利用各種新技術，航空飛行可以變得更加環保

2019年01月30日

　　現在，你擡頭看看天，就在這一刻，在望不到盡頭的天空中，在距離地面大約11公裏高的平流層底部，有超過五十萬的乘客正坐在飛機中飛往目的地，這就相當于一個小城市的人口。

　　這麽想想是挺神奇的。

　　然而，這也會産生一個令人擔憂的問題。據統計，航空業將成為最大的二氧化碳的單一來源。在生活中，你可能為了環保選擇了綠色能源供應商，用自行車代替汽車，甚至不再吃肉。但是如果你想去地中海度假，又想降低二氧化碳的排放量，你只能劃船去那裏了。

　　其實，我們還是非常依賴于飛行這種交通方式的，很少有人願意放棄飛機給自身帶來的便利。那麽，有沒有辦法在不破壞環境的前提下，合理利用飛行呢？

　　這種想法很難實現的原因就是搭乘飛機的遊客越來越多。按照實際價格計算，2017年往返機票的平均票價比1995年便宜60%，這推動了乘客數量以年均5%的速度增長。根據IATA的數據，目前民用航司每年售出40億個座位。截至到2036年，這個數字預計將翻一番，達到78億。這就意味著，大約20年後，每年的乘客數量將略高于當今世界的人口總數。

　　與此同時，航空業二氧化碳與氮氧化合物等溫室氣體的排放量也會增加。飛行所帶來的二氧化碳排放量占人為二氧化碳排放量的2%。據估計，截至到2050年，這一數字可能回會達到10%。如果道路交通等其它汙染源減少排放，這一比例可能達到20%甚至更高。隨著各國政府開始把目光轉向電動汽車，這種增長很有可能出現。

　　這些都使得航空業成為對抗全球變暖的關鍵挑戰。不同于公路運輸，國際航空業並沒有受到諸如聯合國《巴黎協定》等環境條約的影響。《京都議定書》涵蓋了國內航班，但是就排放量而言，只占據了一小部分。國際航班是跨境的，這使得各方很難就誰應該為減排負責達成一致。

　　最終，在2016年達成了一項協議，ICAO促成了首個全球減排協議，其中最關鍵的是全球航空運輸業碳中和方案及減排計劃（CORSIA）。這一舉措旨在通過要求航司購買碳信用額（carbon credits）來保持航空業在2020年之後的淨排放量不變。碳信用額是為了推行減少大氣中二氧化碳含量的措施，例如植樹。

　　空客負責環境事務的高管Hubert Mantel表示，該計劃的實施令他感到鼓舞，約有72個國家已經自願簽署了該項計劃，這意味著該計劃覆蓋了當今國際航空超過75%的二氧化碳排放量。“這是一個了不起的開始，希望有更多的國家加入”

　　但很多人認為這項舉措還不夠徹底。例如，預計乘客數量將大幅增長的中國尚未加入，歐盟在上個月正式宣布反對該計劃。該協議允許航空公司只要提供了足夠的經濟補償便可以肆意的排放溫室氣體。曼徹斯特大學研究氣候政策的John Broderick表示：“這並沒有推動航空體系在減排方面的創新”。那麽，我們可以采取哪些切實可行的措施呢？這些措施的效果又會如何呢？

　　飛機直線飛行

　　減排的一種方法就是讓飛機直線飛行。航空運輸沿著飛行走廊穿梭，在固定的幾個點進出各個國家的領空。這是幾十年前的遺留問題，為了保證在雷達的檢測範圍內，飛機需要從一個地方飛到另一個地點。

　　飛行走廊所産生的弊端正逐漸地被一種名為“自由航線空域”的新方法消除，該方法由GPS和衛星等技術對飛機進行跟蹤。每次架航班都會提前公布計劃的航線，只要空管監控到位，就可以避免航班間的沖突。

　　Morten Grandt是一名工程師，他與德國航空交通管制部門合作開發這一系統。Morten指出，航線選擇的增加降低了飛機密度，這意味著飛行走廊下的噪音更小，墜機風險更低。這就好像所有的飛機都走不同的鄉間小路，而不是擠在高速公路上。

