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超高速铁路只是小菜一碟,这项未来科技还能建造空中楼阁

DeepTech深科技  · 公众号  · 科技媒体  · 2016-12-13 00:00

正文

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磁悬浮技术高效率、无摩擦、几乎无噪声。 本文辑录了工程师们关于磁悬浮技术的一些最大胆的设想。




空中楼阁


随着经济发展和人口增长,地表会越来越拥挤,污染越来越重。但是,磁悬浮技术可以打造空中楼阁——包含森林、小丘和市中心的空中楼阁。空中楼阁的设想由中国建筑师赵伟(音译,Wei Zhao)提出,并在eVolo 2012年度摩天大楼设计大赛中获得关注。

赵提出, 空中楼阁呈面包圈型,底部附有磁体,与地表的磁体相互作用,保持空中楼阁的悬浮。 此外,空中楼阁还具有发电能力,能够维持其中居民的现代化生活。


不过,这个方案由于太过离奇,目前仍停留在绘图板上。




超高速铁路


普通高铁的时速可达290千米,但是车轮和铁轨接触产生的巨大摩擦力和热量,使得进一步提高高铁的速度极其困难。


相反,磁悬浮列车的时速可达500千米,因为它悬浮在轨道上,从而避免了摩擦。磁悬浮列车更节能,更廉价——根据Maglev2000公司总裁和超导磁悬浮列车共同发明人詹姆斯·包威尔(James Powell)的说法,如果普通高铁,每个乘客的旅费是1.6千米1美元,那么磁悬浮列车乘客的旅费只是1.6千米5美分。

目前亚洲和欧洲已经有几条磁悬浮线路投入运营,世界其他地方也正在兴建新的线路。日本的MLX01在2003年创造了时速580千米的世界记录(该记录维持至今), 但中国正在研究开发的磁悬浮列车,最高速度2倍于此!


若能把磁悬浮列车置于真空管中,其时速更有望达到3000千米以上——不过, 首先得想办法让乘客不被加速和减速过程中的加速度伤害才行。




发射航天器


美国航空航天局(NASA)多年来一直在研究用磁悬浮运输技术发射低轨飞船的能力。科学家表示,该技术的性能非常不错,只是太贵。

科研团队已经提出了2代磁悬浮飞船发射技术。将磁悬浮导轨铺设在6100米高的山的山坡上,导轨上的飞船被加速到每秒7.9千米的第一宇宙速度。当然,这个导轨的造价高达200亿美元,不过研究人员认为从长远上看,该导轨是能节省成本的。目前发射地球低轨道卫星的成本是每千克1万美元,而如果利用该导轨做同样的工作,发射成本仅为不到50美元。不过,第1代技术只能发射货船。

第2代磁悬浮发射技术可以发射载人飞船,但造价飙升到600亿美元。第2代技术需要1600千米长的发射导轨,导轨的起始端和末端的高度差达到20千米。地球上找不到这么高的山来放置导轨,因此不仅飞船需要磁悬浮,连导轨本身也要靠磁悬浮稳定在空中。飞船可达到的速度为9千米每秒。维珍银河公司靠传统火箭开出的载人飞行价格是20万美元1人,而第2代导轨可以把价格降低到5万美元1人。




飞车


电影中的飞车并非是无根据的妄想。研究人员提出了一种城市磁悬浮交通的方案,能容纳3人的私家磁悬浮舱被挂在高架导轨上,时速达240千米。


此外,磁悬浮舱还有避免拥堵的好处。 该系统使用的技术目前已经成熟,支持者将其视为解决城市拥堵和碳排放问题的有力武器。

NASA对磁悬浮舱方案表示了兴趣,并在2009年和Unimodal公司签订合同,对磁悬浮舱方案进行更细致的工程研究。


53D培养皿


细胞在培养皿中只能形成平铺的二维结构,但是在人体中,细胞构成的是三维结构。 德州大学和莱斯大学的医学科研人员使用磁悬浮技术,将培养皿中的细胞托起,使其形成3维结构。

细胞磁悬浮培养的技术非常简单:科学家向肿瘤细胞中注入纳米金颗粒和磁性的二氧化铁颗粒,然后将一个磁铁放在培养皿的上方。这样,细胞脱离了培养皿的底部,开始形成和人体中类似的三维结构,而不是传统培养皿中的二维结构。


更可喜的是,细胞三维组织产生的蛋白质也和生物体中的细胞产生的蛋白质类似。这种肿瘤细胞的培养方法,可以帮助科学家更好地治疗癌症。此外,磁悬浮技术也可以用来在实验室中培养人体器官。



高效风力发电


传统风力发电机只能把1%的风能转化为电能,其中风车部件的摩擦生热消耗了大量的能量。中国广州能源研究所的科学家估计,磁悬浮技术通过避免摩擦,可以把风电转换效率提高20%。

研究人员提出了一种全新的磁悬浮风车设计方案。该方案使得风车的运动部分彼此没有接触,因此可以避免摩擦生热,风速仅1.5米每秒的微风就足以驱动该风车进行发电。 磁悬浮风车可以将风力发电的成本降低至每千瓦时5美分,该价格与煤火发电的成本相当,仅仅是传统风能的一半。

科学家称,1G瓦特的磁悬浮风力发电机,仅需要40公顷土地和5300万美元成本,即可为7万5千户家庭提供电力。相比之下,发电功率相同的传统风能电站需要上亿美元和26000千公顷土地来放置1000台风力发电机。




产生微重力环境


长期居于失重环境中,会严重影响航天员的身体健康。同正常人相比,航天员每个月会损失2%的骨密度,此外,还有肌肉萎缩、体液重分布和免疫功能低下的问题。使用磁悬浮技术可以在地面模拟微重力环境,让科学家更好地研究失重环境对人体健康的影响。

多年来,NASA科学家用磁悬浮为昆虫、蛙类和老鼠制造零重力。细胞的主要组分是水。水具有微弱的反磁性,因此,在强磁场中,水分子中的电子会重排列以对抗外界磁场。 科学家把生物组织放在超导磁体附近时,这种反磁性会使得生物组织进入失重状态。

几个月前,果蝇磁悬浮实验使得科学家发现,失重可以影响超过200个果蝇的基因。这些基因和新陈代谢、免疫活动和细胞信号有关。人类也很可能会受到类似的影响。通过对失重生物体的研究, 科学家能为人类前往火星的漫漫征途提供更好的健康保护。




磁悬浮轴承


最后,介绍一个接地气的磁悬浮应用——磁悬浮轴承。工业用的泵、发电机、电动机和压缩机都需要磁悬浮技术来确保运动部件之间不发生接触——磁悬浮列车所用的技术也可以使用在发电、采油、精密加工和天然气管道中。

磁悬浮轴承无需润滑,因此不会被润滑剂污染。更重要的是,真空环境中,润滑剂可能会失效,这个时候磁悬浮轴承尤其重要。磁悬浮轴承不算便宜——约4.5万美元1个。 不过,随着其用途的增加,产量的提高,价格应该会随之下降。


编译:离子心

参考:

http://www.popularmechanics.com/technology/infrastructure/g89/8-ways-magnetic-levitation-could-shape-the-future/?slide=8





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