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作者： 泉琳综合报道 来源： 发布时间：2018-1-2 12:51:0
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全球每天大约有超过800万人乘坐飞机出行，而且这一数字还在不断增长。
有数据表明，航空业产生的二氧化碳排放量占人类总排放量的约2%。这一比例看上去似乎不大——发电和供暖的占比超过40%，但不可否认的是，航空业是世界上温室气体排放量增长速度最快的领域之一。
未来20年，航空旅行的需求预计将翻一番。为此，航空公司不仅面临着减少碳排放的压力，而且很容易受到全球油价波动的影响。这些挑战不可避免地激发了航空业对航空生物燃料的强烈渴望。
航空生物燃料是通过多种化学和生物途径后，由各种植物材料生产获得的，其包括油料作物、蔗糖作物、淀粉植物和木质纤维素生物质。不过，想要开发出可靠的航空生物燃料绝非易事，其性能必须要达到航空燃油的标准，才能被全球商业航空公司所使用。
首先，必须要保证这种燃油不含氧气成分，因为氧气的存在会减低燃料的能量密度。由于飞机上空间极其有限，因此航空燃料必须具有尽可能高的能量密度。其次，这种燃料的沸点分布也必须符合要求。此外，润滑指标也是一项重要标准，它的使用不能对发动机部件造成额外磨损。最后，这种燃料还需具有非常低的倾点，只有这样才能保证飞机在平流层高空飞行时，燃料仍然能够保持流动的液态。
2008年，全球首架部分使用生物燃油（以巴西棕榈果与椰子为原料）的商业航班从伦敦希斯罗国际机场起飞。在经过飞机、发动机以及燃油生产商们漫长的审查后，这种生物燃油终于在2011年获得准许，进入商业应用领域。
近十年来，不少航空公司陆续进行了航空生物燃料的试验飞行，然而由于各国情况不同，其所使用的生物燃料炼制原料也不尽相同。比如中国使用的生物燃料是从小桐子（麻风树）中提炼的，而美联航则采用由海藻油提炼而成的生物燃料。
如今，来自美国伊利诺伊大学的科研人员另辟蹊径，正在尝试改造世界上产量最高的作物——甘蔗，将其转化为航空生物燃油。在最近的一项研究中，科研人员发现这种经过改造的甘蔗可以在每英亩土地上产生2500升的生物燃料。
简单地说，这就意味着一架波音747飞机可以用54英亩土地上生产的航空生物燃料飞行长达10个小时。而与其他两种制造生物燃料的植物——大豆和麻风树相比，甘蔗单位面积产生的航空燃料分别约为它们的15倍和13倍。
“两用”甘蔗
从富含石油的原料（如亚麻荠属和藻类）中提取的航空生物燃料已经成功进行了飞行试验。作为全球最大的标准发展机构之一——美国材料与试验协会也批准了一种由普通燃料和生物燃料按照50:50配比而成的混合燃料用于商业和军用飞行。
然而，即使经过有效的研究和商业化努力，目前航空生物燃料的产量还是非常小。在更大的规模上生产这些产品则需要进一步的技术改进和丰富的低成本原料。
甘蔗是一种众所周知的生物燃料来源。几十年来，巴西一直通过发酵甘蔗汁来制造酒精燃料。只要挤出甘蔗汁，混合酒精一起发酵，再将其蒸馏到理想的浓度，就能生产出巴西最具经济价值的燃料——乙醇。
由于甘蔗乙醇具有清洁、易生产和低碳等特点，这使它成为车用可再生燃料的很好选择。不仅如此，与使用化石燃料相比，使用从甘蔗中提取的乙醇作为燃料，可减少12%的温室气体排放量。
科研人员们非常想知道，是否可以通过增加植物的天然油类含量，再利用其生产生物柴油，从而获得更大的环境效益。因为与化石燃料相比，使用生物柴油能减少41%的温室气体排放量。
