二氧化碳充當航空燃料，美軍石油資源的替代者

二氧化碳竟然也能作爲航空燃料 好傢伙 真不會將引擎搞熄火嗎 今日 美國防部正式與Air Company公司簽署了一份價值6500萬美元的合同 由該公司研發將二氧化碳通過化學工程轉變爲合成航空燃料的技術 那麼這種技術真的能實現嗎 美軍爲何要研發此類技術呢 接下來我們一起來看一下 其實呢 早在2021年10月份就曾有人透露過此類消息 美空軍作戰能源辦公室在當月23號向外宣佈 在今年8月份的一項實驗中 一直和其合作的泰晤公司可以利用二氧化碳製造出可行的噴射燃料 被稱爲電子噴射 美空軍認爲 該公司目前的工藝也涉及可再生能源 有着高度可部署性和可擴展性 使作戰人員能夠從世界任何地方獲得合成燃料的潛力 當時美空軍負責作戰能源的副助理部長曾說道 我們的後勤供應鏈是敵人首先襲擊的目標之一 隨着同級對手構成的威脅越來越大 我們如何減少燃料和後勤需求 將是避免風險和贏得戰爭的關鍵 其實 有關泰歐公司碳轉化背後的基礎學科是基於20世紀20年代德國科學家弗蘭斯費舍爾和漢斯特羅普時 所發明的費舍爾特羅普時合成方法 從內之後呢 這個方法一直在被改進 至今仍在使用 包括爲美軍生產燃料 根據美空軍的說法 費舍爾特羅普時合成燃料被批准爲特定飛機的添加燃料 目前認證的最高混合比是ft合成燃料和石油燃料的50比50混合 此外呢 美空軍還指出 大多數合成燃料是由一氧化碳和氫氣混合而成的合成氣 期間通過燃燒生物物質 煤或者是天然氣來生產 這意味着仍需要化石燃料 而泰歐公司的碳轉化技術消除了對化石燃料的需求 能夠通過回收空氣的co2來製造合成氣 期間呢 只需使用水和可再生能源作爲輸入來轉化二氧化碳 從成本的角度來看 這種潛在的簡單碳中性合成燃料製造過程的好處是巨大的 大家要知道 在2022財年的預算申請中 美空軍有着近110億美元的各種燃料費用 這其中包含了航空燃油以及地面車輛的汽油和柴油 如果碳轉化技術能將每年的20億加侖航空燃油只需每加侖的成本削減5美分 就能節省超過1億美元 不僅如此 由於此前美軍還需將燃料運送給需要的部隊 除了將燃料運送到前沿部署部隊的成本外 在戰時這樣做還有着極大的風險 畢竟在阿富汗戰爭最激烈的時候 敵軍對於運輸燃油車隊的襲擊 直接佔到傷亡人數的30%以上 爲了解決此類問題 美空軍表示 特務公司碳轉化過程的相關基礎設施不僅能大規模生產合成燃料 而且有可能開發出一種易於部署的系統 能夠極大的降低美軍向部隊運送燃料的需要 以此降低物流鏈的成本 提高後勤部隊的戰場生存能力 未來 如果特務公司的碳轉化技術能和美空軍所預計的那樣 那麼就有可能會改變戰場的遊戲規則 重要的是 最大幅度的減少二氧化碳的排放量 當然 這項技術呢 也不是沒有缺陷的 首先最大的缺陷就是燃料生產過程所需的水源 首先呢 因爲碳轉化技術水是不可或缺的 對此特務提出了從空氣中提取水的設想 能將消除單獨供水的需求 而且該技術還能作爲在偏遠和嚴峻環境中 包括在作戰行動中爲美軍士兵提供飲用水 不過呢 在空氣含水量有限的環境中 這可能是一個困難的辦法 另外呢 不僅是將二氧化碳作爲航空燃料 美國還在研究將氨氣作爲航空燃料 就在2022年8月3號 根據美國媒體的報道 美國航空航天局支持的一項爲期五年的項目中 佛羅里達大學將分析測試 並確定氨氣作爲飛機噴氣發動機可持續動力的一種選擇 此項目將由NASA大學領導計劃資助 目的是爲了加速航空可持續性發展 那麼氨是否有作爲一種能源的潛質呢 答案是肯定的 首先 氨的燃燒產物非常綠色 我們從氧化反應公式看 在適當的反應條件下 氨氣燃燒的產物可以僅有氮氣與水 基本與氫氣同等清潔 差不多具備作爲綠色能源服務碳中和的潛力 此外呢 氨作爲燃料的性能也極爲不錯 同等的單位質量下 氨的能量密度雖然稍遜於氫 但其單位體積的能量密度卻達到了3.5千馬時每升 