去年 12 月，美國空軍駕駛一架 C-17 運輸機飛越全國，部分動力來自一種新型推進劑：天然氣轉化為合成液體燃料。熱量和催化劑將甲烷轉化為合成氣（一氧化碳和氫氣），然後合成氣轉化為液態碳氫化合物（也稱為石油及其衍生物）：石油、汽油，以及航空用的煤油。
美國空軍負責設施、環境和後勤的助理部長威廉·安德森在談到這種費託合成燃料時說：“希特勒曾用它來駕駛梅塞施密特戰鬥機”，這種燃料可以用甲烷、煤、植物油，甚至木材廢料製成。“我們相信，擁有可靠的國內燃料來源使我們更容易執行任務[飛行和戰鬥]。我們飛行飛機所需的燃料來源不太可能中斷。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們今天世界的發現和想法的重要故事。
無論是超音速戰鬥機還是商用客機，航空界都已開始尋找未來燃料的征程，從石油衍生的 JP-8 和 Jet A 型號過渡到費託合成燃料或生物燃料。在安全和環境問題以及飛漲的油價（1 月 12 日，聯合航空公司每張機票的燃油附加費增加了一倍多，達到 50 美元）的推動下，航空業不斷減少燃料消耗，同時尋找更清潔、更便宜的替代品。
美國航空運輸協會 (ATA) 首席經濟學家約翰·海姆利希在華盛頓特區表示：“我們絕對有興趣擁有可供我們使用的替代能源，這既是出於經濟和環境原因，也是為了純粹的供應考慮。”該協會代表著佔美國客運和貨運航空運輸量 90% 以上的航空公司。“市面上有很多燃料；有些可能更好，有些可能更糟。我們需要找到至少和現在一樣好，甚至更好的燃料。”
岩石到液體
如今的噴氣式飛機通常燃燒煤油，這是一種能量密集的碳氫燃料，每公斤可釋放高達 48 兆焦耳（每磅 20,700 英制熱量單位）的能量，從而實現長途飛行。美國交通運輸統計局的資料顯示，美國人充分利用了這種能力：航空公司報告稱，去年 7 月運送了超過 7200 萬名乘客，創下單月曆史新高。
與此同時，面對飆升的價格，航空業的燃油效率也大大提高。（2007 年 1 月至 11 月，航空公司僅燃油支出就高達 370 億美元，並可能效仿聯合航空，在 2008 年對客戶徵收更高的燃油附加費。）根據美國航空運輸協會的資料，自 2000 年以來，該行業透過採取諸如減輕飛機重量和推出更高效的發動機等措施，已將燃油消耗量減少了 23%。西北航空公司的安全、健康和環境主管蒂姆·麥格勞表示：“如今，西北航空公司的平均燃油效率約為每加侖 50 客運英里[每升 21 公里]”，這主要是透過用更新、更高效的噴氣式飛機取代其老化的機隊來實現的。
實現這些改進的主要原因是燃料成本的持續上漲。例如，空軍的能源支出自 2003 年以來翻了一番，儘管同期燃油消耗量每天減少了 10,000 多桶。安德森說：“整個空軍能源採購量的 80% 以上是液態航空燃料。”“這相當於每年花費納稅人近 60 億美元來為我們的機隊提供燃料。”
因此，空軍以及其他軍事部門和國防高階研究計劃局 (DARPA) 已開始試驗替代燃料。DARPA 替代燃料專案經理、技術專家道格拉斯·柯克帕特里克表示：“如果不能降低[石油衍生燃料的]價格，替代燃料至少可以在未來為應對其未來增長或波動提供對沖。”“這裡的關鍵是從單一來源轉向多來源。”
他補充說：“任何經營企業的人都知道，您不希望只有一個供應商。從本質上講，這就是我們目前所處的位置。”
短期內，空軍希望利用費託化學技術，該技術在沒有石油的情況下，曾使納粹德國和種族隔離時期的南非的飛機能夠飛行（並且至今仍滿足南非 40% 的運輸燃料需求），以確保供應的多樣性。除了駕駛 C-17 飛越全國（該飛機由商用波音 757 上使用的同款普惠 F117-100 發動機提供動力）外，空軍還在 8 月份認證了仍在飛行的 20 世紀 50 年代的 B-52 轟炸機可以使用合成燃料。
