为了缓和能源紧张,以及大气污染,太阳能汽车、氢燃料电池汽车、油电混合动力汽车应运而生。尽管它们正在获得越来越多的认可,却依然不尽如人意。比如售价不低或使用成本过高,再比如性能上仍无法和汽油或柴油动力车媲美。有没有其他解决方案呢?
美国田纳西州橡树岭国家实验室的科学家也在研究这个课题,他们想到一种非常新奇的解决方法:以金属作为发动机的燃料。实验室的Dave Beech博士认为铁、铝、硼都可以用作新的替代能源。
根据Dave Beech的计算,使用特制的发动机和同等体积的金属燃料,一辆轿车的行驶距离是普通汽油动力汽车的3倍。而且由于燃烧的是金属燃料,它几乎没有污染,也就是说没有二氧化碳、氮氧化物,也没有灰尘和煤烟。这种金属燃料甚至还可以被循环使用,只要将用过的纳米颗粒放到氢气环境下进行加热,它们就会再次成为可用的燃料。
纳米颗粒燃烧很快,在大概1ms中就释放了全部热量。但要用作发动机的燃料,这么快的发热速度使热量无法被高效利用。在常规的内燃机中,每个燃烧的爆发时间能够持续5-20ms。为了限制燃烧速度,研究小组把纳米颗粒压缩成更大的簇,在减缓纳米颗粒与氧气反应的同时减缓了散热的速度。研究人员通过控制簇的大小、形状和密度制造出了重1-200mg的纳米颗粒簇。虽然单个颗粒的燃烧时间只有1ms,最大的簇却能燃烧0.5-2s。
此后,小组研制可以使用金属燃料的发动机。汽车的发动机改装成以金属为燃料并不困难,关键工作在于寻找收集燃烧废物的方法。另一种方案是采用斯特灵发动机,这种外燃机通过将汽缸中的气体和液体交替加热冷却来推动活塞。不过目前汽车使用的都是内燃机,斯特灵发动机只是一种可能的方案。据介绍,美国航空航天局和包括福特在内的汽车厂商都尝试过用斯特灵发动机作为汽车动力。
Dave Beech认为,将柴油机改造是最好的方法,因为常规的柴油发动机工作中要用到柴油薄雾。他设想将空气注射到金属粉末中,用火花塞将其点燃,而源源不断的气体可以将燃烧的灰烬带离汽缸。燃烧物可以用过滤器进行收集,并且由于氧化铁具有磁性,也可以用电磁铁进行收集。装满了金属灰烬的燃料罐可以被卸下交给金属加油站,由专门的公司负责将其转换回燃料以备再次使用。
虽然这样设计出的发动机与常规汽车发动机很像,但它不会产生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。这些复合物通常在高温燃烧中产生,而研究小组通过控制簇的大小,已经可以将金属的燃烧温度降到525℃。他们接下来的工作是寻找燃烧的速度、温度和效率三者间的平衡。
尽管相对于氢燃料而言,金属是一种紧凑的燃料,但它却有一个明显的缺点——重量。一个行驶距离等效于50L油箱的铁燃料箱重约100kg,比普通油箱重两倍多。并且由于金属燃料燃烧后废物不会被排放到空气中,在整个行驶过程中车重都不会减轻,这也增加了运输的成本。不过金属燃料的优势还是很明显的。除了环保外,金属燃料还具有携带方便、储存安全、体积小的优点。
面对这么多的优点,我们有什么理由不用金属燃料呢?随着研究的深入,一旦技术成熟,金属燃料的应用将不仅局限于汽车领域,各种发动机都可以改造成以金属作为燃料,那时,我们将迎来一个新的铁器时代。
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