全球每天大約有超過800萬人乘坐飛機(jī)出行，而且這一數(shù)字還在不斷增長。
有數(shù)據(jù)表明，航空業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量占人類總排放量的約2%。這一比例看上去似乎不大——發(fā)電和供暖的占比超過40%，但不可否認(rèn)的是，航空業(yè)是世界上溫室氣體排放量增長速度最快的領(lǐng)域之一。
未來20年，航空旅行的需求預(yù)計(jì)將翻一番。為此，航空公司不僅面臨著減少碳排放的壓力，而且很容易受到全球油價(jià)波動的影響。這些挑戰(zhàn)不可避免地激發(fā)了航空業(yè)對航空生物燃料的強(qiáng)烈渴望。
航空生物燃料是通過多種化學(xué)和生物途徑后，由各種植物材料生產(chǎn)獲得的，其包括油料作物、蔗糖作物、淀粉植物和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。不過，想要開發(fā)出可靠的航空生物燃料絕非易事，其性能必須要達(dá)到航空燃油的標(biāo)準(zhǔn)，才能被全球商業(yè)航空公司所使用。
首先，必須要保證這種燃油不含氧氣成分，因?yàn)檠鯕獾拇嬖跁䴗p低燃料的能量密度。由于飛機(jī)上空間極其有限，因此航空燃料必須具有盡可能高的能量密度。其次，這種燃料的沸點(diǎn)分布也必須符合要求。此外，潤滑指標(biāo)也是一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，它的使用不能對發(fā)動機(jī)部件造成額外磨損。最后，這種燃料還需具有非常低的傾點(diǎn)，只有這樣才能保證飛機(jī)在平流層高空飛行時(shí)，燃料仍然能夠保持流動的液態(tài)。
2008年，全球首架部分使用生物燃油（以巴西棕櫚果與椰子為原料）的商業(yè)航班從倫敦希斯羅國際機(jī)場起飛。在經(jīng)過飛機(jī)、發(fā)動機(jī)以及燃油生產(chǎn)商們漫長的審查后，這種生物燃油終于在2011年獲得準(zhǔn)許，進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
近十年來，不少航空公司陸續(xù)進(jìn)行了航空生物燃料的試驗(yàn)飛行，然而由于各國情況不同，其所使用的生物燃料煉制原料也不盡相同。比如中國使用的生物燃料是從小桐子（麻風(fēng)樹）中提煉的，而美聯(lián)航則采用由海藻油提煉而成的生物燃料。
如今，來自美國伊利諾伊大學(xué)的科研人員另辟蹊徑，正在嘗試改造世界上產(chǎn)量最高的作物——甘蔗，將其轉(zhuǎn)化為航空生物燃油。在最近的一項(xiàng)研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)這種經(jīng)過改造的甘蔗可以在每英畝土地上產(chǎn)生2500升的生物燃料。
簡單地說，這就意味著一架波音747飛機(jī)可以用54英畝土地上生產(chǎn)的航空生物燃料飛行長達(dá)10個(gè)小時(shí)。而與其他兩種制造生物燃料的植物——大豆和麻風(fēng)樹相比，甘蔗單位面積產(chǎn)生的航空燃料分別約為它們的15倍和13倍。
“兩用”甘蔗
從富含石油的原料（如亞麻薺屬和藻類）中提取的航空生物燃料已經(jīng)成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。作為全球最大的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展機(jī)構(gòu)之一——美國材料與試驗(yàn)協(xié)會也批準(zhǔn)了一種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業(yè)和軍用飛行。
然而，即使經(jīng)過有效的研究和商業(yè)化努力，目前航空生物燃料的產(chǎn)量還是非常小。在更大的規(guī)模上生產(chǎn)這些產(chǎn)品則需要進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)和豐富的低成本原料。
甘蔗是一種眾所周知的生物燃料來源。幾十年來，巴西一直通過發(fā)酵甘蔗汁來制造酒精燃料。只要擠出甘蔗汁，混合酒精一起發(fā)酵，再將其蒸餾到理想的濃度，就能生產(chǎn)出巴西最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的燃料——乙醇。
由于甘蔗乙醇具有清潔、易生產(chǎn)和低碳等特點(diǎn)，這使它成為車用可再生燃料的很好選擇。不僅如此，與使用化石燃料相比，使用從甘蔗中提取的乙醇作為燃料，可減少12%的溫室氣體排放量。
