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從炫技料理到可食用水球:食品科學中的晶球技術(下)

Sophia
・2019/08/10 ・2495字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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上一篇文章,我們介紹了在分子料理中被稱作晶球技術的「人工魚卵製造技術」,為了達到球化效果,各式膠體、乳化劑、安定劑與鹽類等食品添加物進入調理場中。身為主要添加物之一的「海藻酸鹽」凝膠與成膜的特性,可保留液體狀的中心,常應用於包裹或製作特色食品。接下來,就讓我們來揭曉這些技術在應用上有哪些變化吧!

哪些因素會影響晶球成品?

圖/pixabay

除了海藻酸鈉與鈣離子的濃度會影響產物,還有許多因素會影響晶球膠體成型的外觀、粒子強度,以及包覆性。

反應速率

各種鈣離子化合物與褐藻酸鈉溶液的反應速率不同,藉由使用不同種鈣離子化合物(如:氯化鈣,乳酸鈣與葡萄糖酸鈣)所造成反應速率的差異,可以製造適當厚薄與硬度的晶球膠膜。

溫度

高溫可以加快鈣鹽與海藻酸鈉的溶解速度,這時海藻酸鈉還不會與鈣離子產生反應,等到冷卻後反應生成「熱不可逆凝膠」,在高溫下依然能保持此物理型態。

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製作過程凝膠順序的差異

改變凝膠順序是另一種常見的手法,可以分成「基本球化」與「反轉球化」等兩大方向。

原圖參考資料 Tsai et al 2017
  1. 基本球化技術採用直接滲透,在食品(溶液,如果汁等)中加入海藻酸鈉,然後滴入含有鈣離子的溶液中。操作簡單,但成膠速度會受鈣離子擴散影響,長時間反應甚至會變成整顆球體凝膠,因此較適用於餐廳廚房快速製備上桌的分子料理。
  2. 「反轉球化技術」,利用食品本身含鈣的特性,或額外添加鈣的方式,滴入褐藻酸鈉溶液,讓周圍膠化形成膠膜,所形成的球殻厚度通常比基本球化的球殼再厚一點,較容易維持球形,但相對不脆且不易爆開,此方法可以預先製備球體,也能夠避免酸性、含酒精或本身含有大量鈣離子的液體無法適當溶解海藻酸鈉的問題。
  3. 「二次凝膠球化技術」,則是將反轉球化所形成的晶球,再放入鈣離子溶液中,形成更強的交聯反應,以提升膠膜穩定度,此種方法常用於保護與控制釋放機能性成分之晶球製作。

剪切力、流體方向與液滴形狀

在工廠大量製作時,為避免因生產速度過快,導致液滴無法呈現球狀,可利用控制剪切力,與控制流體方向等工程技術加以改善。綜合上述條件,再搭配射出力道與剪切刀片模具,就可以生成各式形狀與口感的海藻酸鈉凝膠,如:仿海藻脆絲、髮菜、素魚翅、素海蜇皮,以及仿魚子醬等多樣化食品。

除了料理,也來參一腳減塑行動

為了減少寶特瓶與塑膠的使用量所研發的 Ooho 可食用水球,也運用了晶球技術的原理。

每顆裝有 20-150ml 的水,包覆在雙層可食用膜中,雙層可食用膜的主要成分為氯化鈣及海藻酸鈉。為了盛裝較多水量,一開始會先將水冷凍後,沾附氯化鈣溶液,再與膠體溶液反應形成包覆膜,待解凍後,即可完成一個個方便攜帶,不用塑料包裝的水球了。其中,外層膜可防止汙染,食用方式可直接吞入,吸食裡面的水分,或是將外膜撥開後吞入。

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研發團隊目前與大型活動如博覽會,音樂祭,馬拉松等配合,減少寶特瓶與盛裝用的紙杯、塑膠杯的浪費;近期也應用於裝載果汁,醬料與雞尾酒等。雖然要完全替代塑膠包裝,還有許多像是保存期限、裝載量、在沒有額外包裝的情況下,是否堅固與方便攜帶,以及是否能夠大量運輸等問題尚待解決,但這只是個開端,期望未來能有更多的應用。

