超导材料，引领未来能源的投资方向？

作者：麻省理工科技评论APP 来源： 头条号 118103/17

在电影《阿凡达》中，人类在潘多拉星球上发现了一种罕见的常温超导体——Unobtanium。为了大量获得这种材料，人类机关算尽，只为入侵潘多拉。现在，有科学家宣称已经找到了这样的材料，并且在一二级市场引发了激烈讨论。3月8日下午，一段有关近常

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在电影《阿凡达》中，人类在潘多拉星球上发现了一种罕见的常温超导体——Unobtanium。为了大量获得这种材料，人类机关算尽，只为入侵潘多拉。

现在，有科学家宣称已经找到了这样的材料，并且在一二级市场引发了激烈讨论。

3月8日下午，一段有关近常压室温超导技术突破的截图在朋友圈疯狂刷屏。这是一场发生在美国物理学会的三月会议上的分享，来自罗彻斯特大学的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）进行了题为《室温近常压条件下氢化物超导特性》（Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure）的分享，宣布团队实现了近常压条件下的室温超导。

超导材料被称为“当代科学的明珠”，兰加·迪亚斯团队竟如此轻松地把这颗明珠收入囊中了？

常温常压的超导有多难？

首先，我们先来看看美国物理学会的现场究竟发生了什么。

网传的现场PPT显示，兰加·迪亚斯团队发现三元或者更多元的体系可能是实现近常压高温超导的关键，并展示了一种三元镥氮氢体系超导材料，这种材料能够在294K（约20摄氏度）、1GPa（约1万个大气压）的条件下实现超导电性。

他还通过电阻测试和迈斯纳效应验证了该材料的超导特性。

迈斯纳效应即完全抗磁性，是指超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象。简单来说就是当你把超导材料放在磁铁上时，迈斯纳效应会让磁场发生畸变，产生向上的力使超导体悬浮在磁体上，这也是磁悬浮列车实现的理论基础。

△磁化水

兰加·迪亚斯2013年毕业于华盛顿州立大学，长期从事极端条件下氢化物量子现象的研究工作。早在2020年，其团队便在Nature刊发文章，宣称在267GPa的超高压下，使碳-硫-氢组成的材料实现了转变温度为15℃的超导电性。该研究在当时被誉为诺奖级别的成果，不过因其他物理学家均未能重复其实验结果，这篇文章在2022年9月遭到撤稿。

没想到半年过去，迪亚斯便带着更重磅的研究成果，杀回了物理学界。

△兰加·迪亚斯｜图源自网络

为什么他的研究这么重要呢？自然是因为常温常压的超导实在难以实现。

我们都知道，超导指的是导体在某一条件下，电阻为零的状态。可为了实现这个“某一条件”，科学家一百年来想破了脑袋。

自打1911年，荷兰科学家卡麦林·翁纳斯在零下269摄氏度的条件下观测到汞的超导电性以来，“如何在通常条件下实现超导”一直是学界追求的目标。

△卡麦林·翁纳斯(右一)｜图源自网络

过去十年里，科学家对高温超导的探索集中在高压领域，并通过化学预压缩的氢合金实现超导。在兰加·迪亚斯的成果发布之前，现有的最高温度超导体是硫化氢，这种材料在203K （约为零下70°C）、150GPa（约为150万个大气压）时才能实现超导。

兰加·迪亚斯发现的镥氮氢体系，能在20℃、1万个大气压的环境下实现超导，足见其成果的突破性，但是在实际应用上，1万个大气压与“常压”仍有不小距离。中科创星创始合伙人米磊表示，“低温常压、高温高压下的超导是该领域不同的研究方向，但若能实现常温常压的超导，这将是十分震撼的。”

然而在投资的领域，高温超导项目早已是硬科技投资机构的“座上宾”。该技术之所以得到如此关注，是因为它能对未来产业产生巨大的影响。

超导材料可以给能源电力、交通运输、医疗诊断等行业带来巨大的变革。

当超导材料实现超导态，便获得了完全抗磁性的特征，能将外部磁场的磁通线排出体外，当有磁体靠近超导体时，便会受到很强的斥力。在米磊看来，这能使人类对电子的控制迈上一个台阶。

