觉中国
大家好，我是邓自刚，来自西南交通大学。我是一名普通的科研工作者。
西南交通大学在成都，与重庆同属成渝双城经济圈。随着交通的变迁，给咱们的出行带来很大的便利。我从成都坐高铁来重庆花了1小时40分钟，相较于1952年新中国建设的第一条铁路，成渝铁路，时间已经缩短了7倍。
坐在我邻座的乘客一直跟我讲，2027年还将会开通成渝中线高铁，从成都到重庆只需要50分钟。大家有没有想过，未来有没有可能降到30分钟，20分钟，甚至10分钟？
这张照片是我们人类交通速度的发展史。大家可以看到，小汽车、高铁、飞机，每一种交通工具都是一个时代的特征。
细心的小朋友可能会发现，从高铁到飞机之间有一个很长的速度空白区，里面没有交通工具。
高铁是我们国家的金质名片，目前已经取得了举世瞩目的成绩。但是我们的轮轨高铁要想进一步提速的话，依然会面临很多的问题和挑战。第一个就是轮轨黏着、弓网接触这些物理的机械接触会限制轮轨交通速度的进一步提升。
那有没有一种新的技术可以克服这些障碍，或者说实现技术的变革呢？答案是有，那就是磁悬浮。
磁悬浮，顾名思义就是列车靠磁力实现悬浮运行。它克服了轮子和钢轨之间的机械接触，带来了一些明显的优点，比如说速度更快，噪声更低，乘坐更舒适。
磁悬浮的种类
今天我想给大家科普的第一个知识点就是磁悬浮包括哪些种类。
磁悬浮是一个很大的概念，根据它的原理不同，可以分为四大类六小类，有永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮和钉扎悬浮。每一种磁悬浮制式背后都有中国的身影。
大家可以预想得到，未来磁悬浮在中国的发展肯定是非常的红火。在所有的磁悬浮同仁的共同努力下，目前我们中国的磁悬浮专利排名世界第一。
第一种磁悬浮叫永磁悬浮，这一点可能很多同学都经历过。它的原理非常简单，就是用两块磁体同极相斥的原理来实现悬浮。
两块磁体极性相同，靠近的过程中就会产生一个很大的排斥力，用这个排斥力就可以实现悬浮。
但是大家再想想，靠近的过程中会发生什么？两个磁体会打架、会错位，甚至磁体会发生翻转。所以我们在应用的时候，会在侧面加一个轮子做导向，让它在竖直方向实现悬浮，但横向有一个机械的限位，不让它发生偏离。
这种磁悬浮的特点是结构简单，承载能力比较强，所以在国外会把这种磁悬浮技术用来拉货。
第二种磁悬浮叫电磁悬浮，顾名思义就是电生磁，就是在铁芯上绕满线圈，给它通电之后产生磁场。这个磁场和我们的铁磁性轨道之间会产生一个吸引力，把车子给吸起来，然后我们用控制技术来维持列车的悬浮高度。
这种磁悬浮的代表技术是德国的电磁悬浮技术，目前在咱们国家的上海浦东机场有一条高速运营线使用了这种技术，它的最高试验速度已经达到了550公里/小时。
第三种磁悬浮叫电动悬浮，它的核心词叫动。从这个动画里面大家可以看到一个移动的磁体源，它必须要移动，然后在导体板里面或者在导体做成的线圈里面会产生一个感应磁场。这个感应的磁场和我们的源磁场相互排斥，就会把车子给托起来。运动的速度越快，悬浮力越大。
这个技术以日本的低温超导电动悬浮为代表，在2015年就创造了603公里/小时的世界纪录。
最后一种就是我们所研究的高温超导磁悬浮，也称为钉扎磁浮。这种磁悬浮的原理叫感应生电。车上和轨道都不需要通电，它是靠超导体所处位置的磁场发生变化，在超导体里面产生感应电流。这个感应电流和永磁体的磁场相互作用，就能产生悬浮。
这种磁悬浮技术也是最神奇的一种磁悬浮技术。大家从这个视频里面可以看到，它既可以悬浮，又可以悬挂，说明这个系统既有排斥力，又有吸引力。
有的同学可能会问，高温超导磁悬浮的温度是不是很高呢，是不是几百度、上千度呢？我们这里的“高温”是相对低温超导而言的。低温超导泛指工作在液氦温区的超导材料，它的温度特别低，接近于绝对零度，零下269摄氏度。高温超导的温度从液氦温区升高到了液氮温区，温度升高到了196摄氏度，但这个温度依然是非常低的。
那究竟是高温好，还是低温好？答案肯定是高温更好。因为液氮来自空气中的氮气，通过对空气压缩、冷却、分离，分流之后就可以得到液氮，所以这个原材料特别容易获取，也比较廉价。