安德森說：“為什麼要從老式武器系統開始呢？”“與新型發動機相比，它的發動機非常簡單，發生故障的可能性更小。”
天然氣衍生的合成燃料在地面測試、飛行甚至在北達科他州邁諾特寒冷的冬季進行冷啟動時，在兩種飛機中的表現都非常完美。50-50 的合成燃料和 JP-8 混合燃料滿足了空軍的所有 40 項燃料效能標準，包括在極高和極低溫度下的表現。安德森指出：“飛行員告訴我們，他們在操縱燃料時感覺不到任何差異。”
費託合成燃料有望提供一種可能更清潔的燃料供應。商業航空替代燃料倡議 (CAAFI) 執行董事理查德·奧特曼表示，燃燒更純淨的燃料（比石油衍生煤油更清潔）可以消除導致酸雨的硫排放，並減少（50% 至 90%）通常在燃燒後殘留的微小顆粒，商業航空替代燃料倡議 (CAAFI) 是一個行業為開發新能源方案而做出的努力。
但合成燃料不會減少二氧化碳的排放，二氧化碳是導致全球氣候變化的主要溫室氣體。環境組織自然資源保護委員會估計，將煤轉化為液體燃料排放的二氧化碳量是生產石油燃料的兩倍。安德森說：“我們只會購買比我們目前的替代品更環保的燃料。”“我們目前的替代品是石油基噴氣燃料。”
歐盟計劃從 2012 年開始限制飛機的碳排放；在美國，相關立法正在審議中，該立法將施加類似的限制，並且五個州（加利福尼亞州、康涅狄格州、賓夕法尼亞州、新澤西州、新墨西哥州和紐約州）已向環境保護署 (EPA) 請願，要求在過渡期間監管此類排放。CAAFI 的奧特曼說：“我們現在知道，最環保的解決方案將是大量使用生物燃料。”
超越煤油
根據聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 的資料，與其他車輛相比，飛機的排放量相對較小，約佔全球化石燃料燃燒溫室氣體總排放量的 3%，但它對氣候產生了重大影響。IPCC 指出，飛機透過在較高的大氣層中釋放二氧化碳，使分子有更多時間捕獲熱量，同時還透過凝結尾跡和其他化學活性氣體產生影響。
一些航空公司在減少溫室氣體排放方面取得了成效。西北航空公司的安全和工程高階副總裁肯·海蘭德說：“自 2000 年以來，西北航空公司的溫室氣體排放量下降了 25%，比 1990 年減少了約 5%。”“如果西北航空公司是一個國家，我們將符合《京都議定書》（關於減少溫室氣體排放的議定書）。”
但整個航空業的排放量仍在繼續攀升。根據環保署的資料，從 1990 年到 2005 年，軍用飛機的溫室氣體排放量下降了 50%，但商用航空公司的排放量上升了 16%，這主要是由於運營商數量的增長。
僅靠效率提高——即使是採用改進型發動機和設計的飛機（如波音 787，預計其燃油效率將比現有大型飛機提高 20%）也無法解決問題。波音公司能源和排放技術負責人戴維·達格特說：“低二氧化碳燃料將幫助我們解決剩餘部分。”“這就是為什麼我們特別關注生物燃料的原因。”
其中一種生物燃料——乙醇——已用於為大量使用的商用機隊提供動力：活塞發動機螺旋槳農作物噴粉機。貝勒航空科學研究所主席馬克斯·肖克（曾在 20 世紀 80 年代的航空展上駕駛乙醇動力螺旋槳飛機）已在巴西改造了至少 1,000 架此類飛機，巴西是一個透過採用國內生產的甘蔗乙醇來擺脫對外國石油依賴的國家。
乙醇除了對發動機更溫和外，成本也只有此類螺旋槳飛機通常使用的航空汽油的四分之一到一半。然而，由於能量密度較低，乙醇會減少此類飛機的飛行小時數或距離，但“它能產生更大的動力，而且是一種溫室氣體中性燃料，”肖克說。“世界上生產的乙醇足以驅動所有活塞發動機飛機。”
