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要啥冰箱啊,液态空气发动机才是未来

2020/4/20 8:39:07来源:作者:木尔责编:微尘评论:

早在2001年,一个中年男人拍了一段自己汽车的视频,然后分享给身边的数个朋友。视频里的主角是一辆破旧的沃克斯豪尔Nova小轿车,在烟雾弥漫中,在杂乱的院子里打转。方向盘后坐着的男人叫彼得·迪尔曼(Peter Dearman),一个不修边幅,热衷自己学习、自己动手的中年男人。这四十年来年,他把大部分时间用在构想一台能体现工程极致的蒸汽机:仅用空气驱动的发动机

迪尔曼于1951年出生在伦敦北部的一个鸡蛋农场。结合他的背景,他看起来并非是解决这种问题的合适人选。他15岁辍学,在自家农场工作过一阵子,然后去了一家当地的钣金厂工作。晚上,和大多数英国人一样,在车库或后院修修补补。只不过,迪尔曼的才华和野心让他从业余爱好者中脱颖而出。这些年,他申请过各种各样的专利,比如改进的活动扳手、太阳能热水系统和至今仍在救护车上使用的便携式复苏器。但是,他的最杰出成就,要数那辆Nova。这辆车的发动机是迪尔曼自己用电线、旧啤酒桶、红色塑料垃圾桶以及可装满咖啡罐那么多的液氮,组装而成。

从发动机到制冷机

迪尔曼的项目灵感可至少追溯到1899年。当时一个名叫汉斯·克努森(Hans Knudsen)的丹麦发明家声称,自己设计出一种可以使用“干净的蓝色”燃料,即液态空气——每加仑仅售1美分,作为动力的汽车。这种汽车不会排放出污染物和温室气体,仅留下无害的凝结痕迹,并且以每小时12英里的速度从容行驶。克努森在在当时备受媒体追捧,然而他的公司却在短短几年内宣告破产。冷嘲热讽的人认为,克努森自导自演了一场Theranos式的骗局,部分原因在于没有人知道他的设计汽车究竟是怎么工作的。多年以来,有效的液态空气发动机似乎跟永动机一样荒唐。

即便如此,液态空气发动机背后的基础原理并不荒唐。大多数发动机依赖热差进行工作。以汽油发动机汽车为例,燃料与空气混合后,进入活塞腔,点燃后,温度瞬间可以达到1000摄氏度。气体迅速膨胀,推动活塞,进而转动车轮。以相同的过程,把摄氏温度降低并换成华氏温度,就是液态空气发动机。氮气燃料的沸点为零下320华氏度。当液氮进入(温度更高)的活塞腔后,会瞬间蒸发成气体。氮气燃料的温度变化要小于汽油燃料,所以活塞的动力感不那么强劲,但也足以转动车轮。真正的难题在后边:流经发动机的低温燃料会迅速让发动机冰冻住,从而干净利落地让热差消失地无影无踪。紧接着,空气停止膨胀,汽车失去动力。

迪尔曼说,障碍很明显。他从十几岁开始就一直在思考,如何解决这个难题。对于内燃机来说,你需要一个散热器来给发动机降温。但是,如果是“冷燃机”的话,你则需要一个加热器,来给发动机升温。“我脑子里有一个隐约的解决方案,但我知道不做一些切实的研究,是什么都做不出来的,”他说。

突破发生在1999年。迪尔曼看了一集已经停播的BBC系列节目《明日的世界》。节目里,主持人来到华盛顿大学,向大家介绍一辆看上去十分笨拙的改装邮车。这辆邮车上山有点困难,最高速度只有22英里每小时,它的燃料是液氮,然而“油耗”有点高,每英里要消耗5加仑液氮。想出这个点子的人叫安倍·赫兹伯格(Abe Hertzberg),一个古里古怪的教授,之前还提出过激光动力飞机的概念。这辆邮车上应用了一项重大的创新:极冰冷的燃料先经过一个热交换器,然后再送到发动机。这个热交换器其实就是一系列在燃料管周围循环外部空气的同心管。项目中的研究生约翰·威廉姆斯(John Williams)解释说,热交换器可以确保“整个装置不会变成一个大冰球”。但是,核心问题依然没有得到解决——液氮还是会迅速地给发动机降温,从而抑制液氮蒸发成气体。“我们的项目仅仅是概念证明,”威廉姆斯说,“认识到这种可能性。”

在毕晓普斯托福德,迪尔曼坐在自家沙发上看完了这集节目,顿觉豁然开朗。赫茨伯格的设计逻辑和改进方法跃然纸上。怎样才能保证液氮不断膨胀呢?当然是用防冻液了。“道理很简单,但只有当你真正想明白后,才简单,”迪尔曼说。他走进车库,从架子上抓起一个蓝色塑料壶,然后开始折腾他的割草机,先捣鼓上面的发动机,每启动一下就把防冻液和水注入活塞室。这就把室温热量直接送到关键的地方——然后大幅提高发动机的效率。Nova汽车上采用的就是这个思路。

