江飛宇Science》德國「氫燃料無壓縮渦輪機」 可望爲航空綠能鋪路

美國奇異電氣的LM2500燃氣渦輪發動機，中間的壓縮機是多種風扇組合成功，構造非常複雜。(圖/GE Aerospace)

德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的研究人員，近期成功製造了一臺無壓縮燃氣渦輪機（compressorless gas turbine），其連續運轉時間達到 303 秒，創下新紀錄。此前紀錄由美國國家航空暨太空總署（NASA）保持，運轉時間爲 250 秒，本次突破幾乎比舊紀錄長 約 1 分鐘。這是個具有里程碑意義的發明，有潛力成爲未來的環保引擎。

有趣的工程(Interesting Engineering)報導，在應對氣候變遷的過程中，取代化石燃料是關鍵課題。燃燒含碳化石燃料會向大氣排放更多碳，加劇全球暖化。雖然太陽能與風力發電可以提供電力，但功率仍不足，無法支援長途海運或航空運輸所需的高功率推進。

一個明顯的事實是，螺旋槳飛機可使用電動馬達替代燃油引擎，形成電動飛機；然而高速噴射機因功率需求過高，短期內難以實現全電動化。

因此，科學家積極開發替代燃料，以降低渦輪與噴射引擎的碳排放。目前的方案包括利用零碳電力合成的航空燃料，或通過永續方式製造的氫氣。然而，傳統渦輪引擎結構複雜，許多機械功率被內部壓縮機消耗，導致整體能量轉換效率不高。

傳統燃氣渦輪依循布雷頓循環（Brayton cycle）運作，分成四個步驟：1.壓縮機進行絕熱壓縮、2.燃燒室進行等壓燃燒、3.渦輪進行絕熱膨脹作功、4.排氣釋放剩餘能量。

簡單來說，中間有一系列的壓縮空氣過程，再噴入燃料，使高壓高溫空氣與燃料一起混合燃燒，產生的高溫氣體再向後排出。然而，空氣壓縮過程會消耗大量機械功率。

德國卡爾斯魯厄理工學院熱能技術與安全研究所（ITES）所長 巴魯提（Daniel Banuti） 表示：「傳統燃氣渦輪，例如飛機機翼下的引擎，大約會消耗其 50% 的機械輸出功率，用來壓縮空氣至高效燃燒所需的高壓；這部分功率因此無法對外輸出。」

爲解決功率消耗問題，科學家正尋找不需要壓縮空氣的替代方案。壓力增益燃燒（Pressure Gain Combustion, PGC）就是一種利用燃燒室內爆震波，直接產生高壓的方法。由於系統不依賴機械壓縮機，活動零件更少，整體能量轉換效率更高。

在先前測試中，由於擔心燃燒室熔化，運轉不到一秒鐘。而在最新實驗中，研究人員成功讓引擎連續運轉 303 秒（約 5 分鐘），這創下新紀錄。在理論上，該引擎也可使用各種燃料，但實驗團隊堅持使用氫氣，因爲它反應迅速、壓力升高穩定，且可由可再生能源生產，達到零碳排放，具長期永續性。

研究人員指出：「這是氫能廣泛應用的關鍵一步，有可能成爲未來航空引擎與燃氣渦輪的發展方向。」

目前研究結果已發表於論文，研究團隊計劃於 今年 4 月 20 至 24 日，在漢諾威工業博覽會展示這臺無壓縮機燃氣渦輪機。