去年夏天，英国一千多名环保人士在希思罗机场的“气候营”举行了为期一周的抗议活动，约有 70 人被捕。他们的直接目的是阻止希思罗机场的扩建计划，但这次抗议活动突显了欧洲日益增长的一项抱怨——全球变暖灾难的加速不仅是由燃煤电厂和 SUV 造成的，还包括商业喷气式飞机的数量不断增加。现在，各国政府开始倾听。11 月，欧洲议会投票决定将飞入或飞出欧洲的航空公司纳入其碳交易体系，迫使它们到 2011 年将碳排放量减少 10%，否则就必须在公开市场上购买碳信用额。随后，在 12 月，抗议活动跨越大西洋：加利福尼亚州与其他四个州和纽约市一起，向美国环保署提交请愿书，要求监管航空公司的碳排放。“我们希望环保署摆脱困境，”加利福尼亚州总检察长杰里·布朗在宣布请愿书的新闻发布会上说道。
尽管航空业声称其仅占全球二氧化碳排放量的 2%，但它是增长最快的碳排放污染源之一。美国联邦航空管理局预测，在 10 年内，旅客数量将翻一番，到 2025 年可能翻两番。2004 年，航空客运量增长了 14%，这是过去二十五年来的最高增长率。所有这些额外的空中里程都转化为更多的航空燃料，而每磅航空燃料都会向平流层释放三磅碳。
汽车行业已经为即将到来的监管做好了准备，计划通过混合动力技术和替代燃料来减少其碳足迹。但是，降低巨型喷气式飞机的排放量比在油箱后面加装电动机要复杂得多。航空公司认为，高昂的石油价格已经迫使它们尽可能少地燃烧燃料。然而，这种辩护可能无法阻止未来的监管。因此，航空公司正试图通过工程技术实现低碳的未来。
燃料问题
与航空公司的碳排放作斗争中最引人注目的倡导者，反而是矛盾地，是一位亿万富翁航空公司老板。维珍航空集团董事长理查德·布兰森承诺在未来十年内将他旗下的火车和航空公司获得的全部利润——估计为 30 亿美元——用于对抗全球变暖。该计划的第一步是维珍绿色基金，一家风险投资公司，投资于替代能源公司。
维珍航空还与波音公司合作研发生物燃料，生物燃料的净碳排放量较低，因为它们所用的作物在生长过程中会消耗碳。这两家公司以及发动机制造商通用电气，已计划在今年早些时候进行一次演示飞行，据波音公司能源和排放技术负责人戴夫·达格特说，这次飞行将“推动生物燃料向前发展，并驳斥反对者”。用于演示的波音 747 将在其四个发动机中的一个使用 20% 生物燃料与传统航空燃料的混合物。该计划的十年目标是实现高达 50% 的生物柴油混合燃料飞行。
一架飞机完全使用 100% 生物柴油飞行是可能的。绿色飞行国际公司和生物柴油解决方案公司在去年 10 月证明了这一点，他们驾驶一架 1968 年产的捷克斯洛伐克德尔芬 L-29 喷气机，使用用炸薯条油制成的纯生物柴油飞行。这架喷气机在内华达州高沙漠上空飞到了 17,000 英尺的高度，大约是现代民航客机的巡航高度的一半。绿色飞行国际公司计划在今年晚些时候尝试一次环球飞行。
然而，并非所有人都对这次飞行印象深刻。“我会把它归类为特技表演，”普惠公司工程高级副总裁保罗·亚当斯说。亚当斯指出，虽然喷气发动机可以几乎靠任何燃料飞行一次，但这并不意味着这些燃料是长期可行的。“在倾盆大雨中，燃料会保持燃烧吗？”亚当斯问道。“它会影响燃油泵、O 型圈吗？它在所有温度条件下都能工作吗？它与航空燃料的可靠性相同吗？”
而这正是生物燃料面临的主要障碍：它需要与根深蒂固的竞争对手 Jet A 燃料相抗衡。“任何可能的替代燃料都必须与 Jet A 进行比较，”马萨诸塞理工学院的研究工程师、总部设在 MIT 的航空运输噪声与排放减少伙伴关系（简称 Partner）组织成员詹姆斯·希尔曼说。半个世纪以来，这种煤油几乎是所有商用飞机的首选燃料。希尔曼列举了它的一些优点：“它易于处理。如果你不小心洒了，它不会着火。”它还有非常低的冰点——当你飞行在温度可能低至 -40 华氏度以下的高度时，这是你想要的。
但也许最重要的是，Jet A 每加仑的能量比其他燃料要多。这一点至关重要，因为燃料约占商用飞机重量的三分之一。能量密度高的燃料意味着飞机更轻，可以飞得更远，消耗更少的燃料，从而节省金钱。航空燃料也不占地方，可以储存在机翼中，而不是机舱内，为乘客和货物留出更多空间。
