金属燃料汽车

发布时间：06年07月29日

编译徐俊培

也许有一天，汽车将依靠整箱的金属作为清洁燃料行驶在公路上......

如果说充斥着混浊汽车尾气的街道考验着我们对汽油机和柴油机的容忍度，那么燃油价格飞涨和全球气候变暖将最终结束这一局面。与其考虑工业专家许诺的燃料电池发动的电动车，倒不如让我们认识一件新事物：将来的汽车将由金属发动。

金属纳米

美国田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员D · 比奇作这样的推测，他提出了一个改变发动机燃料的计划。他认为，诸如铁、铝或硼这样的金属块均可以作为燃料。把这些金属加工成纳米大小的粉状颗粒，它们就会呈现出高度的活性，一旦点燃，会释放出大量能量。比奇估计，用改进的发动机和一箱金属，普通轿车行驶的距离可以达到以汽油为动力的汽车的3倍。

更妙的是，这种金属纳米燃料燃烧时几乎完全没有污染，既不产生二氧化碳，也不产生灰尘、油烟和氮氧化物。尤其是，这种燃料还可以全部重新利用：只要用少量的氢处理用过的纳米颗粒燃料，它就可以再度燃烧。对于汽车行业来说，这或许意味着新的铁器时代的开始。

燃料箱里装满着铁，听起来似乎有点离奇，但车辆既然可以用甲烷到煤屑或黑色火药等各种材料发动。那么为什么不可以用金属呢？毕竟，一大堆粉状的铁燃烧时所释放的能量几乎是同等体积的汽油的2倍。如果用硼代替铁，则释放出的能量为汽油的5倍。

火箭已经在使用金属粉末作为燃料添加剂了，例如，添加少许的铝可给航天飞机的固体火箭助推器增加额外的动力。

然而把金属用于火箭发动机和用于汽车发动机还是有很大的区别。当铁和铝等金属颗粒与空气接触时，就会生成一层氧化膜，必须把它除去后才能把金属点燃。大多数的金属需要至少2000℃的热源才能被引燃，这样高的温度足以使氧化膜气化，使膜下的活性金属裸露出来。这对于火箭来说很容易办到，但对于汽车发动机来说就不是那么简单了。另外一个问题是，一旦气化的金属氧化物冷却，就会凝结成粉末。在一次性的火箭燃料中，高温和粉尘都没有什么问题，但如果试图在内燃机里面燃烧金属粉末，就会弄得一团糟。

作为橡树岭的研究人员之一，S · 拉别诺夫对这个问题也很熟悉。在上世纪80年代初，当时他是乌克兰基辅一家设计研究院的主任，他和他的研究组曾试图在内燃机中燃烧微米大小的铁颗粒。他们把发动机改为在高温下工作，但发现氧化物灰烬沉积在活塞、汽缸壁和阀门上，堵塞了发动机。当时他们找不到解决这个问题的方法，只好作罢。

拉别诺夫后来移居美国，并在橡树岭国家实验室工作。2003年，他向比奇和理论工作者B · 萨姆特建议重新考虑这个问题，这次使用纳米大小的铁颗粒。

在试验中他们发现，点燃50纳米大小的铁的纳米粒子远比拉别诺夫当年试验的微米大小的粒子容易：把它们加热到250℃左右，甚至只要借助火花即可点燃。随着研究的深入，他们越来越认识到，纳米颗粒与其他较大的颗粒在性能上有着很大的不同。

纳米颗粒由于其表面积大，容易产生燃点。一旦被点燃，它们就会迅速燃烧，燃烧温度的峰值约为800℃左右，既能做有用功又不致熔化合金发动机。重要的是，跟微米大小的颗粒不同，纳米颗粒燃烧的强度还不足以使其气化或熔化。它们只是氧化，留下大量氧化物纳米颗粒。所以就不会粘在汽缸壁上，也不会堵塞发动机。

由于铁纳米在燃烧过程产生大量的氧化物，促使比奇产生了一个想法：把氧化铁再转化为可用的燃料并不是很难。他把烧过的燃料在氢气中加热至425℃，氧化铁粒子即被还原成铁，而氢则与氧结合成水。这样燃料即可重新燃烧了。

金属燃料

不过，要让这种铁颗粒真正能替代目前的传统燃料，则还需解决一个问题。由于纳米颗粒单独燃烧能在1微秒左右释放出全部的热量，但要使金属燃料能广泛应用于发动机，产生热量的速率就不能那么快，否则发动机无法有效处理所产生的热量。例如，在内燃机里面，每一次爆燃约可持续5～20毫秒。如果热量释放得快，则燃料的应用效率就低于最高效率。

因此该研究组试图把纳米颗粒压成较大的团以降低燃料燃烧的速度。他们通过限制氧扩散至纳米颗粒的速度和热量排出的速度，以降低释放热量的速率。

该计划很成功。比奇和他的同事们制成每个重约1～200毫克的纳米颗粒团，通过调节它们的大小、形状和密度，即可控制燃烧的速率。单个颗粒的燃烧仅数毫秒，而最大的纳米颗粒团燃烧约需500毫秒～2秒。