日益精進的微膠囊技術:除了褐藻酸鈉以外,還有……

除了上述所說的分子料理與食品外,這種凝膠特性在食品業還有更多發展空間。「微膠囊」可以當作一種微粒包裝技術,藉由不同的高分子聚合物當壁膜,包覆著固體、液體或氣體之核心材料。根據不同壁膜的厚度與性質,能夠改變溶解度與分散性、讓液體形式的食品可以轉變為固體、降低揮發性、保護機能活性、防止營養物質損失,以及增加吸收效率等功能,廣泛應用於醫學,食品,藥品與化妝品工業中。

食品中常見的壁膜材料除了褐藻酸鈉外,可依照材質特性分為:

  • 水溶性膠體:洋菜、紅藻膠、卡拉膠、三仙膠等
  • 纖維素衍生物:羧甲基纖維素
  • 蛋白質類:吉利丁、膠原蛋白等

有些微膠囊技術(如:微流道技術)雖然在實驗室或中間型工廠開發成功,卻因製造成本過高而難以在食品業界量產,不過在生醫藥領域仍有持續開發的優勢。目前多應用於製作固化香料、酸味劑、天然色素、營養劑、益生菌,與風味調味料等。

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分子料理與食品科學的相輔相成

圖/pixabay

分子美食學——用科學的方式,理解食材分子經過烹調的科學原理,運用所得的經驗和數據進行再創造,除去料理迷思,事半功倍做出的料理。

分子美食學最開始的發起者並非職業廚師,而是由化學家 Herve This 和物理學學者 Nicholas Kurti 所創立。雖然料理說白了,就是一連串的物理反應和化學作用,但是美好的飲食饗宴,卻來自料理者對於美味的執著。

在食品業,因為「假魚子」遭受抨擊的晶球技術,用於分子料理卻廣受歡迎,亞德里亞公開食譜的方式,或許也是另一種讓民眾接受度提高的原因之一。即使在科學家眼中,分子料理屬於食品科學的一部分,但往往食品工廠誕生的食品卻常止於製造出來而已,對於建立與消費者溝通的橋梁,與了解消費者需求這部分,不可否認,分子料理提供了更好的五感體驗,這也是食品科學可持續進步的新方向。

參考文獻

  • 黃玉鈴, 蔡豐富, 張修銘, 王文良, & 江伯源. (2012). 海藻酸-“鈣鹽”-微膠囊成型性及粒子品質比較. 農林學報, 61(2), 185-202.
  • 詹現璞, & 吳廣輝. (2011). 海藻酸鈉的特性及其在食品中的應用. 食品工程, 1(7).
  • Ahirrao, S. P., Gide, P. S., Shrivastav, B., & Sharma, P. (2014). Ionotropic gelation: a promising cross linking technique for hydrogels. Res Rev J Pharm Nanotechnol, 2, 1-6.
  • Fu, S., Thacker, A., Sperger, D. M., Boni, R. L., Buckner, I. S., Velankar, S., … & Block, L. H. (2011). Relevance of rheological properties of sodium alginate in solution to calcium alginate gel properties. Aaps Pharmscitech, 12(2), 453-460.
  • Lee, P., & Rogers, M. A. (2012). Effect of calcium source and exposure-time on basic caviar spherification using sodium alginate. International Journal of Gastronomy and Food Science, 1(2), 96-100.
  • Tsai, F. H., Chiang, P. Y., Kitamura, Y., Kokawa, M., & Islam, M. Z. (2017). Producing liquid-core hydrogel beads by reverse spherification: Effect of secondary gelation on physical properties and release characteristics. Food Hydrocolloids, 62, 140-148.
  • The Making of Sodium Alginate and Its Surprising Uses, Alginic Acid
  • Spherification
  • 利用微流道操控技術生成褐藻酸鈣微粒子作為奈米金載體之研究
  • Notpla
文章難易度
Sophia
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與許多食品人一樣誤打誤撞,只因為愛吃進入了這個領域,一腳踏入後發現這坑太大,不多拉些人進來那怎麼可以!