然而，当科研人员第一次提议用甘蔗生产更多的油类时，一些同行认为这种想法太过疯狂。因为甘蔗植物仅含有0.05%的油类，这对于用来转化为生物柴油来说实在是太少了。许多植物学家认为，将油类含量增加到1%对植物来说是有毒的，但是科研人员的计算机模型预测显示，可以将油类含量提高到20%。
在美国能源部高级研究计划署的支持下，自2012年开始，伊利诺伊大学的科研人员就利用遗传工程的方法增加甘蔗中油类和脂肪酸的含量，如今经过改造的甘蔗叶已实现了12%的油类含量。
现在，根据计算机模型，研究人员正在努力实现20%的油类含量，并把油类含量累积的目标锁定在植物的茎上，因为茎比叶子更容易获取油类。初步研究表明，即使改造后的甘蔗能产生更多的油类含量，但它们仍然富含糖分，所以科研人员将这些改造后的植物称为“甘蔗脂”。
甘蔗脂衍生品
在伊利诺伊大学教授、科研小组组长Stephen Long看来，生物柴油是十分具有吸引力的。例如，大豆等植物可以很容易转换成生物柴油，但大豆却不具有足够的生产能力，来满足一个国家可再生燃料的需求。因此开发更多的产油植物成为该科研小组利用遗传工程方法改造甘蔗的初衷。
对于农民和环境来说，甘蔗脂有很多优势。据科研人员计算，含有20%油类的增长性甘蔗脂，每英亩的利润是大豆的5倍，而大豆是目前美国生产生物柴油的主要原料。同时，每英亩甘蔗脂的利润还是玉米的2倍。
为了可持续发展，航空生物燃料必须是经济可行的，而且原料需要具有高产量，且使用更少的可用耕地。据估计，与大豆相比，每英亩含有5%油类含量的甘蔗脂能生产出4倍多的航空燃料；而每英亩拥有20%油类含量的甘蔗脂则可以生产15倍以上的航空燃料。
不仅如此，甘蔗脂还能带来其他的能源效益。榨汁后剩下的甘蔗渣，可以燃烧产生蒸汽和电力，从而为生物炼油厂提供动力；剩余的电力可以反向卖给电网，从而取代由化石燃料产生的电力。
潜在的能源作物
除了在油类含量上做文章，科研人员也在耐寒性上下功夫。他们正在改造设计更为耐寒的甘蔗，以使甘蔗的种植范围更为广泛，特别是在美国东南部尚未充分利用的土地上。
如果可以把美国东南部2300万英亩的土地全都种植上含有20%油类含量的甘蔗脂，那么估计将能满足美国航空燃料需求量的65%。以目前的价格计算，这种燃料每加仑将花费航空公司5.31美元，远比用海藻或其他油料作物生产航空生物燃料的成本要低。
当然，在巴西和其他热带地区同样可以种植甘蔗脂。正如最近刊登在《自然气候变化》杂志上的新研究显示的那样，在巴西扩大甘蔗或甘蔗脂生产，可以减少全球5.6%的二氧化碳排放量，而且还可以在不影响巴西政府指定的对环境敏感地区（如热带雨林）的情况下实现。
当然，科研人员的研究还不仅于此，还包括对植物进行基因工程改造，使其能更有效地进行光合作用，从而获得更好的生长。在美国《科学》杂志2016年的一篇文章中，该科研小组通过与其他机构的同行合作，提高了甘蔗脂20%的光合效率。初步研究和同步的野外试验也表明，科研人员已经将甘蔗的光合效率提高了20%，而且在凉爽的条件下光合效率还提高了近70%。
“我们的目标就是使甘蔗产生更多的油量，通过更多的光合效率来提高产量，并使其更加抗寒。”Long表示。
现在，为了实现每英亩土地能产生更多的油类含量，该科研团队正在设计一种更高产量的甘蔗品种，这将为航空生物燃料的大批量生产开辟一条全新的道路。■
《科学新闻》 (科学新闻2017年12月刊 能源)
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