第一阶段的研究完成以后，研究组目前正计划设计能使用这种燃料的发动机。比奇认为，把喷气飞机、装甲车等车辆或用于电站发电的燃气透平等外燃机改成使用这种燃料的发动机是比较容易的。他认为，尽管他们必须得改进燃料传输系统，找出一种收集废燃料的方法，但这种发动机用金属燃料运行应该没有太大的困难。

另一种选择是，把这种燃料用于涡流发动机。涡流发动机是一种高效的外燃机，在其汽缸内，气流被交替地冷却和加热以推动活塞。如家用热电联供设备以及人造卫星的冷却等均应用涡流发动机。

涡流发动机完全有可能用于汽车，美国航空航天局(NASA)和福特公司等汽车制造商已经试验了用于驱动车辆的涡流发动机。不过，比奇希望，内燃机也有可能使用金属燃料。而改进的柴油机也可以用纳米粉末作为燃料，就像传统的柴油机使用柴油雾状物一样。

比奇提出，可以用气流把金属粉末从贮存器中喷入汽缸内，借助气流可供应燃烧所需的氧气(用火花塞引燃)，而废燃料则可由废气带出汽缸。

研究人员还必须找出一种收集废燃料的方法。一种可能是把燃料罐用活动的膜分隔成两部分，分别贮存燃料和废燃料。废燃料则可以用滤器或电磁铁(因氧化铁粉末是铁磁体)收集。当驾驶员需要加燃料时，可以把整个燃料罐卸下换一个新的，而用过的燃料可进行再处理。

这样，金属燃料汽车发动机就类似于通常的发动机，但它不排放二氧化碳或氮氧化物等有害微粒。这些有害化合物通常在高温燃烧时生成，不过，比奇已证明他能借改变燃料粉末的大小把温度降至525℃左右。可是，要找到燃烧温度、燃烧速率与发动机效率之间的平衡，还需要做大量的工作。

比奇估计，一箱33升纳米金属铁燃料行驶的距离，与50升汽油或柴油的行驶距离相同。驾驶员和环保人士将会非常愿意使用这种金属燃料的车辆。

重负

然而，金属燃料要投入实际使用还必须克服重量这一关键障碍。铁与氢比较起来，前者是一种很重的燃料，即使其含有很高的能量，但这样一箱燃料重约100公斤，是汽油重量的2倍。与传统燃料的污染副产物不同，废燃料得留在车上，因此这一重量不会随着行程而降低。

正如一些科学家认为，该技术本身是完善的，不过，即使一切做得都很完善，这种燃料的重量也难以投入实际应用。

从根本上来说，或许氢才是真正符合清洁绿色的环保要求。毕竟，它每公斤的能量超过了铁的12倍。

而比奇则不信服。他说，氢当然重要，但是谁都不想用它来填充燃料箱。“我们要说，金属燃料是比氢更为方便、安全和实用的能量载体。”与之相比，金属燃料在室温下比较稳定，因此易于贮存和运输。“我们找到的是在常压下的固体燃料。因之用货车到处搬动或长时间贮存都不成问题”。

此外，用氢作为能源的车辆还潜在一个更严重的问题，使用金属则可回避这个问题。氢燃料电池产生的水蒸汽通常只能在行驶途中排入大气中。一些气候科学家担心，无数以氢为能源的小汽车和卡车所释放出来的大量水蒸汽会加速全球变暖。

用氢来回收利用金属氧化物燃料也会产生水蒸汽，但它是在一个大的回收设备里形成的，而不是由车辆排放在路上。也就是说，水的回收利用比较简单，还可用电解的方法使其再转变成氢气。

甚至可完全省却氢气。如利用碳的螯合作用，用一氧化碳再生废金属燃料，产生二氧化碳。一氧化碳是煤气化的副产物(煤炭工业要想降低对全球变暖的份额，煤的气化可能是一门日益重要的技术)，把它直接用于再生燃料，可使煤炭获得比以前更多的有用能。

关于重量的问题，比奇已有了一些解决的办法。例如，用铝的纳米颗粒代替铁，每公斤可获得大约4倍于铁的能量；用硼代替铁，则可获得几乎6倍于铁的能量。当然，这些金属价值比铁高，所以燃料费用高。例如，铝的价格约为铁的15倍。

显然，用铁作为能源为时尚早。橡树岭的研究人员还在申请制造样机的拨款，比奇还要就他的金属燃料是否经济适用作详尽的分析。研究组还打算进行一系列的试验以确定其纳米颗粒最适当的尺寸，探查在实际的发动机中封装、喷射和收集燃料的最佳方法。即使他们的研究工作取得成功，谁会去购买首台以金属为能源汽车？在还没有出现这样的汽车的时候，又有谁来建立燃料供应站呢？

至少，燃烧金属的发动机是另一种代替燃油的方案。不管怎样，比奇的非凡想法的确令人神往。过去充满活力的巨头从煤炭、石油和天然气田赢得了大量财富。将来，他们可以从汽车的废品堆放场中淘得车辆的燃料，从而发家致富。