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第44章 萨米尔的超导储能环

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广寒宫基地的能源之心,深藏于月面之下,是一座庞大而复杂的迷宫。这里汇聚着来自大面积太阳能电池阵的断续电能、来自小型实验性氦-3聚变堆的澎湃但尚不稳定的能量、以及各种设备运行产生的波动性负荷。能源的供给与需求,如同潮汐般起伏不定,其间存在着巨大的峰谷差。月夜长达十四天的漫长黑暗,更是悬在整个基地头顶的达摩克利斯之剑,仅靠化学电池组缓冲,如同用茶杯去接瀑布,力不从心。

能源的稳定与高效存储,已成为制约广寒宫扩张、乃至“方舟之心”全功率运行的最关键瓶颈之一。萨米尔?贾马尔的目光,早已从月表的砖石和纳米薄膜,投向了这片更深邃、更基础的领域——他要为月球基地打造一颗强大的、能够“呼吸”能量的“心脏”:大规模超导储能系统(SMES)。

超导储能,原理上近乎完美。利用超导线圈在极低温下电阻为零的特性,将电能以直流磁场的形式几乎无损耗地储存起来,需要时再快速释放。效率极高,响应速度极快,功率密度大。但在地球上,其大规模应用受限于昂贵的低温维持成本和复杂的工程技术。

而在月球,萨米尔看到了独特的优势:月球真空是天然的绝热屏障,其永冻区的极低温环境甚至可以作为天然的冷源。关键只在于,能否解决超导材料本身、以及维持其运行的核心技术难题。

他的实验室再次变成了战场。但这次,没有月尘飞扬,而是充满了液氦的冷雾和精密仪器的嗡鸣。工作台上堆满了各种超导材料的试片,大多是具有较高临界温度的第二类超导体材料,但它们依然需要被冷却到零下两百多度的可怕低温。

“临界电流密度还是不够!”萨米尔对着数据板低吼,像一头焦躁的困兽,“线圈产生的磁场强度一旦提升,超导态就被破坏了!quench (失超)!又是失超!我们储存的能量还不够点亮一盏灯的时间,就会全部变成热爆发出来!那将是灾难!”

一次“失超”——超导态突然崩溃,储存的巨大磁能瞬间以热能形式释放——足以熔化昂贵的超导线圈本身,甚至引发更严重的事故。这是超导储能最可怕的梦魇。

传统的低温超导体需要液氦冷却,成本高昂且维持困难。高温超导体(如钇钡铜氧材料)的临界温度相对较高(仍在零下100多度),但它们的性能是各向异性的,制成线材后临界电流密度往往难以做大,且质地脆硬,难以弯曲制成大容量线圈。

萨米尔团队测试了无数种材料配方和加工工艺。他们尝试用不同的基底材料,尝试引入纳米尺度的缺陷作为磁通钉扎中心以提高临界电流,尝试各种镀层工艺来保护脆弱的超导芯……进展缓慢得令人绝望。

转机来自一次看似无关的分析。团队里一位材料学家在分析上次极区钻探带回的、那个卡断了钻头的奇异金属碎片(研究仍在高度保密中进行)的伴生矿物样本时,注意到其中含有某种特殊的稀土元素掺杂的钛铁矿变体,其晶体结构在低温下表现出异常优异的电磁各向同性。

“萨米尔博士,看看这个!”年轻的研究员兴奋地拿着数据跑来,“这种月壤衍生物,在模拟低温环境下,表现出很强的均匀抗磁性,而且结构非常稳定!”

萨米尔起初不以为意,月球矿物千奇百怪。但他还是抱着死马当活马医的心态,让人合成了少量类似结构的复合氧化物材料。

当第一块由这种新型“月壤基掺杂超导前驱体”烧结而成的试片被放入低温测试台时,奇迹发生了。

在相对“较高”的温度(零下196摄氏度,液氮温区)下,它竟然保持了稳定的超导态!更令人震惊的是,其临界电流密度远超同等温度下的其他高温超导材料!它对磁场的耐受能力也出类拔萃!

“这……这不可能!”萨米尔看着屏幕上几乎完美到失真的数据曲线,反复揉着眼睛,“液氮温区!我们可以用液氮冷却!成本和技术难度将指数级下降!”

月球上有丰富的氮气资源(来自太阳风沉积和挥发物),制备和维持液氮远比液氦容易得多!

狂喜之后是更艰巨的挑战:如何将这种脆弱的陶瓷材料,制成长度可达数公里、能够承载巨大电流的柔性线材?这需要极其精密的加工技术和特殊的金属镀层封装工艺。

萨米尔团队再次投入疯狂的攻坚。他们改进了基地的纳米级3D打印设备,尝试直接“生长”出具有微米级超导芯的复合带材。他们试验了无数种合金镀层,既要保证良好的导热和机械强度,又要与超导芯有优异的热匹配性和电接触性。

失败,失败,再失败。生产出的带材不是超导性能不达标,就是过于脆弱一弯就断,或者在热循环中开裂。

直到萨米尔再次祭出他的“法宝”——从静电防护纳米膜项目中衍生出的多层异质结构设计。他设计了一种极其复杂的、包含超导芯、缓冲层、强化层、绝缘层、导热通道的多层复合带材结构,每一层都只有微米甚至纳米厚度,通过精确控制的沉积工艺叠加在一起。

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