　　歐洲和美國的相關部門已經開始采用這種方法。歐控表示，大部分成員國應在2019年底前開始運營該項目。FAA正在研究一個類似的裝置，稱為下一代航空運輸系統。據稱，這將是2020年以後，限制溫室氣體排放綜合措施的一部分。

　　直線飛行到底可以減少多少溫室氣體的排放呢？根據歐控的相關數據，自由航線空域每年可以降低15萬噸二氧化碳的排放。

　　英國克蘭菲爾德大學的航空系統設計師Craig Lawson表示，讓飛行員在更大範圍內按照自己認為合適的方式駕駛飛機，也可能會減少溫室氣體的排放。“以最少的能耗來巡航的最佳方式就是爬升巡航”。由于燃料消耗，機身變得更輕，因此可以在稀薄空氣的環境中減少升力保持在空中，更小的空氣阻力使得較高的巡航高度更為有效。因此飛機在飛行時應該向上飄移，而不是逐級上升。Lawson指出，巡航爬升可以為飛機節省10%的燃料

　　讓機身形線條流暢

　　前文提到改變飛行路徑可以降低溫室氣體的排放，通過改變機身與空氣的接觸面同樣可以減少排放。曆史也曾證明了這一點：羅羅公司的首席技術官PaulStein表示，與2000年交付的A330相比，新型A350的引擎在相同推力下産生的二氧化碳要少15%。這一趨勢總體上是站得住腳的，在過去10年左右，技術創新往往使飛機的效率每年提高約1%。

　　所有迹象都表明，這種情況在短期內會持續下去。例如，給飛機裝上更長的機翼能夠增加它們的提升力，減少飛行時所需的燃料。波音即將推出的777X飛機的機翼太長，以至于無法與標准的登機口進行對接，但經過改進機翼可以折疊，就解決了這個問題。

　　然而，這種創新的意義也不是很大。與每年1%的效率增長相比，乘客數量預計每年增長5%。此外，正如Greenspace的首席科學家DougParr所指出的那樣，很多飛機已經服役幾十年了，這些技術創新也沒法立刻用上。需要一些更激烈，更直接的措施。

　　位于華盛頓特區的非營利組織國際清潔運輸委員會(International Councilon Clean Transportation)表示，回歸螺旋槳飛機可能是件好事。它在節約燃料方面表現得更好。例如，龐巴迪Q400這樣的飛機，在世界上很多地區都是短途飛行的主力軍。“確實，如果飛行速度變慢，能耗就會降低，但延長旅行時間，尤其是在長途航班上，會讓乘客覺得不舒服。”Lawson如是說道

　　使用無碳燃料

　　如果無法減少飛機燃料的使用量，也許我們可以對燃料進行改進，讓它更為環保。大多數飛機使用的是JetA航空煤油，它基本上就是煤油—一種由碳和氫組成的石油衍生化學物質。如果用更環保的碳來制造燃料，你會便會發現其中的重大意義。

　　荷蘭代爾夫特理工大學Joris Melkert 10年前就開始研究這個問題。從石油中提取的煤油會含有一系列低濃度的雜質，這些雜質被認為是有助于引擎平穩運行的。2008年，Melkert開始測試含有較少雜質的合成燃料是否安全。不久之後，他試飛了一架使用95%合成煤油的飛機。

　　這種燃油是用天然氣混合而成，原則上來說，任何來源的合成煤油都是安全的。這使得為飛機燃油設定標准的美國材料試驗協會（ASTM International）規定，最高含有50%合成煤油的燃料可以用作飛機燃料。這反過來又促使航空業開發從農作物中提取的合成煤油。

　　生物燃料有減少排放的潛力，一些公司高度宣傳這一信息。2018年9月，一架A320從阿拉巴馬州的莫比爾起飛，計劃交付給紐約的捷藍航空，飛機使用了混有15%生物燃料的燃油。但這事的總體影響並不大。波音公司的環境戰略主管Sean Newsum表示，過去十年14.3萬架次的客運航班使用了含有生物燃料的混合燃料—與2018年3900萬架次的定期航班量相比，這不算多。