接下来要讲的概念就是超导。1911年，荷兰莱顿的Onnes教授在做金属水银低温下的实验的时候，发现在4.2K的时候，汞的电阻突然下降为零，可以称为消失了，因为当时不知道怎么定义它，他就把它定义成superconducting，就是超级导电的意思，超导就由此而来。
直到1987年，两位华人科学家，赵忠贤院士团队，和美国休斯敦的朱经武团队，分别独立发现了首个液氮温区的高温超导材料，现在叫钇钡铜氧，它的临界温度是93K，相当于零下180摄氏度。用液氮就可以进行冷却。我们今天所用的超导材料就是钇钡铜氧。
我们的同学做了一个实验来演示这个原理。她手里面拿的是一块铝板。一般情况下，铝板掉下去的时候可以听到金属碰撞的声音，但是如果它落在我们的磁轨上，它在下降的过程中会经历磁场，就会产生悬浮力，所以它会缓慢地下降。因为铝板有电阻，它的高度会下降，但如果做成超导，这个悬浮力就会一直存在，维持悬浮。
超导悬浮非常简洁，只需要三个元素就可以实现。首先往里面加入液氮，第二个元素是这个小模型里面有块超导材料，第三就是这个轨道上面贴满了永久磁铁，做成了一个莫比乌斯环。我们用同样的原理做成悬浮装置装在列车的两边，就可以构成磁悬浮列车。
这个照片里两边银色的就是永磁轨道，把这个车子悬浮起来，还要让它左右不脱轨。中间红色的线圈是直线电机，起到一个牵引和制动的作用。整个系统是非常简洁的。
这个视频里，一个二年级的小学生就将这辆13吨重的车推动了，因为我们这个技术在前进方向是没有磁阻力的，所以将这个车子推动起来非常容易。在座的每一位同学如果来到我们实验室，都能成为一位大力士，都能够推动我们的磁悬浮列车。
这种磁悬浮列车在工程化应用中有非常多的优点。第一，它悬浮导向是一体化的，结构比较简单；第二，它是自稳定的，不需要复杂的控制系统；第三，它不需要耗电，不用加汽油，只需要加液氮。一瓶500毫升的矿泉水大约卖两块钱，一升就是四块钱，液氮的价格一升才一块钱，所以说这个原材料的成本特别低。
再说悬浮高度。我们有个概念叫“草上飞，水上漂”，即使轨道上有一定的障碍物，不是很高的话，这个车子也能越过。因为前进方向没有磁阻力，所以它能耗很低，轨道产生的是静磁场，没有电磁辐射，而且悬浮能力比较强，1公斤的超导材料可以悬浮20公斤的重物。
还有一个优点，我们可以利用现有高铁的土建技术。举个例子，将现有高铁的钢轨拆掉，换上磁轨，中间装上直线电机，就可以变成磁悬浮轨道。但是专家们总觉得这样还是有点不安全，所以我们又设计了一个U字形的轨道梁，实现了轨抱车，保证车子永远不会脱轨，非常安全。
过去20年我们潜心造了一辆车
回顾我们过去20年的工作，其实就是潜心造了一辆车。左边这辆车是在上个世纪最后一天，2000年12月31号，我的两位导师，王家素老师和王素玉老师，带领团队研制成功的世界首辆载人高温超导磁悬浮车。
当时的条件特别艰苦，在学校里面用花椒布、脚手架、钢管搭建了一个棚子，就是在这样的环境里面，做出了世界第一的成绩，从此开启了国际上的高温超导磁悬浮列车研究之旅。
过去20年，接力棒也传到了我们的手里面，我们立志继承老师的成果，将其发扬光大。在2021年1月13号，我们和中国中车、中国中铁等合作，研制成功了世界首台高温超导磁浮工程化样车，这个车也是团队所有人共同付出的成果。
其实我们这个团队，从世纪号到世界首辆载人高温超导磁悬浮车，一直还有另外一个新目标，就是希望能够再创造一个世界第一。所以当时我们将这个车子的时速设计成620公里/小时。大家可以看到这个车子特别长，流线型特别好，因为我们希望能够打破日本低温超导磁悬浮创造的603公里/小时的记录。
还记得在工程化样车跟大家见面的前一天晚上，我们要在凌晨进行彩排预演，在车里加入液氮，验证它的悬浮功能。
当时天比较黑，也看不清，我们把千斤顶撤掉之后，其实内心非常紧张，不知道这个列车有没有浮起来，所以在现场一直在问工程师有没有浮起来，效果怎么样。
这是我们第一次悬浮一个真正的，像火车一样大的车。它有21米长，3米宽，重量超过13吨。最后这个结果是非常好的，悬浮的效果很好，也很稳，现场大家也非常开心，露出了久违的笑容。这进一步激励了我们继续往前进。
