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多了宝贵的90秒

  • 发布时间:2015-10-09 01:31:17  来源:科技日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  飞机、汽车、卡车等交通工具在受猛烈撞击后可能起火爆炸造成人员伤亡,这类与燃油直接有关的惨剧不时在现实生活中上演。美国加州理工学院与军方研究人员10月1日宣布,他们在燃油添加剂方面取得重大突破,可以让燃油的爆炸风险大幅降低,从而避免类似惨剧。

  领导研究的加州理工学院教授朱莉娅·科恩菲尔德在电话记者会上说:“从科学角度看,这些聚合物(燃油添加剂)突破人们曾经以为的存在的极限。我希望它们能够挽救生命,减少烧伤,我希望它们可以提高道路与航空安全。”

  这项成果发表在2日出版的新一期《科学》杂志上。值得一提的是,论文的两位主要作者分别为本科和硕士毕业自台湾大学的韦明新,以及本科和硕士毕业自北京大学的李博彧。韦明新目前在加州理工学院从事研究工作,而李博彧正在读博士。

  安全清洁燃油的重大进展

  “当初,项目赞助方的目标是在坠机或车子受撞击后,乘员们有10秒的逃生时间。现在,假使一架飞机的燃油含有我们的添加剂,它就不会在撞地瞬间发生毁灭性爆炸,里面的乘客可能会有约90秒的时间疏散到安全处。”美国加州理工学院研究员韦明新接受采访时这样解释其研究工作的意义。

  《科学》杂志编辑认为,具有防爆效果的燃油添加剂终于能从构想成为现实,这是迈向更安全、更清洁燃油的“重大进展”。利用航空燃油进行的测试显示,这种添加剂会使得雾化和爆炸性显著降低,即便经过抽吸、过滤等环节,依然不会失效。

  该添加剂与现有的柴油发动机兼容,不仅不会影响发动机的性能,还有其他额外好处,比如能够用于降低柴油发动机排放的碳微粒,以及提高输油管道运输能力。未来研究人员还将研究这种添加剂在汽油中的效用。

  脆弱的高分子

  韦明新介绍说,从上世纪60年代开始,人们就知道“超高分子量”的高分子可以降低燃油爆炸风险,但它们的缺点是脆弱,一旦这种高分子通过燃油泵或处于剧烈变化环境,就会“从中断裂”并永久失去效用,因而无法实际应用。韦明新本科和硕士毕业自台湾大学,2006年进入加州理工学院,师从朱莉娅·科恩菲尔德教授进行高分子研究。

  1977年,两架大型客机在靠近北非的加那利群岛某机场跑道上相撞爆炸,导致580多人死亡。这起事故使学界对防爆燃油添加剂的研究更加热衷,其中备受关注的是英美专家共同合作的“抗雾化燃油”计划。为克服高分子的脆弱问题,英方提供一种代号为FM-9的缔合高分子,它“就像一根很长绳子中间装有许多缔合基团”,通过缔合基团的作用,这些“绳子”会组装成具可逆性的“超分子”,通过燃油泵时该超分子会被打散成短的“绳子”,但通过后会借助缔合基团重新聚集成超分子。但“抗雾化燃油”计划最终还是失败了。

   超大超分子为技术关键

  当科恩菲尔德团队自2002年再次研究防爆燃油添加剂后,他们用了约4年时间总结该计划失败的教训。韦明新说,虽然初步测试显示,FM-9缔合高分子似乎真能降低燃油爆炸风险,但由于FM-9与航空燃油的兼容性欠佳,并且会堵塞发动机,迫使当时的英美研究团队必须在发动机的燃油入口处加装“降解器”。

  科恩菲尔德团队的思路是,在一条长柔性高分子骨架的两端加上具有“尼龙搭扣”性质的缔合基团组成的超大超分子,即它的一个末端是粗糙的“钩带”高分子,另一末端有

  平滑的“绒带”高分子。“钩带”与“绒带”结合,能将高分子链组装成非常长的超分子结构,从而提供防爆效果。当通过燃油泵或处于剧烈变化环境时,超分子内的“钩带”和“绒带”间的结合会被拉断,但骨架链仍然完好。回到比较平和的环境时,高分子链会重新结合成超分子。

  科恩菲尔德解释说,这种燃油添加剂是由许多高分子组装而成的“超分子”,结构非常长,可以控制撞击下的燃油雾化过程。具体而言,当有撞击事件发生时,添加剂可以让燃油雾化形成的液滴变大,降低燃油气化的程度,从而降低爆炸性连锁反应的风险。韦明新加入科恩菲尔德团队后,在缔合基团、长柔性高分子长度等方面取得一系列突破,历经4年实现上述思路。他说,控制燃油的爆炸,关键在于能否抑制火情蔓延,他们的超大超分子可以让燃油雾化形成的液滴变大,进而切断连锁反应,让火情无法蔓延。

  2007年美国海军的研究显示,如果把燃油平均液滴大小从5微米增加到50微米,那么前者发生起火爆炸会把所有东西烧光,而后者起火后却能自行熄灭。韦明新等人的新成果恰恰与美国海军的发现相互呼应。

  值得往下走的方向

  科恩菲尔德表示,目前这项技术的产业化工作正在进行。乐观估计,在柴油方面的商业化使用在两年内能有重大进展。至于航空燃油方面则需较长时间,因为航空燃油添加剂要通过美国监管部门审批,平均需要5到7年的时间。每加仑(3.75升)燃油预计增加6美分的成本,但随着技术的改进,成本会降至2美分或更低。

  韦明新认为,其团队发明的这种燃油添加剂是一项“有意义的突破”,其优异的防爆效果有助减少坠机、交通事故乃至战场上炸弹造成的伤亡。

  对于这种添加剂的应用前景,韦明新坦承,他们接触过一些大型石油企业,发现燃油爆炸问题似乎不太受关注,因为业内人士普遍认为,目前的航空业已非常成熟,欧美很少有坠机事件发生。从经济上看,这个技术会带来成本增加,短期内对航空业或相关产业却无实质性回馈。

  “人们感兴趣的反而是该添加剂的其他作用,比如减少输油管道的输油阻力,提高柴油排放的清洁程度。这么大的超分子却能承受环境剧烈变化而不致损坏,这是很多人觉得有意思、值得往下走的方向。”韦明新说。

  (据新华社)

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