零距離科學:1973年已有第一架電動飛機,為何至今未盛行?

零距離科學:1973年已有第一架電動飛機,為何至今未盛行?

我們想讓你知道的是

自1940年到2018年,航空業所排放的二氧化碳量節節上升,由0.7%的總排放量,上升至2.65%。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

航空業的前景

在肺炎疫症出現前,旅行本是件平常不過的事情。然而,我們之所以能方便而快捷的到達遠在千里之外的異邦遊玩,這全賴飛機的發明。航空服務的興起不單加強了人類社會的流動性,也促進了國與國之間的貿易,是現代社會不可缺少的一環。

按照美國聯邦航空總署的報告,在每一刻鐘,天空上都有多達數千架飛機在同時飛行。不過這卻同時帶來了環境污染等問題。噴射客機主要是以化石燃料來推動,因此會不斷排放出溫室氣體。自1940年到2018年,航空業所排放的二氧化碳量節節上升,由0.7%的總排放量,上升至2.65%。而這些溫室氣體會加劇氣候變化,破壞地球上的生態環境。

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傳統噴射客機以煤油為燃料,飛行時會產生大量溫室氣體,造成污染。

有見及此,不少公司與企業家都在思考航空業的前景——人類能否以其他方式維持航空服務的運作呢?不少人認為電動化是其中一個可行方案。本集將會介紹近年有關電動飛機的種種嘗試。

電池的限制

其實電動飛機並不是甚麼嶄新的概念。早於1917年已有人嘗試研發由電力驅動的直升機。此外,在1973年,奧地利的兩名飛機愛好者Fred Militky與Heinrich Brditschka成功把一架飛機改裝成以電力驅動。這架名為Militky MB-E1以鎳鎘電池(Ni-Cd)為電源,成功飛行約十四分鐘,是歷史上第一架載人的電動飛機。

不過因著電池技術的限制,電動飛機一直未能普及起來。其中最大的問題是電池的能量密度遠比航空煤油低。若要提供足夠能量讓飛機作長時間飛行,電池的重量要相應提升,然而這卻又令飛機需要更多的能量來驅動。鋰離子電池(Li-ion battery)的出現打破了這個困局。雖然它的能量密度依然是低於航空煤油,但它卻比舊式電池好上不少,能憑其輕巧的重量產生可觀的電力。正因如此,鋰電池於近年被廣泛使用。我們在手提電話、手提電腦及電動車身上都可以發現它的蹤影。

鋰電池當然也在電動飛機的研發上具重要地位。紀錄片中所介紹的其中一款新式電動飛機Heart ES-19正是以鋰電池來驅動。比起傳統的航空煤油,鋰電池價錢既便宜,又能多次使用,更不會大量產生出溫室氣體,是價廉物美而且環保的方案。

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有些發明家則善用近年冒起的無人機技術,把它改良成為載人的工具。這些電動垂直起飛和降落機(eVTOL機)適合於城市內使用,有助減輕地面交通擠塞的情況。

載客量

初創公司Heart Aerospace所研發的ES-19是一架十九座的飛機。相比起以往所研發的兩人至四人座電動飛機,ES-19的重要性正正在於它大幅增加了電動飛機的載客量。因著載客量的提升,ES-19的可用性得以大大提高,這同時也為它帶來了市場價值:芬蘭航空、聯合航空與梅薩航空等航空公司已向Heart Aerospace大手購買數十架至上百架ES-19飛機。

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Heart Aeropsace的ES-19是一架十九座的電動飛機。載客量高是它的特點,這特點也叫它受到不少航空公司的青睞。

但ES-19仍是有著不少限制的。它最長的飛行距離是400公里,因此只能作短途飛行。跨國飛行是ES-19遠遠無法勝任的。在長途飛行上,以煤油驅動的噴射機今天依然是未逢敵手。在此,電動飛機所面對的仍是那個老問題——能量密度不足。雖然鋰電池在能量密度上比舊式電池改善了不少,它卻是有其限制的。即使科學家不斷設法提升鋰電池的能量密度,它的改良幅度卻逐漸放緩,近年甚至有停滯跡象。有些人提出以能量密度更高的鋰硫電池(Li-S battery)來取代鋰離子電池,不過它能否有效地應用在電動飛機上仍是未知之數。

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挪威初創公司Equator Aircraft所研發的EQUATOR P2 XCURSION是一架能在水中降落的雙座型電動飛機。公司正準備推出四座及八座的型號。

紀錄片中除了談及電動飛機,也有討論以燃料電池(fuel-cell)驅動的環保飛機。燃料電池比鋰電池的能量密度高,理論上能夠提升飛機的航行距離,是綠色航空技術的另一方向。不過即使它們暫時未能完全取代噴射客機,卻已為航空技術開創了新的道路。

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使用以氫為燃料的燃料電池(fuel cell)也能減輕環境污染。燃料電池內的能量轉換過程並不會生出溫室氣體,只會生出水份,因此並不會構成環境污染。
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除了研發新的電動機種,把舊式飛機改裝成以電子引擎驅動也是一種電動化的方法。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚10時在港台電視31播映。本集於9月17日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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