金屬燃料取代石油

　　并不陌生的燃料
　　
　　燃燒金屬來驅動發動機?這聽起來有些荒唐。金屬燃料對我們來說并不陌生，節日里燦爛的煙花是由于火藥里摻入了鋁粉、鋁鎂合金粉、鐵粉以及銅、鍶、鋇等的金屬鹽。金屬可不可以作為燃料呢?從熱力學角度看，在元素周期表中，原子序數較小的金屬氧化時，都能產生很高的燃燒熱。如果從單位體積相比較，鋁、硼等的燃燒熱遠遠高于普通燃料。除了上述元素，常見金屬元素，比如釩、鐵、鋅的單位體積燃燒熱也是普通燃料的2～4倍。因此，理論上金屬可作為燃料使用。
　　既清潔小巧、又取之不竭的神奇燃料，很可能就是我們早就熟悉的金屬。就像鐵會生銹一樣，大部分金屬都會發生氧化，而燃燒無非就是一種快速的氧化反應。這種反應可以由外界的能量(例如火焰、閃電)觸發。因此，金屬完全能夠燃燒，同時釋放出巨大的能量。
　　
　　低溫下如何燃燒?
　　
　　那么，怎樣使金屬在較低的溫度下燃燒呢?這就需要把金屬制成非常非常小的顆粒，即小到納米級。正常狀態下的金屬是不能被用作燃料的，但是當金屬塊被加工成納米級的微粒時，它就具有了很高的反應活性，將其點燃會釋放出大量的能量。
　　我們知道，所有物體的表面都有表面能，只是大塊體的相對表面積小，表面能也很小。當塊體達到納米級大小時，單位質量粉體的表面積會增加到大塊體的成千上萬倍，表面能也升高到大塊體的幾百倍。直徑在50納米的金屬顆粒很容易燃燒，當加熱到250℃后，僅僅是一個火花就可以點燃。燃燒留下的氧化物很容易再轉換成燃料，在氫氣流中將氧化物加熱到425℃，氧化物又變回了金屬原子，氫則和氧結合生成了水。由于金屬納米粉末具有很強的特性，將其作為添加劑加入到燃料中可以大大提高燃燒效率，改善燃燒的穩定性。向固體燃料中加入0.5％的金屬納米燃料，可使燃燒效率提高25％，燃燒速度加快10多倍。
　　要在汽車發動機內進行這種燃燒絕非是件容易的事。早些時候，研究小組為了驗證金屬作為發動機燃料的可能性，曾對一輛汽車的發動機進行了改造，使之可以承受鐵粉燃燒時所需的2200℃的高溫，而一般汽油燃燒的最高溫度才到1500℃。為了使鐵粉更接近霧狀，使其能與空氣更好地混合在一起，研究小組選用了當時所能獲得的最細微的微米級顆粒(1微米等于1門000毫米)。
　　實驗是成功的，但是有缺陷。這些微米級顆粒一旦接觸到空氣中的氧，表面立刻就會產生一層氧化物。之所以需要2 200~C高溫，就是為了使這層氧化膜氣化，使鐵粉得以充分燃燒。然而，當氧化物的蒸汽冷卻凝固后，汽缸便被堵塞住了。
　　
　　研究一度中斷
　　
　　研究小組并未氣餒，現在人們已經能夠制造出優質的納米級金屬微粒了。研究小組立刻抓住了這個機遇，成功地使用50納米的鐵微粒進行了實驗。納米金屬微粒的體積只有微米級顆粒的0.1％，它們與空氣的接觸面積則比后者大得多，因此，它們在800~C的溫度下就會迅速發生氧化。而這個溫度是一般的發動機都能承受的。不僅如此，納米級金屬微粒還能避免形成會惹來麻煩的氧化物蒸汽。用它作為燃料，更不會像傳統燃料那樣產生諸如有毒煙塵、氮氧化合物等污染。
　　另外，由于金屬中根本不含碳元素，因此以它為燃料的汽車就永遠不會排放含有二氧化碳的尾氣。但與金屬所蘊涵的巨大熱量相比，所有這些優點都微不足道。這樣一個數字就能說明問題：納米級鐵微粒燃燒時釋放的能量是同等體積汽油的2倍。那么在燃油箱體積相同的前提下，以鐵粉為燃料的汽車能比使用汽油的汽車多跑1倍以上的路程。何況，與汽油不同，作為燃料的金屬還是可以回收的呢蚋米級金屬微粒在425℃下和氫反應可以“脫氧”，即氫和氧結合是生成水的還原反應。這一反應既可以在工廠里進行，也可以利用金屬燃料燃燒時產生的部分熱量在汽車內部同時進行。
　　當然，要想制造出真正意義上能夠實用的以金屬為燃料的發動機，還有許多問題有待解決，尤其是納米級微粒燃燒方面的問題。這些微粒的燃燒過程只有不到百萬分之幾秒，實在太快了，根本來不及被用于機械驅動。而目前，汽車發動機內的燃燒過程通常都要持續0.005～0.02秒。
　　
　　前景不容樂觀
　　
　　那么該怎么辦呢?可以對納米微粒進行“葡萄串狀”的排布，以減小金屬和氧氣的接觸面積、延長燃燒的持續時間。而這也確實是可行的。研究小組已經成功地將鐵微粒的氧化時間拉長到了500毫秒，這完全符合迪塞爾發動機或斯特林發動機的要求。
　　研究小組目前正在研制這種類型的燃燒室，但是其他一些基礎性研究也是必要的，比如要努力找到使溫度、燃燒速度和發動機工作效率達到平衡的最佳方案等。還有就是，究竟選用哪種金屬最合適?雖然在實驗室里鐵微粒的效果很好，但是鐵有一個缺點：太重了。一個可容納40千克汽油的油箱如果裝滿鐵微粒，那就重達195千克了。
　　另外，在釋放能量方面，鐵的表現也不是最佳的。所以，現在正改用硼和鋁，這兩種金屬在質量和產能方面，在燃油箱體積相同的前提下，能比使用汽油的汽車跑更多的路程。硼雖然輕，但比較貴，相比之下，鋁是最佳的候選金屬。研究小組已在火箭中使用該金屬為燃料，對其燃燒情況也比較了解。而從節約的角度來看，使用鋁作燃料也是比較經濟的。汽車的油箱如果裝滿鋁燃料，就能行駛500千米：而這一箱只不過45千克，比一油箱汽油重不了多少。
　　盡管燃燒速度和金屬質量這兩個問題正在得到解決，但納米級微粒發動機的前景尚不容樂觀，因為還有其他一些問題需要弄清楚。要想不排放帶來污染的尾氣，就意味著要讓所有的燃料物質在氧化反應的同時全部冷凝，這一點目前很難實現。
　　而更大的問題則在于納米級金屬微粒的生產遠未實現大規模工業化。首先，目前納米級微粒產量有限，每天只能產出幾千克而已。這樣看來，要想建立一個有效的金屬燃料發動機產業及其能源供應體系，至少還需要20年的時