生物柴油在能量密度方面不是问题，它每加仑的能量几乎与 Jet A 相当。（乙醇是另一种广泛宣传的石油替代品，但未能通过这项测试：你需要大约 1.5 倍的乙醇才能提供与 Jet A 相同的能量。）
但生物柴油还有其他缺点。“它在大约与水相同的温度下就会结冰，”希尔曼指出，而当生物柴油结冰时，“它的稠度就像感恩节第二天晚上的肉汁。”波音和维珍希望通过生物柴油和 Jet A 的混合物来避免这个问题。这种混合燃料的碳减排能力不如纯生物柴油，但至少发动机不会在 40,000 英尺的高度熄火。
波音公司环境战略董事总经理比利·格洛弗解释说，航空业可以逐步从 Jet A 过渡到生物柴油混合物。“我们预计，在 10 年内，某些机场将提供这种（生物燃料）混合燃料，”他说。“当你飞到那个机场时，你将获得那种燃料。当你飞到另一个机场时，你可能会获得更传统的燃料。”
当然，全球航空业的未来不可能仅靠炸薯条油来支撑。我们仍然需要找到所有这些生物燃料的来源。波音公司已与新西兰航空和发动机制造商罗尔斯·罗伊斯公司合作，今年晚些时候将测试一种非传统来源的生物柴油在喷气发动机上的使用。一种选择是从藻类中生产这种生物柴油。但迄今为止，只生产了几加仑藻类燃料，达格特预计需要十年时间才能获得行业批准。希尔曼说：“如果你是一个孩子，你在想，‘好吧，我能做什么来拯救世界？’嗯，拯救世界的一种方法是找到新的、可增长的燃料来源。”
一种新的飞行方式
在我飞往西雅图研究波音公司进展的航班上，我下飞机时停下来问飞行员，是否改变飞行方式可以减少温室气体的排放。他纠正了我。“这不是关于温室气体，”他说。“这完全是关于燃料消耗。”从 2000 年到 2007 年，美国航空燃料的价格上涨了 115.6%，燃料成本已超过劳动力成本，成为航空业的首要运营成本。航空公司一直关注燃油成本，现在更是对其痴迷不已。航空公司可以减少这项费用的（并在此过程中减少温室气体排放）最近的途径是改变飞机的飞行方式。
空中拥堵和地面拥堵一样，都会损害燃油效率。“在好天气里，大多数飞机都能高效飞行，” Partner 项目主任伊恩·瓦茨说。“当出现拥堵或天气问题时，情况就会变得复杂。飞机需要盘旋，并且停在滑行队列中。”
为了缓解拥堵，航空业正在着手采用新的飞行模式。2003 年，国会成立了联合规划与发展办公室，该办公室正在建设一个全新的空中交通管制系统，称为 NextGen，是“下一代航空运输系统”的简称。这是一项耗资高达 220 亿美元的重大改革。
该项目的一部分旨在更有效地降落飞机。现在，为了保持彼此之间的安全距离，飞机在降落时通常会反复加速和减速，分阶段下降，浪费燃油。但是，复杂的计算机模型正在开发中，它们将仔细地控制飞机降落的节奏，让每架飞机几乎以怠速滑翔而下，这个过程被称为连续下降进近。在飞行模拟器中，这种方法每次降落洛杉矶机场时平均节省了 100 加仑燃油。
另一项 NextGen 举措是放弃基于第二次世界大战技术的国家雷达系统，取而代之的是一种名为 ADS-B（自动相关监视广播）的基于 GPS 的系统。ADS-B 被誉为 NextGen 的“骨干”，可以精确绘制飞机的经度、纬度、高度和速度。结果将是更有效地间隔的飞机，以更快的速度飞往更直接的航线。这也节省了燃油。2005 年，NextGen 将飞机巡航高度的强制垂直间隔从 2,000 英尺减少到 1,000 英尺，这一变化通过允许更多飞机在高 altitude 飞行并避开风来节省燃油。该调整还开辟了更多的空中通道，将空域容量提高了高达 85%。
但 NextGen 的目的是提高容量，而不是减少排放。尽管每次航班的燃油消耗可能会减少，但交通量的增长将大大抵消这些节省。“（该计划）的重点是开发空中交通系统，以实现到 2025 年的航班数量翻倍，” FAA 环境与能源办公室主任卡尔·伯勒森告诉我。“如今在美国，阻碍这种增长的问题是当地的空气质量和噪音。温室气体排放一直都不是一个限制因素。”
轻型选项
波音公司在华盛顿州埃弗里特（西雅图以北）的机库是世界上最大的建筑。它里面停放的一架飞机是多年来最受赞誉的商用喷气机——787 梦想飞机，它被宣传为一架“绿色”喷气机。但这架飞机仍然被封闭——不允许参观——所以我被带到了波音公司环境与认证总监杰夫·霍克的办公室，他自 2002 年以来一直参与 787 的项目。他说，在梦想飞机之前，波音公司曾计划建造一架更快的飞机。他拿出一个偏白色的原始设计模型——音速巡航机，看起来像协和飞机的表亲。音速巡航机线条流畅，如梭鱼般，速度将接近音速。