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環保從今天開始、從 i 開始,和家樂福一起減塑、減廢,愛地球!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/09/12 ・1851字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 文/陳彥諺

環保行動從源頭出發

說到「環保」,許多人第一時間想到的關鍵字就是「減塑」、「限塑」,在現代社會中,大量塑膠製品、塑膠袋充斥在生活中,而一次性使用的塑膠製品就是環保行動的最大敵人。不過,你知道嗎?發明塑膠袋的初衷,其實是為了拯救地球。
在塑膠袋發明以前,紙袋、布袋是主流的包裝用品。為了讓人們能有好看、方便、低成本的包裝材料運輸物品,1959 年,瑞典工程師斯坦・圖林發明了塑膠袋,其輕便、價格低廉、耐用、可重複使用,也可以取代紙袋以減少伐木量。

圖一、1959年,瑞典工程師斯坦・圖林發明了塑膠袋,其輕便、價格低廉、耐用、可重複使用,也可以取代紙袋以減少伐木量。

卻沒想到,這麼好用又便宜的塑膠袋問世後,在20 世紀末以前,紙袋、布袋幾乎被塑膠袋取代了,但是,人們並沒有如圖林發明當時所設想的,將耐用的塑膠袋重複利用,以減少地球負擔,反而衍生出單次使用後便丟棄的習慣,時至今日,塑膠垃圾更造成了嚴重的環境污染。

然而,地球是大家的,是每一個人的,也是家樂福所關心的。

家樂福十多年來,響應聯合國永續發展目標 SDGs,除了推行友善農業關懷土地,也以透明系列商品支持動物福利,2019 年,更設立影響力概念店,鼓勵消費者自備購物袋,同時把家中不需要的紙袋,帶到店中分享給需要的民眾,家樂福以具體行動響應 SDG 12 責任消費與生產,希望改變從 i 開始。

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圖二、家樂福響應 SDGs,改變從 i 開始

家樂福賣場實際響應環保行動

(A) 生活區:瓶身再生塑膠的環保洗護產品

日常生活中,洗澡洗髮使用的盥洗用品,是塑膠瓶罐的一大來源。家樂福攜手台鹽生技、台灣設計研究院、點睛設計,從原料到包裝,皆秉持著永續再生、環境友善、天然純淨的原則,推出Re系列永續商品。

Re代表減量(Reduce)、再利用(Reuse)、回收(Recycle),更代表著這項產品的永續再生(Power of Regeneration)。落實的行動包含,瓶身、瓶蓋採用 100% 再生塑料,運輸紙箱採用 FSC 森林環保紙箱等。

(B)食品區:可回收包裝減少食物浪費

食品的包裝,也是生活廢棄物的一大來源。家樂福除了停止使用保麗龍外,更在食品的包裝方法上,採用「貼體包裝」。

以往常見的食材包裝,是將食材放在保麗龍盒上,再以保鮮膜覆蓋,因為保鮮膜並無法完全密合食材本身,保鮮效果有限。而家樂福採用 APET/PE 材質的貼體包裝,結合抽真空原理與加熱技術,讓包材可以貼合食材,形成食材的第二層皮膚,減少與氧氣、微生物的接觸外,更能有效保存食材,減少食物浪費,同時減少保麗龍使用,一年可少用3百萬個保麗龍。

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(C) 收納區:減塑收納寶物,再生塑料一級棒

在收納部分,家樂福提供了消費者環保折疊購物袋的新選擇,樣式活潑可愛的環保折疊購物袋,材質為 RPET,是回收寶特瓶材質,每 2.8 個寶特瓶可做 1 個折疊購物袋,不只可供消費者重複使用,且產品本身便已達到循環利用。

另外,居家生活不可或缺的垃圾袋,家樂福也有新實踐!家樂福環保清潔袋,是回收家樂福或各通路的PE膠膜,經過工廠處理、回收篩選、製作成 100% 再生塑膠粒子後添加美國香氛除臭精油製袋,讓以往丟棄的回收膜,經過處理後有了新生命,而且不需添加新塑膠,就能製成接近新料等級的優質產品。

圖三、家樂福賣場的實際行動,以「再生塑膠」的回收再利用達成減塑目標

從今天開始、從 i 開始,和家樂福一起減塑、減廢,愛地球!