迪尔曼有一个做承包商生意的哥哥,他还为专利申请出过钱。如果不是他向大客户提起这件事,故事到这里可能就结束了。2004年,这个大客户又把迪尔曼介绍给托比·彼得斯(Toby Peters)。彼得斯原来是一名战地摄影师,后来转行当起了商业策略顾问,专门为企业的社会责任计划出谋划策。彼得斯起初有些怀疑。于是,他把迪尔曼的发动机拿到利兹大学做全面的研究。科学是最有力的说客。经过研究,他们发现,迪尔曼发动机的效率可媲美汽油和柴油发动机的效率;燃料利用率接近三分之一,剩下的只能浪费掉。另外,即便有再多的防冻液也解决不了一个根本问题:同样的一加仑,液态空气蕴含的能量远低于化石燃料。也就是说,液态空气燃料无论如何也无法提供汽车车主们所期望的大马力和扭矩。

随后,在2011年,彼得斯也突然顿悟:迪尔曼发动机的独特卖点显然不在于用作“汽车发动机”。传统发动机排放出来的是热量,而迪尔曼的发动机正好相反,排出的是冷气。彼得斯后来说,冷气才是“真正的价值所在”。换句话说,新成立的迪尔曼公司,试图销售的其实不是发动机,而是移动冷却装置。这么一来,潜在客户——比如冷藏车行业的客户——就有很多了。

广告词都是现成的:柴油机冷却装置不仅排放出温室气体,又污染空气;与其使用这种对环境有害的装置,客户可以选择仅排放氮气的迪尔曼冷却装置。而且,相同成本下,与传统系统相比,迪尔曼冷却装置运行更安静、燃料补充更快且冷却效率更高。诚然,生成液氮会消耗能量。即便也考虑上这一因素,迪尔曼发动机也比柴油机少40%的排放。如果给燃料厂供电的电网也使用可再生能源的话,迪尔曼发动机减少的排放可以达到95%。

各种逻辑看似天衣无缝,但真的有足够的说服力吗?历史上,新颖技术没有市场的例子比比皆是,它们要么时机不对,要么推广失败,再或者淹没在财力雄厚的公司投放的大量竞争产品之中。资本主义经济信奉自然选择法则,即优胜劣汰。然而,实际过程中,生存下来的未必是真正最优秀的。比如,在家用冰箱刚刚兴起之际,市面上有两种设计:一种用电,另一种用天然气。然而,哪怕天然气冰箱运行起来更安静,成本也更低,最终如您所知,流传下来的依旧是电冰箱。因为大公司有庞大的广告预算给电冰箱做宣传,而消费者则听之信之。如果迪尔曼和彼得斯志在改造全球低温食品运输系统之冷链系统,光有一个超棒的创意还远远不够。

从车库原型到商业设备,这个过程也很漫长。彼得斯负责融资和业务开发;迪尔曼则和他的儿子,以及不断发展的工程师团队一道,从效率、紧凑性、轻便以及可靠性等各方面,进一步完善他的原始设计。2015年,一辆装有迪尔曼制冷装置的卡车在沃里克郡试行驶了数英里,以进行测试,确保在实验室环境下工作正常的装置,在现实环境中的泥泞又容易打滑的雨天道路上也能正常工作。

一年之后,英国第二大连锁超市森宝利租借了一台迪尔曼装置,试用三个月,从埃塞克的仓储中心把商品运送到伦敦的各个超市。又一年之后,一辆迪尔曼冷藏车连续六个月为联合利华在荷兰运送班杰利的食品,且没有丢失任何货物。

目前,全球一共有300万辆冷藏车。预期到2025年,这个数字将增长到1700万辆。彼得·迪尔曼的发明似乎是柴油机的完美替代。很快,英国最权威的科学机构皇家学会,也向迪尔曼发来晚宴邀请。

冷藏:食物防腐的巨大突破

现代吃货们可能很难想象,机械冷藏改变人类饮食和全球气候的程度与速度。这项技术在南北战争之后刚刚进入商业应用;早期的技术采用者是美国中西部的一家德国的啤酒酿造商,他们希望在炎炎夏日保持啤酒清凉。渐渐地,其他行业也纷纷意识到,制冷技术可以用来解决长期困扰人类的一个难题:食物变质。

