今年暑假物理學界一點也不悠閒，因為7月22日韓國的研究團隊公布了一項研究成果，他們聲稱在環境壓力及常溫的雙重條件下，成功合成名為「LK-99」的常溫常壓超導體，擁有零電阻、邁斯納效應(Meissner effect)等超導體特性。雖然陸續有許多研究指明LK-99並不是常溫常壓超導體，但這項研究確實轟動了全世界，掀起一股超導體熱潮。究竟為什麼常溫常壓超導體能讓人們趨之若鶩？超導體究竟有什麼如同聖杯一樣的神奇魔力，對於人類的生活及文明發展，有什麼跳躍式的影響？
什麼是「超導體」(Superconductor)？
眾所周知，一個導電率良好的導體需要具備許多條件，其中一項即是「低電阻」。在我們生活中導電率最好的金屬是「銀」，其次是「銅」，由於銀的成本太高，所以銅線成為了目前主流的導線材料。雖然銀和銅的導電率很高，但仍存在相對低的電阻，這不免讓人好奇世界上是否存在電阻為零的材料呢？
在1911年，荷蘭科學家海克．昂內斯將汞降到絕對溫標4.2K時，發現水銀的電阻完全消失，於是人類首次發現了超導現象，震撼了科學界。在接下來數十年的研究、眾多科學家的努力之下，超導現象漸漸有了輪廓。
首先，超導體電阻為零，意即當電子在超導體中流動時是不會有能量損耗的。傳統的銅導線即使電阻再小也還是會有阻抗，這些阻抗對電子造成的能量耗損，會以「熱」的形式散發出來。我們生活中電腦、手機用久了會發燙，導線、變壓器通電後溫度會上升，這些都是因為電阻的存在而產生了熱能的損耗，若是使用超導體就不會有這個問題。
其次，超導體最顯著的特性即是「抗磁性」，當物質從一般狀態進入超導態時會對磁場產生排斥現象，這種現象稱為「邁斯納效應」。所謂的抗磁性並不是像我們熟知的同性相斥、異性相吸，而是對於磁場完全的排斥，磁力線無法穿過超導體，因此在磁場作用下，超導體可以懸浮在空中。
再者，第二類超導體還擁有「磁通鎖定」的特性，當外界磁場強度介於特定的區間時，部分磁通會通過超導體內部並且被鎖住，當磁通鎖定時，超導體雖然懸浮在空中可以自由移動，但卻無法離開磁場的範圍。邁斯納效應與磁通鎖定的物理特性，使得超導體的研究成為磁浮列車的關鍵技術，列車可以穩定的懸浮於軌道上方(或是下方)，且由於磁通鎖定，列車不會輕易出軌。
到目前為止，人類已經發現了幾種可以產生出超導特性的材料，但大部分都要在低溫或是高壓環境下才能維持超導態，距離實際應用還有一段距離。若有朝一日真的能實現常溫常壓超導體，對於電力系統有會帶來什麼樣的變革呢？
電力傳輸應用超導體，線路無損失、無壓降，系統效率提升
在輸配電系統中為了降低線路損失，必須把電壓升至特高壓等級，再分配至各區的配電系統（文章回顧：[智慧電網]從跳電中認識舊電網：智慧電網的轉型與挑戰），在這中間扮演主導地位的設備即是導線。前面有提到，目前導線是以銅或是鋁為主要材料，儘管它們電阻很低，但依舊有電阻的存在，因此會產生耗損。根據台電的統計，台灣每年的線路損失約在3~5%之間。這樣的耗損不僅僅只是虛耗能源而已，還會產生電壓降，使得電壓在經過長距離傳輸後，末端電壓低於源頭電壓，造成末端用戶電流上升進而導致用戶的設備損壞。
若將所有線路都改為超導電線，那上述的線路損失、電壓降的問題將不復存在，電線能100%的傳輸電力，儘管還是會需要變壓器來將電力升至特高壓，以限制電流不超過超導體的臨界電流，但若使用超導變壓器，電壓轉換的損失也會降低，整體系統效率將顯著提升。
能源領域應用超導體，核融合有望商轉，無損耗儲能系統誕生
被稱為「人造太陽」的核融合技術，有一部分聲浪認為它將是最終的能源型態，能量巨大、原料取得容易、產物較安全、風險較可控，看似是完美的能源，但由於要引發核融合反應，需要一股極大的能量將原子變成電漿，而電漿的控制十分困難，也因此核融合的研究遲遲無法商轉。除了核融合以外，當前最夯的便是再生能源，透過太陽光、風力等自然界的能量來發出電，但由於再生能源有間歇性的問題，沒辦法長時間穩定的供應，因此需要在電網中搭配儲能系統以緩解再生能源變動性大的問題，台灣也有頒布相應的政策鼓勵民間將光電結合儲能(文章回顧：[光儲合一]儲能系統結合太陽光電發電設備 簡介與申辦作業)，但儲能也有損耗的問題，儲存10度電進電池，取出來時可能只有9.5度，目前的儲能沒辦法完美的0損耗儲存電力。
若超導體真的誕生了，超導體的抗磁性特性可以形成穩定的磁場，當電漿帶電時將被捲在磁力線上，不需要購置昂貴的冷卻設備即可控制電漿，將使核融合商轉更進一步。而超導體儲能器也有望誕生，若使用超導體做成線圈，由於電阻為0，電流可永久流動產生磁場，可達到無損儲存電力的效果。
上述僅是超導體推動人類文明發展的冰山一角，若超導體真能在常溫常壓下維持，說它能為人類文明帶來革命也不為過，就是這麼重要的一項技術，每位科學家都想得到它，因次被譽為「聖杯」。希望在不久的將來，常溫常壓超導體改變世界的時候，萊峰電機也能在這革新的浪潮中，為電力系統的改革盡一份力。
參考文獻：
- https://arxiv.org/abs/2307.12008
- https://arxiv.org/abs/2307.12037
- https://pansci.asia/archives/197902
- https://pansci.asia/archives/125830
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98
- https://crossing.cw.com.tw/article/17124
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%B6%85%E5%AF%BC%E7%A3%81%E5%82%A8%E8%83%BD
圖片來源：
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/LK-99
- https://www.zhihu.com/question/25655187
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%9B%BB%E5%8A%9B%E9%9B%BB%E7%BA%9C
- https://medium.com/@caleb.lo/fusion-energy-ending-the-water-crisis-fac803035995