△超导实验

磁约束聚变的托克马克装置中采用了磁笼来对上亿摄氏度的等离子体进行约束，现有的托克马克实验装置大多采用了铜导线磁体，运行时间以秒计，而商业化的聚变堆必须采用超导磁体才能达到连续稳态运行的目标，ITER（国际热核聚变实验堆）项目是目前国际上在建最大的托克马克实验装置，采用了上世纪末已经成熟的低温超导磁体技术，体型庞大且投资巨大，是目前最大的国际合作项目。近年来高温超导材料开始成熟，其在强磁场下的特性远超低温超导材料，构建的高温超导磁体场强几倍于低温超导磁体，能对等离子体提供更强的约束，使托卡马克小型化成为可能，这不仅可以大幅降低投资成本，更重要的是研发周期大大缩短，使原来30~50年预期的遥不可及且投资巨大的聚变项目变成了10年预期且投资可控的风投热点。

总之，中科创星认为，超导材料一旦得到普及应用，不仅人类不会再受能源紧张的限制，社会生产和生活也能受惠于技术，得到改善。而常温常压的超导应用一直是人类的梦想。

△磁悬浮列车概念图｜图片来源于网络

超导材料的前景在哪？

在米磊看来，超导技术的价值可能不亚于半导体材料。商用可控核聚变公司「星环聚能」CEO陈锐也对米磊的观点表示认同：“超导技术对于我们核聚变领域来说，作用非常重要。一个好的超导材料能够极大的降低实现可控核聚变的成本，也能极大的降低核聚变反应堆的设计难度。”

总之，这些成果离不开成熟的上游超导材料产业，中国的超导材料领域已逐步成长为国际上不容忽视的力量。

低温超导材料方面，受益于ITER项目的拉动，经过不懈的努力西部超导公司在低温超导材料和低温超导磁体方面已达到了国际一流，成为了ITER聚变磁体的超导材料核心供应商。低温超导材料的成熟带动了国内磁共振成像、粒子加速器产业的快速发展，近年来在磁悬浮列车、超导储能等领域也有斩获。

近年来国际上ReBCO高温超导材料取得了重要的突破，并形成了规模化量产，其优越的强场特性引发了聚变领域新的采用高温超导强场磁体的紧凑型托克马克聚变路线，10年预期下的聚变路线图激发了该领域极大的创业和投资积极性。

“目前，国内外已有20多家可控核聚变创业公司。”米磊主导中科创星从去年开始大力布局高温超导材料方向，“现在已经投了三家高温超导材料上下游公司，只是没想到这个方向这么快又火了。”

「星环聚能」是国内首家以风险投资驱动的商业聚变能开发企业，该公司专注于小型化、商业化、快速迭代的可控聚变能装置的设计、建设、运行和研发。2022年下半年，「星环聚能」完成了原理验证装置——SUNIST-2球形托卡马克主机的安装工作，与磁体配套的脉冲功率电源也顺利推进，即将尝试进行放电实验。

△星环聚能可控核聚变装置原理图

据「星环聚能」CEO陈锐的介绍，该装置的目标是验证公司的重复重联可控聚变方案。未来公司还会打造“一号装置”，倘若一号装置运行顺利，公司预计将于2026年开始建造商业示范装置，该装置的目标是跑通聚变发电的全部过程。

「翌曦科技」则是一家从事高温超导磁体研发的公司。该公司基于现有的ReBCO高温超导材料围绕聚变强场磁体展开研发，这是实现紧凑型托克马克装置最为核心的部件。“在SPARC百亿的研发预算中，高温超导磁体的支出预计占到50%。”上海交通大学电子信息与电气工程学院长聘教授、翌曦科技创始人金之俭曾在采访中表示。

金之俭本硕博均毕业于上海交大，2010年，金之俭组建了上海交通大学高温超导研究团队，团队支撑的上海超导公司研发的的高温超导材料逐步成熟并形成了产业化，目前已达到国际一流水平，是国内外多个聚变项目高温超导材料的核心供应商。紧凑型聚变路线的兴起引发了高温超导领域的巨震，由于单个紧凑型聚变项目高温超导材料的用量都达到了近万公里，使得高温超导材料的需求近乎成百倍的增长，巨量的需求带动了高温超导材料成本的快速下降，原来高不可攀的高温超导材料一下变得亲民了，高温超导的应用场景正在变得越来越多，超导电力、超导节能、超导磁悬浮、超导医疗等等，高温超导产业正在迎来春天。

