專業 物理

天空將要不同了

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撰文者:Fred Schlachter (譯者:林中一 教授)
發文日期:2017-09-19
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  • 我正在前往參加一個電池研討會的途中,但卻陷在大塞車的車陣裡。當我滿臉沮喪的坐在車子裡時,我的心不覺晃蕩到了一個自從年少就有的夢想:飛行車!回想當1930年代開始刊出的著名漫畫《狄克・崔西》裡的夢幻裝備:手錶/無線電雙用錶,現在都已經由第一支「蘋果錶」 (Apple watch)所實現,那麼我的飛行車有啥理由不能問世呢?

    人們到目前為止已經有過不少的嘗試;一台1947年出品的Convair 118型飛行車看起來活像是把一架賽斯那公司(Cessna)小飛機黏在一台福特雙門爛斑馬小車(Ford Pinto)上面的奇怪組合。一輛能飛的汽車在目前能引起的興趣似乎不大,特別是當她還需要一條跑道來起飛。然而當我在由加州柏克萊往位於聖荷西的IBM研究中心去參加第十屆「鋰離子之後」研討會("Beyond Lithium Ion (BLI) X")的途中,那個越過I-880公路上堵塞車陣的想法,又再次喚起了我在大塞車頭頂飛過的夢想。

     
    ConvairCar_Model_118
    我的飛行車(Convair 118型飛行車)何時會來? (照片來源: Wikimedia commons​​​​​​​)

    當我終於到達研討會會場之後,我發現現場氣氛要比近年來更為樂觀,這是因為近來的電池發展使得生產更高能量儲存密度、更便宜、更安全的電池成為可能,而且指出電池將具有更多新的應用。一種新的鋰/硫電池化學作用特別引起了我的興趣,然而我的心卻不斷的飛回到那個讓我屁股發麻的大塞車和從頭上飛越過去的遐思冥想。

    對於大部分的我們而言,坐直昇機是件不太切實際的交通方式,因為真是太貴啦,而且又很吵。飛行車感覺有點白日夢的味道,但是垂直起降飛機(vertical-take-off-and-landing (VTOL)) 卻可能是可行的選擇。一架垂直起降飛機能夠在一個小型的當地「垂降場」(vertiport)方便起降。電動飛機如果使用的電池是由綠色電網充電,則可以排除二氧化碳排放。當然,如何抵達/離開垂降場,那會是另外一個問題。

    那家革命性的「優步」公司(Uber)宣稱,他們有個解決方案。他們提案一種「呼之即來」的電動垂直起降空中計程車,並且計畫最早會在2020年「上空」。雖然有些關鍵性的零件要不是還沒做出來、不然就還在開發初期,但是優步公司很樂觀。

    有否適用的電池是關鍵之一。在目前,要能夠力去驅動這種飛機、又要能快速充電的電池還不存在。對於垂直起降空中計程車這級別的要求,目前的電池「比能」(specific energy,就是單位電池質量產生的能量)太低、充電太慢、循環週期太短、而且太貴。一家德國的「粒粒安」公司(Lilium)與還有一些其他公司都在對一架電動垂直起降示範機下功夫,但是要能達到通過檢定以及進入生產,還有一大段路要走。

    需要克服的阻礙還很多:必須要訓練飛行員,而且即使沒有飛行員,政府核准的自主飛行控制軟體最終將成為必要;搭配起降/充電/飛航管制的基礎建設必須完整建構;飛行器內的電池安全必須完整規範(有些手機因為有電池起火的危險而被商業飛行所禁止);還有就是明確的商業模式必須要建立。要想說服乘客登上一架裝配有巨大電池的飛機也可能是個問題。噪音問題在市區的垂降場很可能會遇到反對。最後,所需成本可能高達同溫層的高度。

    電池能量儲存密度太低以致重量大增的確是個問題;不過,電動馬達的效率遠高於內燃機或噴射引擎,也安靜得多。這些好處在現今這一代的電動車使用上看來效果不錯。

    美國太空總署(NASA)正在開發電動飛機。工程師們指出,電動馬達的尺寸比噴射引擎要小而且輕,這使得電動馬達可以整合在機身的骨架裡面而不必外掛在機翼之下。這個結果會反映在推進器-機身的整合與操作效能的改善。但不幸的是,現存的電池還無法儲存足夠能量使得一架電動飛機能夠飛行一個實用的距離。NASA正在發展的X-57原型機在一組特殊設計的機翼上配備了14具電動馬達驅動的螺旋槳。

    一架電池動力的垂直起降飛機標誌出21世紀的產品設計師要面臨的一些挑戰。更佳的情況是,要讓更多這種產品上市,能量儲存的成本需要變得更便宜。擴展風能和太陽能的使用是很重要的,這些能源會在雲霧蔽天或沒有風吹的情形之下變得不太有用。

    風能與太陽能的儲存不一定需要用到電池,這是因為可攜帶性並非必須。能量能夠以熱能、動能、位能的形式儲存。對於公用事業規模的能量儲存最重要的標準是長壽、便宜、長期可靠度、可擴展性。先進的電池可能很有用但不永遠是公用事業規模能量儲存最佳的選擇。

    第十屆「鋰離子之後」研討會裡的樂觀氣氛很大程度是來自最近的兩個發展。

    (1) 全固態電池。就是用固態物質取代傳統電池用的液態可燃性有機電解液,這會減低或排除電池起火的危險。做為固態替代材料,陶瓷與玻璃是競爭者,然而這兩種材料仍需要開發更多。

    (2) 用鋰做為陽極與主要用硫製作陰極的電池可能是可行的。一個鋰/硫電池可能的能量密度是現今鋰離子電池的兩倍,而且當使用固態電解質後具備增進安全性的潛力,也能降低材料成本。鋰金屬和水的反應劇烈,但只應該在電池發生實質損壞時出現;或當樹狀結晶增長所造成的電池短路才可能會造成電池起火。

    鋰/硫電池仍在其循環週期與高速製造上面臨一些挑戰,但看來十分有希望。如果這些挑戰能被克服,鋰/硫電池將會是自大約三十年前鋰離子電池被發明後的第一個重大的新電池化學作用。

    有一個在航空使用鋰/硫電池的例子:美國「錫安」電源公司(Sion Power)就有為無人機(Unmanned Aerial Vehicles (UAV))製作鋰/硫電池。但是要用無人機來載送人員則還是件遙遠的事。

    上面提到的兩個進展能夠顯著提升電動車的行動距離同時降低成本、使得電池更安全、也許甚至可以讓垂直起降飛機成為事實,只是這些可能沒那麼快會發生。比起以往,我們電池的未來看來可真是情勢一片大好。

    我仍然在夢想著能夠在那些可怕的公路大塞車的頭頂飛過。

     

    本文作者是一位自羅倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)退休的物理學家、美國物理學會會士、以及美國物理學會不定期政策分析分析員與顧問。他特別對再生能量儲存的未來與電力在運輸的應用有興趣。他也是美國加州柏克萊市能量委員會委員:他目前探討的問題之一就是在住宅區用水加熱以電力取代天然氣。福瑞德在空閒時繼續學習泰國語。

    本文感謝APS NEWS(美國物理學會)同意以中文形式翻譯轉載,原文刊登於APS NEWS網站:http://www.aps.org/publications/apsnews/201708/change.cfm
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