比之液氫的2.4千馬時每升提高了近50% 優勢極爲明顯 再加上氨燃料的芯煙值較高 抗爆性能也較好 能夠有效的提升發動機的壓縮比 以此提高輸出功率 使得發動機的熱效率提高50%以上 是普通燃油發動機的兩倍 還有就是合成氨最大的優點呢 便是它要遠比氫更容易儲存 常溫下零下33度或者常溫下9個大氣壓便可以使其液化 而且對於儲存容器的要求也不高 同時 氨作爲現今世界製備規模最大的化合物之一 目前的儲運技術已經非常成熟了 鐵路 管道 船舶 公路都可以 並不需要各國在大規模興建基礎設施 以上呢 就是氨被當作儲氫關鍵技術的核心原因 總的來說呢 相較於氫大規模的應用氨 至少在儲運環節並沒有太多麻煩 另外 氨的生產呢 可以只依賴水 空氣以及電力 也就意味着在理論上存在和氫氣同樣清潔的製備方式 基本上可以實現無碳排放的氯氨 而理想中最爲簡單的一種氯氨生產模式 就是將合成氨工廠 制氨站和可再生能源電廠結合 通過風光或者其他形式的氯電電解水制氫 再利用這一過程生產出來的氯氫進一步和空氣中的氮氣結合 從而使用氯電生產氨氣 這樣以來呢 就可以實現全流程的無排放氨生產 而氨在航空領域的應用 最有名的就是美國在上世紀60年代製造的x15實驗機 與其他x系列實驗機一樣 x15首先是掛在一架b52機以下 被帶到空中 然後火箭發動機開始工作 而它的火箭發動機所使用的燃料就是氨氣 在1967年10月時 美軍威廉J納特少校駕駛的x15a2一度達到了6.72馬赫的超高速 創造了載人飛機史上最快的速度記錄 由於氨氣超高的單位內能量密度 未來甚至能大肆用用於高速導彈和洲際彈道導彈領域 那麼美軍爲何注重對於燃料的開發呢 在二戰結束之後啊 隨着各國不斷提升軍隊機械化程度 軍隊的耗油量幾乎是以15到20年的間隔翻倍增長 根據此前的美國國防部所公佈的數據 在2005財年時 美國陸海空三軍一天的原油消耗量就達到了36萬桶 就算是沒有大規模軍事行動 在2015財年內 陸海空三軍也消耗了1.33億桶原油 到了現今 這個數據只會更高 目前 美國陸海空三軍的油料供應都是由國防部下屬的國防能源支持中心 也就是DESC負責統一發放和管理 而DESC公佈的數據顯示 美軍的油量消耗中 消耗佔比最高的是柴油和航空燃油 而在航空燃油中 JP五型和JP八型燃油是消耗大頭 他們主要是供給美海軍艦載機和美空軍使用的 此前呢 當美軍想要介入敏感地區的局勢時 美海軍總是各個軍事行動的急先鋒 成爲美軍意志和力量的直接體現 但是呢 高效的軍事威脅帶來的是極高的使用成本 在美海軍還未將常規航母退役時 單艘航母每小時就要消耗約200桶原油 比如參加了海灣戰爭的獨立號航母 僅僅14天就消耗了約200萬加侖的各種油料 雖然現今美海軍已經退役了所有的常規動力航母 但是核動力航母所搭載的艦載機成爲了耗油大戶 和美空軍不同啊 由於艦載機起飛距離太短 就算是有着彈射器的幫助 但在實際起飛時 艦載機仍需要開啓加力燃燒室 以增強飛機推力 這也導致燃油利用效率一直不高 另外呢 由於美航母大多不會單艦行動 經常是以航母戰鬥群的方式共同展開軍事行動 按照美國海軍的規定 一個航母戰鬥群最低也有着七艘艦艇 而根據美海軍的作戰條例 爲了保證正常作戰 航母戰鬥群在戰時條件下幾乎每四天就要進行一次油料補充 大家可以想象一下油料消耗有多大 至於陸軍方面 該軍種的油料消耗大頭是m1a2主戰坦克和各種戰鬥輔助車輛 其中m1a2自然不用說 由於它的燃氣輪機動力強勁 在戰時情況下 每小時耗油量達到4加輪 每前進152公里就需要進行一次加油 在海灣戰爭和伊拉克戰爭期間 美國陸軍裝甲部隊曾多次因爲m1a1耗油量太快 不得不延緩推進速度 而此外呢 保持戰場存在也是導致美國陸軍耗油量大的重要原因 由於美國陸軍需要駕駛各種防地雷反伏擊車 在戰區保持戰場存在 特別是在戰爭剛剛結束的時候 最典型的就是在2004年 