低排放飛機的新嘗試:超導技術

研究人員提出由超導磁體驅動的電動噴氣發動機

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使用超導材料製造噴氣發動機可能為長期降低飛機排放提供一種途徑。研究人員已經確定,超導渦輪機將足夠輕便且動力強勁,能夠依靠來自清潔燃燒氫燃料電池或消耗相對少量化石燃料的發電機產生的電力執行。

佛羅里達州塔拉哈西的佛羅里達農工大學和佛羅里達州立大學的機電工程師菲利普·馬森表示,儘管開發這種技術成本高昂,“但我非常有信心,它將成為一個可行的選擇。”

飛機在全球溫室氣體排放中所佔比例越來越大,截至 2003 年,約佔美國總量的 3%。噴氣發動機點燃空氣和噴氣燃料的混合物,從而旋轉渦輪機產生推力。馬森說,更高效的燃氣渦輪機可能會減少 10% 到 15% 的燃料消耗,但這還不足以使其實現溫室氣體零排放。


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美國國家航空航天局和國防部資助了馬森及其同事設計一種電動噴氣發動機,該發動機將使用相反的磁體來旋轉渦輪機。馬森說,基於傳統磁體的發動機要達到相同的功率,其重量將是當前燃氣渦輪機的數倍,且燃油效率也會更低。

然而,超導磁體將具有更高的效率和更大的功率,且尺寸更小。當冷卻至 77 開爾文(零下 321 華氏度)或更低溫度時,所謂的陶瓷 YBCO(釔鋇銅氧化物)等高溫超導體開始無電阻地導電,從而產生強大的磁場而不會浪費能量。

他和同事在《超導科學與技術》雜誌上報告稱,液氫(20 開爾文,或零下 424 華氏度)既可以冷卻超導體,又可以為氫燃料電池供電,從而使電流透過超導體。馬森表示,根據他們的設計,一個 YBCO 渦輪機可以產生相當於單引擎塞斯納飛機的動力,而質量大約只有一半。他說,商用飛機可能需要化石燃料發電機來磁化超導體。

馬森說,製造超導噴氣發動機將需要在燃料電池和其他電子裝置方面取得改進,而且僅原型機的價格就可能高達 100 萬至 200 萬美元,這可能會使超導渦輪機在一段時間內仍停留在地面上。“市場太小了,沒人願意投資。”

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