　　即使生物燃料被廣泛使用，人們還是會擔心原料需求量增加所帶來的壓力。所需原料的種植會不會對糧食作物的種植産生影響？原料在轉化成燃料的過程中會産生多少溫室氣體的排放？Newsum表示，波音成立很多項目來調查生物燃料的最佳來源，包括加拿大的林業廢物，南非不含尼古丁的煙草以及阿聯酋海水灌溉的植被。這些材料中都會産生少量的所需燃料。

　　還有一個更好的辦法是，從空氣中獲取碳來制造合成燃料，這樣在燃燒時就不會排放出淨碳。2014年，一家名為“航空燃料合成”（Air Fuel Synthesis）的公司首次證明了這一點。2018年6月，加拿大一家名為Carbon Engineering的公司表示，該公司已經將從空氣中去除一噸二氧化碳的成本降至94美元至232美元之間，比之前的預估至少便宜了三分之一。但真正的挑戰在于，生産燃料所排放的碳要少于避免使用燃油所節省出來的碳。值得注意的是，2016年，Air Fuel Synthesis悄無聲息地倒閉了。

　　制造電動飛機

　　去年6月，在奧斯陸機場，挪威交通部長Ketil Solvik-Olsen和運營挪威大部分機場的國有航空公司Avinor負責人Dag Falk-Petersen乘坐斯洛文尼亞公司Pipistrel制造的雙座電動飛機Alpha Electro G2在上空盤旋了幾分鍾。此舉是為了強調挪威之前的承諾，即截至2040年實現所有國內航班電動化。

　　飛機電動化一種真正能夠減少溫室氣體排放的方法。如果飛機使用的電池來自可再生能源，飛行這種交通方式將會實現碳平衡。

　　然而，挪威試飛的那架飛機只有兩個座位。目前還沒有人使用電力成功地驅動起一架大型客機，盡管有人正在嘗試。最有野心的計劃之一是空客的E-Fan計劃。空客與西門子以及羅羅公司合作，將一架四引擎噴氣機改造成一架混合動力飛機，飛機的一個引擎被一個電風扇代替。一個隱藏在飛機內部的小引擎將為驅動電機的電池充電。“就像空中版的豐田普銳斯”，計劃在2020年進行試飛。

　　波音也在投資Zunum Aero，這是一家初創企業，目標是在2022年前研發出一架50座的混合動力飛機。該公司表示，這家飛機的能耗將是同規模飛機的一半。問題在于這種飛機的航程相當有限，至少目前的技術還達不到理想的狀態。

　　然而，如果電動飛機真的投入使用，它可能會改變我們的旅行方式。電動飛機不僅環保，而且物美價廉，噪音小。這將最終使得私人空中交通工具—也就是飛行汽車—成為現實。從長遠看來，這甚至有可能取代通勤列車，後者通常被認為是相對環保的。

　　它可能比你想象的來得快。德國Volocopter公司一直致力于研發一種電動垂直起降的飛機（以下簡稱：eVTOL），該飛機的機艙懸挂在一個由幾個轉子組成的圓環之下。Volocopter計劃今年在新加坡進行二人機的試飛，這是在有建築物的環境下的首次試飛。與此同時，歐盟已經開始就認證eVTOL所需的標准進行磋商，NASA和FAA也在制定類似的規定。

　　但是除非出現重大技術突破，完全使用煤油的大型客機還有很長的路要走。Paul Peeters曾經是一名航空工程師，目前在荷蘭布雷達大學研究有關于可持續交通方面的問題。他分析了一架60座電動飛機在電池上的需求。Peeters說到：“按照目前的锂電池技術，電池必須比整個飛機還要大。”

　　Peeters認為，唯一的解決辦法就是找到一種限制航班數量的方法，或許通過一項國際協議，但是這種協議的達成將會超過聯合國迄今所談判的範圍。“我們不能指望這些措施，真正實施下來，會拖很長時間。”

　　新聞來源：民航資源網