科研人員們非常想知道，是否可以通過增加植物的天然油類含量，再利用其生產(chǎn)生物柴油，從而獲得更大的環(huán)境效益。因?yàn)榕c化石燃料相比，使用生物柴油能減少41%的溫室氣體排放量。
然而，當(dāng)科研人員第一次提議用甘蔗生產(chǎn)更多的油類時(shí)，一些同行認(rèn)為這種想法太過瘋狂。因?yàn)楦收嶂参飪H含有0.05%的油類，這對于用來轉(zhuǎn)化為生物柴油來說實(shí)在是太少了。許多植物學(xué)家認(rèn)為，將油類含量增加到1%對植物來說是有毒的，但是科研人員的計(jì)算機(jī)模型預(yù)測顯示，可以將油類含量提高到20%。
在美國能源部高級研究計(jì)劃署的支持下，自2012年開始，伊利諾伊大學(xué)的科研人員就利用遺傳工程的方法增加甘蔗中油類和脂肪酸的含量，如今經(jīng)過改造的甘蔗葉已實(shí)現(xiàn)了12%的油類含量。
現(xiàn)在，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型，研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)20%的油類含量，并把油類含量累積的目標(biāo)鎖定在植物的莖上，因?yàn)榍o比葉子更容易獲取油類。初步研究表明，即使改造后的甘蔗能產(chǎn)生更多的油類含量，但它們?nèi)匀桓缓欠�，所以科研人員將這些改造后的植物稱為“甘蔗脂”。
甘蔗脂衍生品
在伊利諾伊大學(xué)教授、科研小組組長Stephen Long看來，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轉(zhuǎn)換成生物柴油，但大豆卻不具有足夠的生產(chǎn)能力，來滿足一個(gè)國家可再生燃料的需求。因此開發(fā)更多的產(chǎn)油植物成為該科研小組利用遺傳工程方法改造甘蔗的初衷。
對于農(nóng)民和環(huán)境來說，甘蔗脂有很多優(yōu)勢。據(jù)科研人員計(jì)算，含有20%油類的增長性甘蔗脂，每英畝的利潤是大豆的5倍，而大豆是目前美國生產(chǎn)生物柴油的主要原料。同時(shí)，每英畝甘蔗脂的利潤還是玉米的2倍。
為了可持續(xù)發(fā)展，航空生物燃料必須是經(jīng)濟(jì)可行的，而且原料需要具有高產(chǎn)量，且使用更少的可用耕地。據(jù)估計(jì)，與大豆相比，每英畝含有5%油類含量的甘蔗脂能生產(chǎn)出4倍多的航空燃料；而每英畝擁有20%油類含量的甘蔗脂則可以生產(chǎn)15倍以上的航空燃料。
不僅如此，甘蔗脂還能帶來其他的能源效益。榨汁后剩下的甘蔗渣，可以燃燒產(chǎn)生蒸汽和電力，從而為生物煉油廠提供動力；剩余的電力可以反向賣給電網(wǎng)，從而取代由化石燃料產(chǎn)生的電力。
潛在的能源作物
除了在油類含量上做文章，科研人員也在耐寒性上下功夫。他們正在改造設(shè)計(jì)更為耐寒的甘蔗，以使甘蔗的種植范圍更為廣泛，特別是在美國東南部尚未充分利用的土地上。
如果可以把美國東南部2300萬英畝的土地全都種植上含有20%油類含量的甘蔗脂，那么估計(jì)將能滿足美國航空燃料需求量的65%。以目前的價(jià)格計(jì)算，這種燃料每加侖將花費(fèi)航空公司5.31美元，遠(yuǎn)比用海藻或其他油料作物生產(chǎn)航空生物燃料的成本要低。
當(dāng)然，在巴西和其他熱帶地區(qū)同樣可以種植甘蔗脂。正如最近刊登在《自然氣候變化》雜志上的新研究顯示的那樣，在巴西擴(kuò)大甘蔗或甘蔗脂生產(chǎn)，可以減少全球5.6%的二氧化碳排放量，而且還可以在不影響巴西政府指定的對環(huán)境敏感地區(qū)（如熱帶雨林）的情況下實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)然，科研人員的研究還不僅于此，還包括對植物進(jìn)行基因工程改造，使其能更有效地進(jìn)行光合作用，從而獲得更好的生長。在美國《科學(xué)》雜志2016年的一篇文章中，該科研小組通過與其他機(jī)構(gòu)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試驗(yàn)也表明，科研人員已經(jīng)將甘蔗的光合效率提高了20%，而且在涼爽的條件下光合效率還提高了近70%。
“我們的目標(biāo)就是使甘蔗產(chǎn)生更多的油量，通過更多的光合效率來提高產(chǎn)量，并使其更加抗寒。”Long表示。
現(xiàn)在，為了實(shí)現(xiàn)每英畝土地能產(chǎn)生更多的油類含量，該科研團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一種更高產(chǎn)量的甘蔗品種，這將為航空生物燃料的大批量生產(chǎn)開辟一條全新的道路。■