在讨论能源系统方案之前,我们先再回顾一下关于"安培飞车"的推进原理,其实就是磁流体推进器(Magnetohydrodynamic Drive,MHD)的一个衍生变种。所不同的是船用MHD是以海水作为工作介质,而"安培飞车"用的是特定条件下的激光等离子通道工质。船用MHD利用了海水的导电性,通过在船体下通道内构建一个磁场,这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用,使之在通道内运动,若运动方向指向船艉,则反作用力便会推动船舶前进。
目前MHD与超导技术相结合是这一领域的发展趋势,国内很多相关科研单位都在进行超导电磁流体推进技术和实用化研究。 其中,中科院电工所研制的螺管超导磁体系统,磁场强度5特斯拉,室温孔径0.2米,外径0.65米,总长1.1米,总重494公斤,液氦贮量66升,一次充满液氦能连续运行6昼夜。船用MHD技术用以下这个原理图就很好理解了:
万物本源皆能量,无论是船用MHD还是 "安培飞车",能量都来源于电力,那么如何来设计这个能源系统呢?目前有两个基本思路,第一是:实时发电提供电力,第二就是:高效的储能电池技术。我们先来分析第一种方式:实时发电,就是需要在飞行器上安装发电机,这里有一些约束条件,首先受制与空间和重量,这样的发电机必须满足几个条件:体积小,重量轻,无噪音或者微小噪音,发电效率高(至少要超过60%以上),当然传统的蒸汽,汽油,柴油发电机系统并不是这里的选择,涡喷发电机效率不错,但也不适用。
综合限制条件和转换效率考虑,实时发电技术最适合的方案就是氢氧燃料电池。准确的说燃料电池不是真正意义上的电池,而是发电机,是一种实时发电装置。燃料电池转换效率一般在45%-70%左右,具有体积小,重量轻,工作无噪音等特点。只要提供氢和氧就能工作,排放为纯净水,水既可以回收利用又可以实现工作循环,无论是大气环境还是太空飞船(阿波罗号系列飞船上都有应用)环境都适用。以下是常温质子交换膜氢氧燃料电池的结构图:
质子交换膜氢氧燃料电池的原理是:以氢气作燃料,氧气作氧化剂,工作时向氢电极供应氢气,同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下,产生电力和水。以下是云内动力公司车用氢氧燃料电池发电机,体积与一台常规轿车发动机大小差不多,重量230kg,输出40KW功率。
现在我们再来分析第二种方式:高效的储能电池技术。传统的铅酸、锂电池不管是寿命还是能量密度都肯定指望不上了,先说寿命:铅酸电池寿命大约500次左右,磷酸铁锂电池2000次左右;再来看能量密度,目前实用化的商品锂电池要真正做到200wh/kg仍然是个目标。200wh/kg是个什么概念呢?简单来说就是1公斤的电池有效物质重量可以存储0.2度电。如果以这个标准用做"安培飞车"的电池肯定不行。要满足"安培飞车"的应用要求,电池能量密度至少要突破500wh/kg,寿命要长达1万次以上,充电时间最好控制在1小时以内。那怎么办呢?我们接下来讨论以下方案:
石墨烯和碳基材料新型电池或许是突破口石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。用石墨烯材料做的电池,具有充电速度快,体积小重量轻,能量密度高,寿命长的特点。
目前,中科院宁波材料所动力锂电池工程实验室团队联合浙江省石墨烯制造业创新中心研发团队大力推进铝燃料电池的工艺开发和工程样机研制,成功研制出能量密度高达545Wh/kg、容量达130kWh的石墨烯基铝燃料电池发电系统。伴随着石墨烯上游产业化以后,其成本会大幅度下降,所以利用石墨烯电池作为"安培飞车"的能源具备技术可行性。
除了石墨烯电池以外,笔者本人现正在一个研究院从事新型电池研究开发工作,我们正在开发一种碳纤维非金属电池,有望实现能量密度500Wh/kg,充电时间10分钟完成80%电量,充放电寿命达到2万次以上,从各个方面全面超越现在的锂电池性能。现已申请了多项发明专利,目前研发工作正在进行中,希望之后应用于"安培飞车"的能源系统。
反重力飞行器"安培飞车"是靠电力驱动的,所以电力能源设计是基础,综上分析来看:质子交换膜氢氧燃料电池,石墨烯电池,碳纤维电池都有可能成为备选能源方案。"安培飞车"是一项系统工程。涉及到材料科学,航空航天,导航系统,生命科学等等,能源系统只是其中的一部分,很多时候理论创新会指导技术的突破,反过来技术的突破又会促进科学理论的发展。各种学科相辅相成。不积跬步无以至千里,让我们从实践开始一步一步地实现吧。
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