美國聯邦航空管理局 (FAA) 正在進行測試，但尚未批准乙醇作為美國活塞發動機飛機的燃料，FAA 環境與能源辦公室首席科學家兼技術顧問盧爾德斯·莫里斯說。無論如何，乙醇的低能量密度使其不適合噴氣渦輪發動機。CAAFI 的奧特曼說：“顯然我們不能使用乙醇。”“這是一種幸運。我們不想與糧食作物競爭。”
從植物油中提取的類似柴油的燃料可能既能避免這個問題，又能提供類似的溫室氣體減排效果（取決於植物的種植方式）。此前，一架捷克斯洛伐克 L-29 噴氣式飛機——由捷克軍方在 20 世紀 60 年代專門製造，用於使用替代燃料——完全由再生的加拿大油菜籽油提供動力，飛行了 37 分鐘，高度達到 17,000 英尺（5,180 米）。BioJet 1 副駕駛道格·羅丹特是綠色燃料國際公司（一家推廣替代燃料的公司）的總裁，他問道：“您是願意從中東購買石油，還是從中西部購買？”
但生物柴油會在高空低溫下凝固成凝膠狀，這對任何飛機燃料來說都是致命的缺陷。捷克噴氣式飛機裝有燃料加熱器來解決這個問題，內華達州斯帕克斯市生物柴油解決方案公司總裁兼執行長、物理學家魯迪·威德曼認為，類似的解決方案也可以應用於其他噴氣發動機，該公司是此次飛行的燃料供應商。
或者，可以進一步提煉生物柴油本身，以確保其在至少 –40 攝氏度（–40 華氏度）之前不會凝固，這是目前石油衍生噴氣燃料的標準。霍尼韋爾公司 UOP 已開發出一種“綠色柴油”，方法是在 DARPA 的支援下，加熱植物油和動物油，在長碳氫化合物鏈中新增氫原子。此外，其“生態精煉”工藝還在鏈中新增扭結，以防止它們在低溫下輕易堆疊或凝膠，從而生產出一種類似柴油的燃料，其燃燒質量是石油衍生燃料的兩倍。
達格特說，波音公司已在其許多 747 飛機上使用的通用電氣噴氣發動機中測試了兩種具有這種防凍效能的“植物基生物燃料”。維珍大西洋航空公司宣佈，今年年初，它將在一架 747 飛機的四個發動機之一中進行生物柴油-石油柴油混合燃料的首次飛行測試；紐西蘭航空公司計劃在今年晚些時候在其一架 747 飛機上的勞斯萊斯發動機上進行類似的試飛。
第一個 UOP 衍生的生態精煉設施正在義大利裡窩那建設中，該設施能夠為地面車輛生產 1 億加侖柴油燃料；第二個設施計劃在葡萄牙錫尼什建造。UOP 可再生能源化學品主管詹妮弗·霍姆格倫說：“轉向生物燃料並不意味著我們必須做出妥協。我們已經在生產看起來與真品完全相同，甚至更好的燃料。”“真正的限制將是原料。”
即使將所有此類來源都轉化為燃料（這將嚴重影響食品供應），來自大豆和加拿大油菜籽等植物的油也無法滿足美國飛機每天燃燒的 6000 多萬加侖噴氣燃料的一小部分需求，這幾乎佔全球用量的四分之一。波音公司很難找到能夠生產可測試數量產品的生物燃料供應商。達格特說：“當您要求 1,000 加侖時，立即就會淘汰很多公司。”
因此，像 UOP 這樣的私營公司、像 DARPA 這樣的政府機構以及像 CAAFI 這樣的商業組織都已開始考慮更廣泛的來源，包括巴西巴巴蘇棕櫚樹種子的油或植物的木質或纖維素部分轉化。加州大學河濱分校的化學工程師查爾斯·懷曼主張生物煉油廠將種子油、農作物的秸稈和其他殘渣，甚至木漿廢料轉化為各種替代燃料。
他說：“您正在以可再生的方式在某種能源種植園中種植木材或草，以生產生物質。”“將其中一部分轉化為乙醇，然後將您無法轉化的部分使用費託合成技術製成柴油燃料，這種燃料可以針對噴氣燃料進行定製。”
或者可以種植藻類。懷曼說，這種微小植物“在壓力下可以產生相當於其重量 60% 的油”。新墨西哥州桑迪亞國家實驗室的系統工程師羅恩·佩特一直在分析微觀植物的燃料潛力，他說，封閉的容器可能會生產出純種的高油物種，用於飼養到大型池塘中，以種植足夠的供應量。