為了地球,家樂福不遺餘力。從友善農業、動物福利開始,再從減廢減塑著力。當家樂福自有品牌取消了飲料組裝的收縮膜包裝,策略從賣場及商品包裝減塑,每年約減少 340 噸塑膠,1067 噸的碳排。

塑膠產品的誕生初衷,是為了讓地球、讓人們的生活更好。雖然在過去的消費習慣下,對地球造成了嚴重影響,但是,要愛地球,永遠不嫌晚。從今天開始、從i開始,和家樂福一起減塑、減廢,愛地球吧。

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圖四、從 i 開始,和家樂福一起減塑、減廢,用消費發揮影響力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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塑膠汙染不能只靠回收解決!「全面減少塑膠生產」為何如此重要?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/05/13 ・2615字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/張凱婷

作者簡介
綠色和平減塑專案負責人。都市與社區規劃背景,從事環境倡議工作六年,致力支持全球與在地的永續與環境保護行動。

  • Take Home Message
    • 塑膠廢棄物的汙染愈加嚴重,特別是一次性塑膠包裝。據統計,2040 年全球塑膠廢棄物將會累積至6.46 億公噸。
    • 分析報告指出「源頭控制、減量」比「回收」或「替代材質」更適合作為塑膠汙染的解決方案。
    • 正進行談判協商的全球塑膠公約須以零廢棄為原則限制生產與使用,優先淘汰一次性塑膠,以終結塑膠汙染世代。

自人類開始使用各種形態、材質的塑膠,只花了不到一個世紀的時間,就讓塑膠汙染成為全球性、最緊急的環境挑戰之一,影響著我們的健康、自然生態及氣候。

即使全球統一的回收標誌已運行了 40 年之久,但所有被產生出來的塑膠垃圾只有 9% 進入回收利用。塑膠廢棄物的末端處理成效令人沮喪,但塑膠用量仍年年升高。根據統計,全球自 1950 年代至今已累積製造了 83 億噸的塑膠,2021 年的塑膠產量更已達到 3.9 億公噸,與半個世紀前 1964 年的 1500 萬噸相比,相差了 20 倍。

根據世界經濟論壇(World Economic Forum,WEF)估計,一次性塑膠包裝占所有塑膠產量的 40%,為塑膠產業的最大宗,相當於每年有 1.61 億噸的塑膠包裝在市面上僅用一次就被丟棄。塑膠包裝也因此成為海洋及全球淨灘統計中最大量的垃圾。

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塑膠演變成環境汙染的原因在於它幾乎無法完全被分解,而且會隨著陽光長期照射,脆化、分解、破碎成更小的碎片或顆粒,形成塑膠微粒。由於塑膠微粒的尺寸小、重量輕,透過大氣可以使它的傳播距離更遙遠,不僅漂浮在我們呼吸的空氣中,甚至可以進入並積聚在我們的器官、組織、血液中。

單靠回收無法解決問題 「減量、控制」才是最具吸引力的解決方案

皮尤慈善信托基金會(The Pew Charitable Trusts)2020 年出版的海洋塑膠分析報告書——《打破塑膠浪潮》(Breaking the Plastic Wave)指出,全球塑膠汙染的情形會愈來愈嚴重,若沒有系統性的轉變,到了 2040 年全球每年產生的塑膠廢棄物將會倍增,累積在海洋中的塑膠垃圾會比現在多出四倍,來到6.46 億公噸(圖一)。

圖一|未來20年塑膠汙染影響推估
如果一切情況都跟現在一樣,預估2040年全球每年產生的塑膠廢棄物將會倍增。
(資料來源:The Pew Charitable Trusts/Breaking the Plastic Wave