“跨大西洋航班可以节省一到两个小时，”霍克说。“它的速度快了 20%，但燃料消耗却是一样的。”当航空业在 2001 年“9·11”袭击事件的冲击下措手不及时，该设计概念就瓦解了。乘客避开天空，航空业在短短三年内损失了 250 亿美元。与此同时，燃油价格不断上涨，燃油效率成为重中之重。波音公司决定将用于建造更快的飞机的技术转移到建造更省油的飞机上。为音速巡航机设计的复合材料——碳纤维增强塑料，重量是铝的 70%——被用于 787。
工程师们从飞机的经典造型中榨取了尽可能多的效率。他们创造了更长、更薄的机翼来产生更大的升力和更小的阻力。飞机的某一部分变得更省油，下一部分也随之变得更省油。“如果你有一架低阻力飞机，你就可以使用更高效的发动机，”霍克解释说。“那台功率较低的发动机更小。它也更轻。更小的发动机意味着更小的阻力。我们不是快了 20%，而是省油了 20%。”这种效率是一个主要的卖点。波音公司已预售了 738 架飞机给 51 位客户，使其成为公司历史上最成功的商用喷气式飞机发布。波音公司表示，这对全球变暖也有好处，因为减少 20% 的燃料消耗相当于减少 20% 的温室气体排放。
这听起来令人鼓舞。但 787 将只逐步取代其他飞机——霍克估计波音公司每年将售出约 100 架。他还承认一个更根本的问题，即大多数喷气式飞机在新飞机被购买时不会被报废，而是像二手车一样被出售。“你不能随便扔掉一架 5000 万美元的飞机。”
成长的烦恼
而这正是温室气体问题的核心：增长。空中客车公司（波音公司唯一的强大竞争对手）的全球市场预测显示，到 2025 年，投入使用的客机数量将从 2005 年底的 12,676 架增加到 27,307 架，翻一番还多。根据航空交通量的增加，美国联邦航空管理局估计，到那时，美国飞机温室气体排放量将增加 60%。（这可能不是最糟糕的部分。最近的研究表明，飞机凝结水蒸气可能对全球变暖的影响是尾气中的二氧化碳的 3 到 4 倍。）额外的需求意味着目前在役的飞机中只有 4,500 架（约三分之一）将被淘汰；其余 8,200 架将继续在役或改装成货机。即使是生物柴油混合燃料，虽然似乎至少还需要十年才能问世，也可能不足以减缓排放量的增加。
然而，鉴于航空旅行对全球经济的影响与它对全球变暖的影响一样大，很少有人呼吁对这种增长进行严格限制。因此，技术将在未来几年内实现巨大的飞跃，否则天空将变得不友好。
混合翼飞机发生了什么？
在位于华盛顿州埃弗里特，靠近波音公司机库的飞行未来博物馆，我与波音公司环境性能总监珍妮·玉（Jeanne Yu）讨论了可能减少温室气体排放的激进飞机设计。最经典的例子是波音公司的 X-48B 混合翼项目，它将整个飞机变成了一个巨大的机翼点击此处查看图集。该设计减少了阻力并增强了升力，MIT 和剑桥大学 Partner 团队在 2006 年的一项研究表明，该设计将提高燃油效率 23%。然而，波音公司对混合翼机身没有任何商业计划；它仅为军事用途开发这种飞行器。
我问原因，在玉回答之前，另一位博物馆参观者——一位在梦想飞机发动机制造商罗尔斯·罗伊斯公司工作的英国人——转过身来说：“混合翼设计的最大问题是没人能看到窗外。”玉表示同意。这些设计将乘客安置在一个看起来像小圆形剧场的地方。航空旅客希望能够看到窗外并方便地进出出口。“这是人类本能的一部分，”玉说。“我们需要知道我们在哪里，并看到我们在哪里。”
她认为温室气体减排将来自于她称之为“触手可及的成果”的设计改进——例如，为现有飞机改装更轻的起落架或翼尖。至于其他激进的概念，波音公司工程师“仍然没有发现比这个平台更好的东西，”她说，一边指着附近的一架梦想飞机。但这并不意味着他们会停止寻找。“我们相信， there are answers out there we don’t know about.”
丹尼斯·加菲（Dennis Gaffney）是一位常驻纽约州奥尔巴尼的自由撰稿人。这是他为《大众科学》撰写的第一个故事。
