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人類在享受汽車帶來的便利的同時,也不得不忍受汽車尾氣造成的空氣污染,而全球變暖和油價高起更讓尋找替代能源成了迫切的要求。太陽能汽車、氫燃料電池汽車、油電混合動力汽車應(yīng)運(yùn)而生。盡管它們正在獲得越來越多的認(rèn)可,卻依然不盡如人意。比如售價不低或使用成本過高,再比如性能上仍無法和汽油或柴油動力車媲美。有沒有其他解決方案呢?
美國田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家也在研究這個課題,他們想到一種非常新奇的解決方法:以金屬作為發(fā)動機(jī)的燃料。實(shí)驗(yàn)室的戴夫·比奇博士認(rèn)為,鐵、鋁、硼都可以用作新的替代能源。
根據(jù)比奇的計算,使用特制的發(fā)動機(jī)和同等體積的金屬燃料,一輛轎車的行駛距離是普通汽油動力汽車的3倍。而且由于燃燒的是金屬燃料,它幾乎沒有污染,也就是說沒有二氧化碳、氮氧化物,也沒有灰塵和煤煙。這種金屬燃料甚至還可以被循環(huán)使用。只要將用過的納米顆粒放到氫氣環(huán)境下進(jìn)行加熱,它們就會再次成為可用的燃料。
沉甸甸、冷冰冰的鐵塊中居然蘊(yùn)藏著能量,而且還能被點(diǎn)燃?這簡直不可思議,這樣一來發(fā)動機(jī)的外殼要用什么物質(zhì)來制造呢?不過,既然汽車可以用各種各樣的燃料比如甲烷、煤粉以及火藥作為動力來源,那么它為何就不能以金屬作為燃料呢。事實(shí)上,正常狀態(tài)下的鐵是不能被用做燃料的,但是當(dāng)鐵塊被加工成納米級的微粒時,它就具有了很高的反應(yīng)活性,將其點(diǎn)燃會釋放出大量能量。
神奇的納米材料
其實(shí)在燃料中使用金屬并不是異想天開。由于納米粉末具有極強(qiáng)的儲能特性,將其作為添加劑加入到燃料中可大大提高燃燒效率。火箭已經(jīng)在使用金屬粉末作為燃料添加劑了,將一些納米粉末添加到火箭的固體燃料推進(jìn)劑中,可大幅度提高燃料的燃燒熱和燃燒效率,以及改善燃燒穩(wěn)定性。研究表明,向火箭固體燃料中加入0.5%納米鋁粉或鎳粉,可使燃燒效率提高10%—25%,燃燒速度加快數(shù)十倍。此外,火箭動力的魚雷也使用了金屬粉末。
當(dāng)然,火箭發(fā)動機(jī)使用金屬的方法與這里討論的汽車發(fā)動機(jī)有很大差異。當(dāng)金屬顆粒比如鐵和鋁與空氣接觸時,它的表面會生成一層氧化物,只有將其除去才可能點(diǎn)燃金屬。這一般需要一個溫度高于2000度的熱源,氧化層將在這個溫度下被汽化從而暴露出金屬原子。這個要求對于火箭而言雖然容易,但對汽車發(fā)動機(jī)而言就成了一個難題。而對于內(nèi)燃機(jī)來說,另一個難題則是一旦汽化的金屬氧化物冷卻就會凝固成為灰燼。
橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的另一個科學(xué)家所羅門·拉比諾夫?qū)@兩個問題非常熟悉。早在20世紀(jì)80年代,當(dāng)他還在烏克蘭基輔的一個工學(xué)院做助教時,拉比諾夫的研究小組就嘗試在內(nèi)燃機(jī)中燃燒微米級的鐵顆粒。他們對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)使它能夠耐受高溫,然而氧化物灰燼會堆積在活塞、汽缸壁和閥門上從而堵塞發(fā)動機(jī)。他們當(dāng)時因沒能找到解決方法只好放棄。
后來拉比諾夫去了美國,開始在橡樹嶺工作。2003年,他建議比奇和理論學(xué)家博比·桑普特重新開始研究這個問題,這次他們使用的是納米級的顆粒,比單個原子大不了多少。
納米材料包含了若干個原子、分子,使得人們可以在原子層面上進(jìn)行材料和器件的設(shè)計和制備。幾十個原子、分子或成千個原子、分子“組合”在一起時,表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子的性質(zhì),也不同于大塊物體的性質(zhì),這種“組合”被稱為“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性質(zhì),如它的熔點(diǎn)、磁性、電容性、導(dǎo)電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化。當(dāng)“超分子”繼續(xù)長大或以通常的方式聚集成大塊材料時,奇特的性質(zhì)又會失去。通俗來說,納米材料一方面可以被當(dāng)作一種“超分子”,充分地展現(xiàn)出量子效應(yīng);而另一方面它也可以被當(dāng)作一種非常小的“宏觀物質(zhì)”,以至于表現(xiàn)出前所未有的特性。
在試驗(yàn)中,研究人員發(fā)現(xiàn)直徑50納米的鐵顆粒比拉比諾夫原來研究的微米級鐵顆粒更容易燃燒:加熱到250度,或者僅僅是一個火花就可以點(diǎn)燃。隨著研究的深入,他們發(fā)現(xiàn)納米金屬顆粒有越來越多的神奇特性。