几千年来,人类与微生物之间的斗争从未停歇。细菌和真菌试图侵占我们的食物,而人来则试图用各种保鲜技术来阻挡它们的侵略步伐。在这个漫长和缓慢的斗争过程中,经过反复尝试和失败之后,不同的地区找到了不同的防腐办法。有些甚至还造就了别样的美味,比如臭奶酪、烟熏三文鱼、萨拉米香肠、味增、果酱和榅桲酱等等。甚至斯堪的纳维亚的碱渍鱼或中国的皮蛋等胶状美食也广受欢迎。

这些腌制食品中的大多数保质期都非常长,而且携带方便。只不过,他们与新鲜时候的样子大相径庭:征服微生物所需的化学和物理变化不可避免地会改变食物的原始风味、口感和外观。但按需冷藏的出现,改变了这一切,颠覆了数千年的饮食历史。

最早的移动机械冷却装置由弗雷德里克·麦金莱·琼斯(Frederick McKinley Jones)在于1939年申请专利。琼斯也是第一位获得美国国家技术勋章的非裔美国人。和迪尔曼一样,琼斯高中辍学,之后自学成才。在他发明冷却装置之前,易腐烂食物(如肉类、奶制品和农产品)必须埋在人工堆放的厚冰块下面,才能运输。在二十世纪初,一列装满加州哈密瓜准备运往纽约市的列车,还需要配10500磅冰块,然后一路上还要加好多次新鲜冰块,每次大概7500磅。即便如此,到货后,哈密瓜还是坏掉不少。事实上,促使琼斯由此发明的契机是,他老板的一个高尔夫球友,损失了一整车的生鸡肉。当运输卡车坏在半路,用来保鲜的冰块全部融化掉之后,鸡肉也付之东流。

二战期间,国防部迅速使用琼斯的柴油装置——“Thermo King”,为部队提供从血浆到冰镇可乐等各种物品。在这之后的数年里,冷藏卡车迅速改变美国的饮食格局。国家分销网络取代区域分销网络。屠宰场和加工厂越造越大,选址越来越偏,肉类价格也相应下降,成为日常必需食品。农业则集中在某一作物种植效率最高的地区,于是如今美国有一半的水果和蔬菜产自加州。

事实上,如今在美国,餐桌上四分之三的食物都在经过冷藏加工、包装、运输、存储和销售的。这就是为什么存储在大型果汁库的橙汁,全年喝起来都有股苏打水的味道;为什么番茄的基因改良是为了最大化抗寒能力而不是改善风味,以至于番茄吃起来都不像番茄。冷藏让我们身强体壮;改变了我们肠道微生物的组成;重新定义我们的厨房、港口和城市;也重新配置了全球经济和政治。2012年,也就是在皇家学会表彰迪尔曼和他发明的发动机前六年,该学会的杰出成员表示,制冷是食品和饮料史上最重要的发明——比刀具、烤箱、犁,甚至几千年来为我们带来牲畜、水果和蔬菜的选择性育种等等,都更重要。

但是,在冷链系统的不断扩张,给全世界送来永久人工冬季的同时,它也给维持地球气候系统的自然冰冻圈、冰川和冰山以及冻土层带来严重破坏。制冷已经占据人类用电量的六分之一。并且,随着印度等国忙着打造自己的美式系统,未来制冷需求有增无减。据分析师预测,未来七年,全球制冷市场规模将翻两番。

传统制冷,意味着制冷越多,释放的热量也越多。而且,除了难以控制的电力消耗之外,制冷剂泄漏也是一个问题。这些化学物质一旦释放到空气中,便会导致气候变化。最新的家用冰箱每年损失的制冷剂不到1%,然而商用冰库的制冷剂泄漏高达35%。不同的系统采用不同的制冷剂,有些制冷剂(如氨水)对气候的影响可以忽略不计。但其他制冷剂,如氢氟碳化物,因其制暖效应更甚于二氧化碳,而被视为“超级”温室气体。

虽然根据2016年签署的全球协议,氢氟碳化物已经逐步淘汰,但在发展中国家,他们的使用量仍在增长。因此,环保主义者保罗·霍肯(Paul Hawken)发起的一项旨在缓解气候变化的项目“Project Drawdown”将制冷剂管理列为唯一最有效的全球变暖解决方案。

那如果我们什么都不做呢?如果什么都不做,那么突然之间,美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAR)的口号不再是一种承诺,更像是一种威胁:“用今天的举动,改变明天的环境。”继续使用现有的技术为地球上的90亿人口保存粮食,终将以最灾难性的方式兑现这一承诺。然而,自从81年前琼斯为“Thermo King”申请专利以来,冷链领域鲜有显著创新——直到彼得·迪尔曼的出现。

迪尔曼制冷机,未来新希望?