和所有的科研一样，光鲜的背后充满了艰辛、挑战，还有持之以恒。其实我们为了这一天，已经做了二十年的准备。从为了让它能浮更重的车到浮得更稳，从超导的电磁特性，永磁轨道磁能的利用，到系统的匹配设计技术，我们做了不计其数的理论仿真以及实物验证，以保证每个环节的成功，保证这个项目的成功。
最终通过我们的努力，悬浮能力目前提高了7.7倍，悬浮水平已经达到了2.5吨/米。就是说这个车子长1米，就能够悬浮2.5吨重，我们前面的工程化样车长21米，理论上它的载重能力就可以超过50吨，这个能力足以支撑未来工程化的应用。
喝杯咖啡功夫，从成都抵达重庆
我们现在已经有了时速600公里的高速磁悬浮列车的技术储备，那大家可能还会问，这个列车还能不能跑得更快呢？答案是能。那就是磁悬浮加真空管道技术。
其实关于真空管道交通的设想，早在1904年就由美国的火箭之父Robert Goddard提出来了。但当时没有这方面的需求，技术储备也不够，所以这个技术一直停留在纸上。直到最近，中国的发展持续强大，我们对出行的质量要求越来越高，加上磁悬浮技术的快速发展，使得真空管道又重新进入了我们的视野。
磁悬浮加真空管道，也称为未来轨道交通技术的制高点。我们用磁悬浮技术消除了轮轨之间的机械摩擦，又用管道降低了列车运行的空气阻力，我们想尽一切办法减少列车运行的阻力，所以未来，这种交通制式是真正有望实现超高速低能耗运行的，它的目标速度将有望突破时速1000公里/小时。
与飞机相比，它有一些显著的特点，比如它更安全，因为它在地下，而且可能未来主要是以隧道的形式，像地铁一样。第二，它会更舒适，因为在真空环境里，噪声特别小。还有一点，这个系统比较节能，我们只需要在加速的时候和停止的时候给它施加电机的驱动或者制动，中间环节都可以让它惰性运行，所以这是非常节能的系统。
2013年以来，这个领域发展得特别快，目前包括中国、美国在内的很多国家都有这个布局。讲到这个发展，我们就不得不感谢一个人，埃隆·马斯克。他在2013年提出了超级高铁白皮书，叫Hyperloop，吸引了全世界很多科技爱好者共同投入这项研究，因为大家都知道埃隆·马斯克提出的每一个科技设想最后都变为了现实。
值得自豪的一点是，我们团队在2014年就正式科研立项，开展真空管道磁悬浮交通的研究。目前为止，除了中国，还有9个国家，12个单位正在研发真空管道交通。
大家的方案其实都大同小异，核心都是采用真空管道减少空气阻力，用磁悬浮技术消除轮轨摩擦，用直线电机来实现非接触的牵引，区别就在于采用哪一种磁悬浮制式。
我们采用的是我们原创的高温超导磁悬浮技术。这种新的交通核心就是要验证这个方案的技术可行性。早在2004年，我们学校的沈志云院士就组织提出论证，一起探讨了真空管道磁悬浮交通的可行性。
我们主要是探讨两点，第一是磁悬浮列车超高速运行的适应性，能不能跑到1000公里/小时以上，第二是它在真空的环境里面能不能工作得很好。
任何一项新的技术都不是一蹴而就的，都需要循序渐进。西南交通大学是国内最早开始研究真空管道交通的单位，我们学校提出了“三步走”的战略。通过我们不断创造更高速度的试验平台来验证这个技术的可行性。
首先我们建了一个45米的环形线，最高试验速度是50公里/小时，用于验证原理可行性。最终我们实现了在0.029个大气压，相当于抽掉97%的空气下，磁悬浮列车连续运行10个小时，这就验证了真空管道加高温超导磁悬浮原理的可行性。
大家从这个视频里面可以看到，我们坐人的时候是不抽真空的，如果我们要做真空的实验，那里面是不能坐人的。未来要应用的话，这个列车就必须做成封闭式的，就有点像载人航空航天一样，车里面要提供生命维持系统。
第二步，我们建了一个直线，实现更高的速度。这个直线的长度是140米，里面抽掉95%的空气，实验速度进一步提高到了430公里/小时。
第三步，也是我们现在正在做的，就是建设一个线路更长的真空管道超高速试验平台，它的管道直径是3米，线路的长度是1600米，抽掉99.5%的空气。这就相当于飞机飞行在35000米的高度，空气非常稀薄，空气阻力非常小，已经可以忽略。我们的最高实验速度要达到1500公里/小时。
大家可以想象下，这项技术研究成功之后，从成都到重庆可能只需要十几分钟，也就是喝一杯咖啡的时间。
磁悬浮技术能够颠覆各个领域