△翌曦科技超导磁体

在米磊看来，超导之于能源领域就是半导体之于信息领域，过去60年的信息革命依靠的是半导体材料的突破，未来60年的能源革命依靠的是超导材料的突破。

那兰加·迪亚斯发现的三元镥氮氢体系会冲击现有的高温超导行业吗？

可能没那么容易：三元镥氮氢体系超导材料固然令人惊艳，但是短期内难以撼动现有高温超导材料的地位。

「星环聚能」CEO陈锐认为， 目前可控核聚变领域最常用的是钇钡铜氧体系的超导材料。“可控核聚变对超导材料的电流密度和防中子辐射能力要求很高，而钇钡铜氧体系在这方面的性能较为优异。”陈锐本科毕业于清华大学工程物理系核工程与核技术专业，后又前往悉尼大学进修，获得硕士和博士学位。2021年，他与清华大学工程物理系副教授谭熠依托清华大学工程物理系聚变实验室近二十年的研究成果，联合创办了「星环聚能」，专注于实现聚变能源的商业化。在陈锐看来，兰加·迪亚斯研究成果的应用性有几何目前仍存疑。

「翌曦科技」金之俭认为，三元镥氮氢体系离实用还非常遥远，超导材料在实际应用中还要关注材料本身的稳定性、电磁和机械特性、成本等多个因素。在他看来，现有的钇钡铜氧体系超导材料经过数十年的研发才走到今天实用化的地步，目前是可控核聚变技术走向商业化最可行的一条路径，可控核聚变的实现并不需要等待新的超导材料亮相。

此外，对于镥氮氢体系实现超导的条件，米磊则表示，“虽然在实验室里很容易实现3万个大气压的压力，但是在实际应用中就比较困难。有文章称该压力可以通过材料结构本身实现，但这种途径实现的压力属于‘化学压力’，即元素结构不匹配造成的内部压力，这是否适用于这种材料，还需要时间的检验。”

1万个大气压虽然在科学上可以表述为“近常压”，但还是难以直接应用于实际情况，陈锐告诉中科创星，“对于可控核聚变装置来说，我们不能将所有磁体的所有位置都施加1万个大气压，这在应用中是不现实的。”

“如果他的材料真的得到了验证，可控核聚变公司也能通过更换更简单的设计，快速完成材料升级。”陈锐表示，这是学业和业界都乐意见到的。

因此，兰加·迪亚斯的实验结果对于凝聚态物理的意义远大于超导实用技术，金之俭告诉中科创星，“他发现了一个寻找高温超导材料的新途径，顺着这个新的途径可能发现压力要求更低的高温超导材料。”

超导材料——引领未来的投资方向

兰加·迪亚斯的镥氮氢体系超导材料将实现超导态的温度提高了近百摄氏度，倘若该实验结果能被其它科学家复现，那即便其尚不具有产业和投资价值，在科研的领域也是一项分量十足的突破。

“美国的技术突破不是靠一两天的时间实现的，他的背后是无数科学家几十年、上百年的积累。科研是一个需要耐心进行长期积累的事，有时候我们做了10年，发现没有重大突破，于是‘中途下马’。但等再过个一二十年，别人取得突破成果的时候我们再想把技术捡起来，那就为时已晚。”在米磊看来，今天的中国十分缺乏“十年磨一剑”的工匠精神，大家只看到了突破，却没人愿意默默耕耘，这样只能被甩在后面。

学术尚且如此，对于投资则更甚。

站在投资的角度，超导材料及其下游的可控核聚变的商业价值、社会价值以及知识价值长期存在，但因其远离人们的日常生活，产业的重要性总是未得到广泛的认可。

但这并不妨碍学界对超导技术的研究，国内也有非常多的科学家十年磨剑在做研发，也有像陈锐、金之俭这样的创业者在推动技术的产业化、商业化。作为硬科技投资先行者的中科创星，我们在前沿科技的转化推动上，也在不遗余力地为这些创业公司提供支持。

中科创星的使命便是推动新一轮科技革命在中国诞生。与经济和商业价值最大化相比，以硬科技改变世界、实现中国梦才是我们的目标和追求。“现在大家只看到了技术突破，但是我们更需要默默耕耘的人。”米磊认为，中科创星要做的是“耐心资本”，从成立之初就确立了“投小、投早、投硬”的方向。

总之，常温超导体技术依然是全社会的期待，该技术的成熟必定会引领一场世界范围的技术革命。在此之前，我们要对技术保持警惕和敬畏，也不能丢下对它的憧憬。

参考资料：

1.关于三峡水电站上网电价和输电价格有关问题的通知http://www.nea.gov.cn/2011-08/16/c_131052530.htm

2.硬核！交大教授创业聚焦可控核聚变，通向终极能源之路，获中科创星投资https://mp.weixin.qq.com/s/fdDVt0ENc5l8g2lqixS_lA

3.华安证券：高端金属材料成型工艺领军者

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