不過,這份報告也提出相關解決方案,包括:

  • 源頭控制、減量:直接淘汰塑膠、擴大消費者重複使用方案、推出新的包裝商業模式
  • 替代材質:紙、紙+淋膜、可分解材質
  • 回收:機械回收、化學回收
  • 終端處理:廢棄物燃料化、焚燒、掩埋

報告指出,若要解決塑膠汙染,無法靠單一的解決方案,且每一個解決方案可以帶來的減量效果都有所不同。其中,「源頭控制、減量」——透過直接淘汰包裝、擴大消費者重複使用的選項、新興的商業模式,在綜合環境、經濟和社會角度成為最具吸引力的減量方案,可以最大程度減少塑膠汙染,還能帶來經濟效益並緩解溫室氣體排放(圖二)。

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我們必須要以前所未有的速度和規模創建新的商業模式、產品設計、材料、技術和回收系統,以加速朝向循環經濟發展。

圖二|不同解決方案可帶來的塑膠減量效益
(資料來源:The Pew Charitable Trusts/Breaking the Plastic Wave

企業自願性承諾減塑緩不濟急

2018年,艾倫麥克阿瑟基金會(Ellen MacArthur Foundation)邀請眾多企業及政府簽署自願性的「新塑膠經濟全球承諾」,包含使用大量一次性塑膠包裝的零售商、觀光業、食品業及包裝製造商要在 2025 年達到以下減塑目標:

  • 剔除不必要或有問題的塑膠包裝。
  • 達成可重複使用塑膠的商業模式,以替代一次性的塑膠使用。
  • 全面使用 100% 可重複利用、可回收或可堆肥的塑膠包裝。
  • 對所有使用中的塑膠包裝設定採用可回收塑膠比例的目標。

然而,艾倫麥克阿瑟基金會去(2022)年度的追蹤報告卻顯示,以目前企業落實的程度看來,2025 年幾乎不可能達成此目標。值得一提的是,重複使用的商業模式雖然每年都有成長,但是成長幅度並不高,企業以及政府相對投注更多資源在「回收」或「替代材質」。

這突顯大品牌空洞的自願性承諾,需要更強而有力的導正,大幅減少塑膠的生產和使用,並且應大力加速轉型往「重複使用包裝」的經濟模式。

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進行中的全球塑膠公約

好消息是,要阻止塑膠汙染持續惡化的呼聲也來到高峰。去年 3 月的聯合國環境大會(United Nations Environment Assembly,UNEA 5.2),各國家及地區代表均認同解決塑膠汙染的迫切性,決議確立公約。為了立法處理塑膠汙染問題,全球規劃透過「政府間談判委員會」(Intergovernment Negotiating Committee)商議條文細節,目標明(2024)年底前完成協商程序。

依照目前的規畫,從去年底到明年將進行五輪的談判協商,第一輪已經於去年 11 月於肯亞奈洛比落幕。

第一輪的會議重點有以下:

  • 各國家及地區均認同解決塑膠汙染的迫切性
  • 許多政府及企業都有共識此條約需具法律約束力,並涵蓋整個塑膠生命週期
  • 各國家及地區須制訂「國家/地區級行動計畫」

源頭減量,終結塑膠汙染時代

聯合國在 2017 年時宣布了塑膠汙染為全球危機(planetary crisis):塑膠汙染不可逆轉,不僅會導致生物多樣性喪失,對依賴海洋生態系統健康的人類生計造成毀滅性影響,科學證據也證實當前的塑膠汙染已超出了地球可負荷的極限,再加上塑膠汙染的跨區域特性強、生命週期對全球造成汙染並衝擊自然環境與人類健康。

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我們亟需導入能與問題規模相匹配的解決方案,全球塑膠公約必須以「預防放任塑膠無上限生產」及「零廢棄」為原則,限制塑膠的生產與使用,設定塑膠生產限制的歷史基線,作為不得再產生新原生塑膠的禁令,並且優先從源頭逐步淘汰一次性塑膠,以終結汙染世代。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

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這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

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但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

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「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

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「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

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製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載