去年,有那么一阵子,液态空气发动机似乎仍旧难逃厄运。虽然迪尔曼的装置运行良好,但公司投资资金告罄,几乎无法支付费用。等到12月初,公司已经进入破产接管程序。幸运的是,公司没有破产:今年1月份,丹佛的一位天使投资人托马斯·凯勒(Thomas Keller)突然出现,为公司纾困。

凯勒说,公司的问题对技术创业公司来说,十分常见。“迪尔曼拥有太多机会——他们的技术可以用在很多方面——以至于公司朝着太多不同的方向前进,进而浪费资源,”凯勒说。现在,他的方案是精简。他打算把精力集中于完成下一代发动机。他说:“联合利华的卡车兴许今年就可以用上这台发动机。”

但是,谈到未来的挑战,凯勒也吃不准。公司一方面需要扩大制造业务,这本身已经是一大困难。另一方面,公司还需要聘请销售人员,成立维护团队,并为零部件开发供应链。要完成这些事情,公司要么获得足够巨额融资,以从零开始打造基础设施,要么与竞争对手合作——比如,传统的冷藏物流公司——以借助他们的现有网络。“说实话,我们是有压力的,”凯勒承认道。

目前就职于伯明翰大学的托比·彼得斯依然看好迪尔曼公司,相信公司可以渡过近期的财务障碍。但他也指出,即便全球所有的300万辆冷藏运输卡车都装上迪尔曼的发动机,也不足以从制冷带来的灾难性气候影响中拯救世界。“在接下来的三十年里,即使我们可以每秒部署13到18台制冷设备,我们仍无法满足所有人的制冷需求,”彼得斯说。此外,他又补充说:“我们也没办法绿色化那么多的用电量。”举个例子:在2017年和2018年,发展中国家新装室内空调设备的总能源需求超过了全球的太阳能发电总量。

好在,解决化石燃料冰箱问题的办法并不局限于制造更好的冰箱。我们还有其他的方法可以保存食物,有些方法新颖,有些古老。在加州圣芭芭拉,一家名为Apeel的公司设计出一种高科技可食用涂料,可以减缓水果和蔬菜的新陈代谢,从而减缓它们的腐烂速度。这种可食用涂料由牛油果果核中提取的蜡质物质制成,可以像冰箱一样延长食品的保质期,同时保留更多的营养和风味。巴氏杀菌牛奶也是美国浪费最多的食物之一。最近,在澳大利亚,工程师们最近提出一种新的方法,用来替代牛奶的巴氏杀菌处理方式。通过使用高压处理(每平方英尺施加约75000磅的压力,形象一点地说,就是在一角硬币上堆六头大象),他们可以让牛奶的保鲜期延长三倍,同时保持原有风味。荷兰设计师弗洛里斯·施恩德比克(Floris Schoonderbeek),受到传统根窖的启发,最近设计了一台“地冰箱”(Groundfridge),即可以埋在自家后院地底下的天然冷却舱,容量是普通冰箱的20倍。在日本最北端的北海道,农产品仓库利用冬季的积雪来保持低温。东京的厨师说,该地区产的大米、芦笋和牛肉的味道,比用冰箱冷藏的那些,味道更鲜美。

所有这些解决方案都是对机械冷藏的改进,不仅体现在气候影响方面,也体现在食物的品质和安全性方面。然而,所有这些方法都不具备通用性。意思就是,可以在室温下保持蓝莓新鲜多汁一个月的涂层,无法用来保鲜牛奶;利用积雪冷藏肉制品的绝妙创意,在北海道可行,圣塔芭芭拉却无法实现;城市居民也没有后院可以埋下大型地冰箱。但是传统的冷却方法,几乎不存在任何使用阻碍。但是这些替代方法,它们的可行性就得“看情况”了。

而这种“看情况”显然不是我们想要的答案。相比那些只能应用于局部或视情况而定的解决方案,一应万全的解决方案确实让人感到宽心。从某种层面上来说,机械制冷之所以成为问题的唯一原因在于它是解决食物变质的最佳答案。一旦我们拥有了机械制冷这个解决方案,一切问题都不成问题。这样的支配趋势——你也可以称其为技术壁垒、确认偏误或便利——是可以理解的,但也值得我们反抗一下。鉴于这种单一解决方案的思维会让我们陷入困境,对于未来的解决方案,我们势必应当避免重蹈覆辙。

除非彼得·迪尔曼可以制造一辆可以穿越时空的Nova汽车,此时此刻想要改变整个世界的制冷习惯可能为时已晚。但我们的蓝莓、鸡蛋、牛奶和萝卜或许可以——至少从农村到餐桌这段旅途中——不再依赖冰箱。与此同时,我们应该努力确保,在全球尚未受冷链约束的地区,食品保存可以有更多的选择方案。我们不能——也不应该——完全摒弃传统制冷,但传统制冷也不会是我们用来阻止食品变质的唯一武器。

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关键词:冰箱制冷

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