作为今天这个分享的最后一部分，我想跟各位分享一个彩蛋。我想告诉大家，磁悬浮技术不仅能颠覆速度，还将颠覆各个领域，比如说人工心脏、卫星，甚至小汽车。大家想象一下，未来的汽车会发展成什么样子？除了我们现在的电动汽车、自动驾驶，未来还有什么可能性？
这个视频是15年前大众发布的一个球形磁悬浮车的概念视频，这是一位来自成都的90后女大学生王佳提出来概念。她的想法就是用智能驾驶加磁悬浮技术做磁悬浮车。
当时这个视频发布之后，因为做得非常逼真，在网上引起了轰动。但这只是一个特效，一个想法，一个概念。那我们有没有办法把它变为现实呢？我们现在把这个想法实现了。
这个想法的灵感来自什么地方？就来自日本的低温超导电动悬浮技术。
我们把磁悬浮列车称为直线运动，沿着一条线路跑，做直线运动。但是电动悬浮车不同，大家从中间那个曲线可以看到，它前进的方向会有磁阻力，先增大后减小，所以电动悬浮列车就只能跑高速，因为它跑低速的时候磁阻力很大，不节能。
我们做了一个非常巧妙的设计，就是把这个直线运动化直为曲，变成一个圆周运动，把磁铁组成永磁轮。只要磁轮一旋转，就会产生一个交变的磁场，在下面的导体板里面就会产生一个感应的磁场，两个磁场相互排斥，就能实现悬浮。
根据电动悬浮的原理，在旋转切线的反方向会有个磁阻力，但是因为这个轮子已经浮起来了，这个磁阻力就会变成列车的驱动力，所以我们就实现了电动悬浮列车磁阻力变废为宝。
要实现这个磁悬浮汽车，不是给它加一个翅膀，而是给它换一个轮子。在真正工程应用中也非常简洁。首先我们只需要把车上的普通轮子换成磁轮，然后在路面安装导体板，只要车达到一定速度，就可以起浮起来，系统的改装是比较小的。
而且我们在设计的时候考虑了它是一车两用的，在普通路面上也可以走，只是不会悬浮起来，而当进入到悬浮路面时，就能悬浮起来。
任何一个新的技术都会面临很多的质疑，我们在接待参观的过程中也会遇到很多的提问。其中最多的一个问题就是，磁悬浮汽车最适合用到哪里。
我们的祖先告诉我们，当我们不知道答案的时候，就抬头仰望星空。对，用在月球。磁悬浮汽车用在月球上特别合适，这个场景也是我们思考了两年之后发现的。
我们总结出来有四重优势，量身定制。第一，月球是一个低引力的环境，重力加速度是地球的1/6，也就是说，一个在地球上重600公斤的东西，在月球上就变为100公斤。所以传统的车辆在月球上是跑不快的，因为摩擦力不够。但是磁悬浮汽车是靠电磁力来牵引的，月球上的电磁力不会变，所以它在地面能跑200公里/小时，在月球上也能跑200公里/小时。
第二，磁悬浮车是靠电磁力实现非接触的支撑，很显然它的载重能力是比不上机械接触的。但是在月球上，因为重物变轻了，就相当于间接地把它的载重能力提高了6倍。
第三，月球表面有很多金属矿物质，我们可以就地取材，把它做成导体轨道。第四，月球上背对太阳的一面温度是非常低的，将近零下180多度。这个低温对我们的磁悬浮技术是非常好的。磁悬浮技术最怕热，温度越低，性能越好。
最近我们发现，美国宇航局NASA也提出了类似这样的项目概念，叫灵活轨道悬浮，可以说和我们的想法是不谋而合。磁悬浮技术与月球车的需求高度契合。
最后，我想用火箭之父Robert Goddard的一句话来结束今天的分享：没有什么是不可能的，昨天的梦想将变成今天的希望，也将变成明天的现实。
1904年，Robert Goddard提出真空管道交通设想的时候，火车每小时只能跑几十公里。当时他收到了非常多的质疑，就用这句话来激励自己。过去这些年，这句话也一直激励着我们不断前行。
我们相信，实干兴邦，最终梦想都会照进现实。希望未来三到五年内，高温超导磁悬浮列车能够走进我们的生活。
做今天这个分享的时候，我有一个小小的私心，我也希望通过今天这个演讲，给小朋友种下一颗科学的种子，就像当年我听了我们老师的讲座之后，将磁悬浮作为自己的研究事业。
我希望未来十年之后的某一天，有一位同学来到我的办公室说，邓老师，我想读您的研究生，因为在2026年5月30号，我听了您的分享，我对这个方向非常感兴趣。
以上就是我今天的分享，谢谢大家。
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