清洁汽车、卡车、轮船和飞机的一些不同寻常的想法

近一个世纪前，德国工程师安东·弗莱特纳将一艘船放入大海。 《大众科学月刊》 1925 年的一篇文章称：“这艘船没有船帆，没有蒸汽，就像一艘鬼船，神秘地在水中航行，没有任何明显的推进装置。”这艘船静静地航行，没有向空中喷出任何东西。奇怪的是，当“这艘船以几乎两倍于以前速度的速度在波罗的海汹涌的海水中前进”时，两个奇怪的巨型旋转圆筒从甲板上升起。

弗莱特纳利用这些称为旋翼帆的圆筒为他的船提供动力，利用的也是几百年前船只开始航行时驱动它们穿越大海的动力：风。当时，他的发明无法与蒸汽、煤炭以及最终的现代柴油发动机相媲美。但今天，随着世界应对气候变化，航运业——事实上，整个全球运输业——必须找到摆脱化石燃料并转向更清洁能源的方法。在这些努力中，弗莱特纳的旧想法获得了新的关注。

“谁会想到几个世纪后我们会认真考虑如何利用风力来驱动船舶？”国际清洁交通委员会海洋项目高级研究员 Bryan Comer 说道。“一开始，所有船舶都是零排放的，使用人力——桨——或风力。现在，为了降低成本和环境影响，我们开始看到风力的创新用途，包括旋翼帆。看来我们已经回到了原点。”

交通运输业排放到大气中的二氧化碳和其他温室气体占总量的近四分之一。尽管如此，能源仍驱动着我们的汽车、卡车、公共汽车、火车、轮船和飞机，我们依赖这些交通工具来运送食品和消费品、上下班、购物、送孩子上学和参加足球训练，以及让工作疲惫的人乘飞机去享受期盼已久的假期。人们不会很快放弃他们的汽车，如果人们不能改变，那么汽车就必须改变。

专家一致认为，如果我们要将全球变暖控制在《巴黎气候协定》设定的 1.5 摄氏度以内，那么交通运输行业必须从现在开始进行根本性变革。德国航空航天中心的科学家兼车辆系统专家约翰内斯·帕根科普夫 (Johannes Pagenkopf) 表示：“我们需要立即以非常快的速度开始交通运输领域的技术变革，以免无法实现雄心勃勃的巴黎气候目标。”

当今的交通运输仍然严重依赖化石燃料，只有一小部分依靠电力。“我们需要彻底改变当前的交通运输系统，迈向碳中和的未来，”帕根科普夫说。

根据国际清洁运输理事会的数据，船舶约占全球_二氧化碳排放量的 3%。航运业专家认为，风力辅助技术（包括旋翼帆）将帮助船舶实现国际海事组织设定的减排目标。该组织呼吁到 2050 年将碳排放量与 2008 年的水平相比降低 50%。

配备旋翼帆的船舶并非完全不使用化石燃料，但该技术有助于减少燃料使用和污染。除了旋翼帆，船舶还可以部署鼓风机等创新设备，将气泡泵入船底和船体部分，减少阻力，从而减少主发动机所需的功率。

除了航运，帕根科普夫认为其他交通方式也必须由电力驱动。为此，他认为人们应该更多地依赖火车而不是汽车和飞机，因为大多数铁路已经使用电力。他希望有一天飞机和轮船也能如此。“用于短程和中程飞机和轮船的电池和燃料电池电力推进将获得发展势头，”他说。

一些短程飞机已经在仅搭载少数乘客的短途飞行中使用电池供电。伊利诺伊大学香槟分校航空航天工程助理教授 Phil Ansell 表示：“业界实际上已经以多种有意义的方式接受了电动飞机的想法。许多不同的行业团体目前正在对电动飞机概念进行内部研究。”

然而，在电池成为飞机常规动力之前，尤其是在长途飞行中，还有许多重大障碍需要克服。目前的电池太重，无法让飞机飞得很远；研究必须集中于减轻电池重量。由于这些缺点，科学家们正在研究其他选择，包括将电池与燃料配对的混合系统。

滑铁卢大学机械与机电一体化工程教授李先国正在研究类似的东西，将电池与燃料电池配对用于汽车。他相信他的系统将比目前的燃料电池使用寿命长十倍，而且生产成本低廉，最终可以取代传统的燃气发动机。该系统由一个电池和三个大小相同的燃料电池单元组成，它们可以根据所需的电量相互切换。

“在低速行驶时，电池提供电力，”李说。“如果电池能量水平低或电池电量不足，三个燃料电池单元中的一个将被激活，燃料电池的输出将部分用于驱动，部分用于给电池充电。如果车辆加速，三个燃料电池中的两个将被激活，满载时三个燃料电池都将激活。”但他说燃料电池可能会持续更长时间，因为车辆只需要三分之一左右的时间全功率运行。

同样，李在滑铁卢的同事阿米尔·卡杰普尔 (Amir Khajepour) 也开发出一种新型阀门技术，可将传统内燃机的效率提高 10% 以上。他还发明了一种电池系统，可以收集和储存汽车刹车时产生的热量，同时仍允许制冷机组和空调在怠速时运行。

“内燃机将成为未来许多年重型运输的主要动力，”他说。“此外，目前使用的车辆，特别是城市公交车或公用事业车队，至少还有十年的使用寿命。任何能够降低此类车辆燃料消耗和排放的技术都将对交通系统更加环保产生巨大影响。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。