雖然美軍在伊拉克的戰事已經結束 但是爲了保持戰場存在 美陸軍及其盟友每天停軍的耗油量仍然高達400萬加輪 與前兩者相比呢 美空軍的耗油量也不小 前幾年 隨着美空軍出臺了能源地平線計劃 開始規劃未來能源建設問題 導致其如此急迫的原因非常簡單 那就是美空軍是三大軍種中最大的能源用戶 其中航空燃油佔總消耗的84% 每年高達20億加輪 每年的平均作戰成本超過80億美元 2022年更是達到了110億美元 當時美空軍預期的目標是到2015年降低10%的航空燃油消耗量 並且規劃了到2040年 燃油消耗與節約計劃 其中呢 c17和f35這樣的新型飛機要比c141和f16這樣的老式飛機 燃油效率提高50%到125% 爲此呢 近幾年 美空軍的戰術訓練作戰程序以及作戰目標都有着獨特的需求 要求各個作戰環節使用不同的措施提高能源效率 例如節約成本 增加作戰訓練和提升平臺性能 期間涉及了以下三個任務領域 其空中機動兵力 也就是提高大部分機動平臺的燃油效率 例如減阻和推進效率技術 能夠降低5%到15%的燃油消耗 因此可以增加飛機的航程和掛載能力 進而降低完成飛行架次和空中加油支援的需求 進一步降低作戰成本 舉個例子 此前美空軍最大的運輸機c五銀河 它的極限起飛重量能夠達到381噸 但其中的193噸的重量是c五飛行所需要的航空燃油 超過了最大起飛重量的50% 因此 c5m升級項目提升了該機22%的發動機推力 提高了它的升限 便於c5m在更省油的高度飛行 航程也增加了27% 提升了近20%的有效載荷 使其能在不進行空中加油或者降落加油的情況下 從美國西海岸飛到馬納斯空軍基地 其二戰術空軍 簡單來說呢 就是使用新型空戰武器 例如戰術情報偵察監視飛機 進行減阻和推進系統改造 遠程打擊行動中加油機和戰機採用合理的飛行編隊 增加分佈式模擬訓練比重 以此彌補預算削減造成的訓練時間不足 不僅能實現節能目標 還能保證作戰能力的提升 其三特種作戰部隊 也是通過減阻和發動機升級獲益 比如升級c130共行天線和發動機 提高運輸器的航程和有效載荷 進而減少執行任務的飛機總數 除了上述之外呢 美空軍戰機的耗油大頭還有超音速飛機 以f15戰機爲例 飛行期間是否開啓加力燃燒室 兩者耗油量相差高達20倍左右 在開啓加力燃燒室之後 f15的耗油量將達到1.44萬加侖每小時 與這相比 f22和f35的耗油量更加嚴重 那麼未來美軍能否擺脫對石油的依賴呢 目前 美國陸海空三軍的耗油量一直都處於很高的水平 導致其加大了對石油資源的依賴 對此 海陸空三軍都在節約石油消耗方面提出了自己的解決辦法 首先 美國海軍內部有人認爲 能夠通過降低軍艦性能 比如軍艦的極限航速 並使用太陽能等清潔能源 爲軍艦上的部分設備進行功能 但這樣做呢 勢必會影響軍艦的綜合戰力 因此該計劃並未實施 而美空軍和美陸軍所提出的方案基本相同 也就是使用生物燃料等替代能源 逐步取代現在正在使用的液體燃油 期間呢 美空軍曾經成功的讓f15使用了混合燃油飛行 而生物化學燃料從現今的技術角度方面來說 確實已經不存在太大障礙了 基本能夠和普通航空燃油產生一樣的燃燒效率 只是此類燃料最大的問題是在於價格 雖然理論上生物化學燃料能夠使用地溝油 廢氣脈杆來製作 但想要實現大規模批量生產 就需要消耗大量的玉米 大豆等糧食 這就導致國際糧價的上漲 進而推動生物燃料價格的上升 因此生物燃料等替代能源還達不到完全取代石油的程度 因此對於美軍來說 未來很長一段時間裏 美軍的戰鬥力還是和石油資源的供給成正相關的 總結來說 未來美軍能否擺脫對石油的依賴 可能就取決於將二氧化碳轉化爲航空燃油的發展 一旦該技術能夠大規模應用在戰機上 必定能在一定程度上改變戰場的遊戲規則 好了 今天的視頻到這裏就結束了 如果視頻中有出錯的地方 歡迎各位在評論區內指正 喜歡的朋友請點贊關注 之後大兵會爲大家帶來更多更精彩的視頻 我們下期再見