納米顆粒的單位體積表面積(比表面積)很大,因而容易燃燒。鐵非常容易與氧氣反應(yīng),所以如果許多鐵原子同時暴露在空氣中,氧化過程將產(chǎn)生大量熱量從而點(diǎn)燃金屬。為了避免這種反應(yīng),在制造納米顆粒時一般要給它包覆一層氧化層。但即使有氧化層,極大的比表面積也使金屬納米顆粒只要少量熱量就能在氧氣分子中點(diǎn)燃。
一旦點(diǎn)燃,納米顆粒會很快燃燒,最高溫度可以達(dá)到800度,在不會熔化合金發(fā)動機(jī)的同時也能有足夠的能量供使用。更為重要的是,納米顆粒與微米級顆粒不同,它燃燒的溫度不會高到使自己汽化或熔化,只會產(chǎn)生氧化物顆粒,所以不會粘在汽缸壁上以至堵塞發(fā)動機(jī)。
燃燒留下的氧化鐵粉末使比奇想到了金屬燃料的另一個優(yōu)勢:氧化鐵很容易再轉(zhuǎn)換成燃料。他在氫氣流中將氧化鐵加熱到425度,氧化鐵又變回了鐵原子,氫則和氧結(jié)合生成了水。
新燃料和新發(fā)動機(jī)
接下來的問題就是如何才能把金屬當(dāng)作燃料使用。
納米顆粒燃燒很快,在大概1毫秒中就釋放了全部熱量。但要用作發(fā)動機(jī)的燃料,這么快的發(fā)熱速度使熱量無法被高效利用。在常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)中,每個燃燒的爆發(fā)時間能夠持續(xù)5—20毫秒。
為了限制燃燒速度,研究小組把納米顆粒壓縮成更大的簇,在減緩納米顆粒與氧氣反應(yīng)的同時減緩了散熱的速度。研究人員通過控制簇的大小、形狀和密度制造出了重1—200毫克的納米顆粒簇。雖然單個顆粒的燃燒時間只有1毫秒,最大的簇卻能燃燒0.5—2秒。
接下來,他們開始研制可以使用金屬燃料的發(fā)動機(jī)。比奇認(rèn)為將噴氣飛機(jī)、車輛甚至發(fā)電站的燃?xì)廨啓C(jī)改裝成以金屬為燃料并不困難,關(guān)鍵工作在于尋找收集燃燒廢物的方法。
另一種方案是采用斯特靈發(fā)動機(jī),這種外燃機(jī)通過將汽缸中的氣體和液體交替加熱冷卻來推動活塞。不過目前汽車使用的都是內(nèi)燃機(jī),斯特靈發(fā)動機(jī)只是一種可能的方案。美國航空航天局和包括福特在內(nèi)的汽車廠商都嘗試過用斯特靈發(fā)動機(jī)作為汽車動力。
比奇更希望設(shè)計出使用金屬燃料的內(nèi)燃機(jī)。他認(rèn)為,也許柴油機(jī)經(jīng)過改造就能滿足要求,因?yàn)槌Ｒ?guī)的柴油發(fā)動機(jī)工作中要用到柴油薄霧。比奇設(shè)想將空氣注射到金屬粉末中,用火花塞將其點(diǎn)燃,而源源不斷的氣體可以將燃燒的灰燼帶離汽缸。燃燒物可以用過濾器進(jìn)行收集,并且由于氧化鐵具有磁性,也可以用電磁鐵進(jìn)行收集。裝滿了金屬灰燼的燃料罐可以被卸下交給金屬加油站,由專門的公司負(fù)責(zé)將其轉(zhuǎn)換回燃料以備再次使用。
金屬燃料優(yōu)點(diǎn)多多
雖然這樣設(shè)計出的發(fā)動機(jī)與常規(guī)汽車發(fā)動機(jī)很像,但它不會產(chǎn)生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。這些復(fù)合物通常在高溫燃燒中產(chǎn)生,而比奇等人通過控制簇的大小,已經(jīng)可以將金屬的燃燒溫度降到525度。他們接下來的工作是尋找燃燒的速度、溫度和效率三者間的平衡。
盡管相對于氫燃料而言,金屬是一種緊湊的燃料,但它卻有一個明顯的缺點(diǎn)——重量。一個行駛距離等效于50升油箱的鐵燃料箱重約100公斤,比普通油箱重兩倍多。并且由于金屬燃料燃燒后廢物不會被排放到空氣中,在整個行駛過程中車重都不會減輕,這也增加了運(yùn)輸?shù)某杀尽?
不過金屬燃料的優(yōu)勢還是很明顯的。除了環(huán)保外,金屬燃料還具有攜帶方便、儲存安全、體積小的優(yōu)點(diǎn)。
在減輕重量方面,也有可提升的空間。如果使用鋁納米顆粒來替代鐵的話,同樣重量的燃料可以得到4倍的能量,如果使用硼的話,可以得到6倍的能量。雖然這兩種材料都比鐵貴——鋁的價格是鐵的15倍,但從另一個角度來考慮,由于金屬燃料不會被消耗,可以循環(huán)使用的,真正的使用成本在于將金屬氧化物還原為燃料的過程,而這一過程中各種金屬燃料的轉(zhuǎn)化成本差異不大,所以金屬燃料本身的價格并不會影響使用成本。
面對這么多的優(yōu)點(diǎn),我們有什么理由不用金屬燃料呢?隨著研究的深入,一旦技術(shù)成熟,金屬燃料的應(yīng)用將不僅局限于汽車領(lǐng)域,各種發(fā)動機(jī)都可以改造成以金屬作為燃料,那時,我們將迎來一個新的鐵器時代。
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