佩特說，這種廣闊的藻類農場也可能依靠所謂的“受損”水，即鹹水海洋或受汙染的水。“從汙水處理廠出來的水含有營養物質——硝酸鹽，這會促進藻類生長，”波音公司的達格特指出。“您可以收穫藻類並提取油，然後以比離開汙水處理廠時更清潔的狀態釋放水。”
但是生物煉油廠將耗資數億美元，並且需要對現有工藝進行重大升級，而此類藻類方案尚未嘗試。“美國能源部 (DOE) 已為一些試點生物煉油廠提供了資金，DARPA 也為開始探索藻類可行性的初步工作提供了資金，但這需要數年時間才能廣泛使用任何此類燃料。達格特說：“10 到 20 年是一個合理的時間範圍。”
化石燃料混合物
與此同時，空軍計劃到 2011 年認證其整個機隊可以使用甲烷或煤衍生的費託合成燃料，並計劃購買足夠的此類燃料，以在 2016 年之前為美國大陸至少 50% 的機隊提供動力。11 月份開始了對更純淨的合成燃料在用於超音速飛行的噴氣式加力發動機中的效能測試。
安德森說：“這大約是 4 億加侖[15 億升]燃料”，而今年的購買量為 281,000 加侖[106 萬升]，預計明年的購買量為 500,000 加侖[190 萬升]。 “到 2016 年，它可能只會在[環境方面]略有改善。碳中和？可能不會。”
儘管此類合成燃料實際上可能會增加溫室氣體排放，具體取決於它們的生產方式，但它們將擺脫石油霸權的束縛。安德森指出：“美國地下的煤炭按目前的用量可以持續 400 到 500 年。如果您將煤炭的使用量增加一倍、兩倍或三倍，當然就不會是 400 年了，而是 100 年或 50 年。”“但還有 50 年才能實現無碳經濟。”
在此之前，可以透過將相對少量的生物燃料混合到此類合成燃料中來限制對地球氣候的影響——DARPA 出於後勤原因拒絕了這一選擇——或者捕獲合成燃料生產中產生的二氧化碳，並利用它來促進植物的生長，以便轉化為燃料。CAAFI 的奧特曼說：“在不可再生燃料（煤制油和天然氣制油）中加入低至 20% 的生物燃料，您就可以實現混合燃料的碳中和。”
綠色飛行國際公司的羅丹特說，20% 的混合燃料不需要對現有飛機發動機或基礎設施進行任何修改。“噴氣燃料和生物燃料混合是很容易做到的，”他說，“我不認為 100% 生物燃料是答案。”
每桶 100 美元的油價已經遠高於合成燃料生產設施盈虧平衡的每桶 40 美元水平，甚至也高於可能使碳捕獲在經濟上可行的每桶 70 美元水平。FAA 的莫里斯說：“最大的挑戰是生產能力——以及堅持不懈。”“如果原油價格下跌，我們還能保持興趣嗎？”
儘管如此，能源安全、供應多樣性和環境等因素的結合可能會維持商業航空的興趣，儘管其總體目標較小——明年認證合成燃料混合物，2010 年認證完全合成燃料，2013 年認證生物燃料。美國航空運輸協會的海姆利希說：“人們對優於每桶 90 美元石油、國內供應更好且有助於應對日益增長的環境壓力的燃料存在潛在需求。”“我還沒有看到那種神奇的萬能燃料。”
在此期間，許多航空公司正在提供抵消航空旅行相關溫室氣體排放的方法，例如總部位於美國的達美航空與保護基金合作開展的專案，該專案透過植樹造林來換取乘客可以選擇在往返國內機票價格中增加 5.50 美元，或往返國際航班增加 11 美元。總部位於英國的維珍大西洋航空公司與 myclimate（一家瑞士抵消提供商）達成了類似的協議，後者使用根據機票價格浮動的額外乘客費用，為印度等發展中國家的可再生能源專案提供資金。然而，目前尚不清楚此類由乘客資助的合作伙伴關係在多大程度上緩解了氣候變化，而且它們遠不能替代碳中和的替代噴氣燃料。
空軍的安德森說：“我們本應在 20 世紀 70 年代堅持下去，這樣我們就不會進行這場討論了。”“無論[開發這種燃料]需要 30 年還是 50 年，如果我們明天開始，肯定比今天開始花費更長的時間。”