重現真實影像的先知│ 科學史上的今天：8/16

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

自從德國物理學家克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff）與化學家本生於 1859 年共同發明化學元素的光譜分析法，並指出陽光的「夫朗和斐線」就是不同化學元素的光譜後，科學家紛紛透過光譜分析尋找新的元素。

法國天文學家讓森（Pierre Janssen, 1824－1907）特地於 1868 年 8 月 18 日這一天跑到印度的 Guntur，因為此地才能看到日全食。日全食時，黑色太陽邊緣的日珥清晰可見，讓森就能用光譜儀觀測這太陽表面噴發出的強烈火舌，分析其中所含的元素。結果他在光譜中發現了一條特殊的的黃色亮線，他想再觀測確認，但日食已過，讓森情急之下，想出在光譜儀中加上剛好遮住太陽的小圓盤，如此就能製造日食的效果。他改造好光譜儀之後再次觀測日珥，確認是新的光譜線後，將觀測結果寄交法國科學院。

10 月 23 日，就在讓森的報告抵達法國科學院這一天，英國天文學家洛克耶（Norman Lockyer, 1836－1920）也在英國皇家學會報告同樣的發現。不過洛克耶是於 8 月 20 日在倫敦做的觀測；他沒有千里迢迢地跑到印度，因為他也想到了讓森想到的原理。英國皇家學會的秘書於 10 月 26 日向法國科學院告知洛克耶的發現，因此不用再做驗證了，當天法國科學院就對外宣布讓森與洛克耶兩人共同發現太陽新的光譜線 D3。

不過此時兩人都還沒想到這新的光譜線可能代表新的元素，是洛克耶繼續仔細比對現有已知元素的光譜線，發現都不符合後，才於十一月宣布那是地球尚未發現的元素；他將它命名為「氦」（helium），取自太陽的希臘文 helios。

氦是惰性氣體，又無色無味，難怪這宇宙第二豐富的元素在此之前竟從未被發現。1882 年，義大利物理學家帕密里（Luigi Palmieri）才在觀測維蘇威火山的岩漿時，首次在地球上發現 D3 光譜線，證實地球也存在氦元素。氦在自然界主要存在於天然氣與放射性礦物中。放射性礦物輻射出的 α 粒子就是氦原子核，拉塞福於 1907 年將 α 粒子打入真空管，放電後觀察管內新氣體發出的光譜，才確認 α 粒子就是氦原子核。沒錯，用的還是當年讓森與洛克耶所用的光譜分析法。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

1908 年的諾貝爾物理獎頒給了今天生日的法國科學家李普曼（Gabriel Lippmann, 1845－1921），以表彰他發明「利用干涉現象重現色彩的攝影術」。不過，這技術跟現今的彩色相片或彩色影片一點關係都沒有，因為它還沒商業化就馬上被別的技術取代了。這樣得諾貝爾獎好像有點尷尬，其實不然，後來證明這個當時被棄置一旁的技術並非過時，反而是超越時代太多。

李普曼這項研究與他 1872 年到德國進修，遇到的兩位指導教授有很大的關係。一位是發明光譜分析法的克希荷夫（Gustav Kirchhoff），他與本生於 1859 年從太陽光譜中辨認出許多元素；另一位是亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz），他對彩色視覺的機制提出了解釋。李普曼於 1875 年返國後，太陽光譜與彩色視覺這兩項主題仍一直縈繞在他心中。

1891 年，李普曼成功在感光版上顯影出太陽的彩色光譜，這雖然不是第一張彩色相片，卻是首次能顯示全彩而且不會馬上褪色。李普曼第二年又進一步拍出靜物的彩色相片。1894 年，他將這項技術的背後原理寫成論文發表，原來是在玻璃板塗上一層薄薄的光敏材料，接著讓光敏材料表面吸附一層水銀；陽光穿透玻璃，再穿過光敏材料後，碰到水銀層而反彈回來，與光敏材料處的光線產生干涉作用而形成駐波。不同波長的色光形成不同駐波，因此就能產生彩色影像。

雖然李普曼因此得到諾貝爾獎，然而這方法需要好幾分鐘的曝光時間，製備感光版的過程又複雜，因此始終無人青睞，當利用三原色原理的彩色照相法出現後，更是無人聞問了。沒想到半個世紀後，匈牙利物理學家蓋博（Dennis Gabor）根據李普曼的干涉原理進一步發明了全像攝影，可以呈現物體的完整三維樣貌。

李普曼超越時代的發明不僅如此。他於 1908 年提出整合攝影術（Integral Photography），建議用微型鏡頭陣列紀錄前方場景的完整資訊，之後再加以整合。這項技術也是直到本世紀才現身的光場照相機才加以運用。

科學史上不乏理論遠遠走在技術前面的例子，不過多是一般性的基礎理論，提出者也從未想過實際應用。像李普曼這樣提出實際的具體方案，沉寂數十年後因技術成熟而突然成真，更令人感到佩服啊！

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「能量守恆」是科學上極為重要的基本定律，許多物理定律都是奠基於此。然而這個今日看來理所當然的概念，在十九世紀中葉剛出現時卻是備受冷落，難以動搖當時根深蒂固的錯誤認知。

先是馮·邁爾（Julius von Mayer）在 1842 年發表公認是能量守恆的第一篇科學論文，但完全未激起任何漣漪；緊接著焦耳在第二年於學術會議上宣讀論文，說明自己所做位能與熱能的轉換實驗，現場也是一片沉默。直到 1847 年的今天，亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz, 1821－1894）在柏林物理學會上宣讀論文《論力的守恆》後，才終於引起迴響，使得能量守恆定律逐漸獲得各界認同。

亥姆霍茲發表論文時才 26 歲，還在軍隊中擔任醫官。早在他就讀醫學院時就對當時流行的「生機論」──主張生物體內有特殊的「生命力」──感到懷疑；他認為這種說法無異讓每個生物都成了永動機，而他根本不相信有永動機，於是就從「永動機為何不可能實現？」出發，思考各種力之間的關聯。

亥姆霍茲論文中的「活力」與「張力」其實就是分別代表動能與位能；他用守恆的概念檢視卡諾（Nicolas Carnot）、焦耳等前輩的研究，以及各種機械裝置運作過程中，動能、位能、熱能的變化，一一論證每個項目都符合能量守恆定律，因此主張整體的能量不會改變，不增不減，只是從一種形式轉換成另一種形式。能量守恆定律在亥姆霍茲嚴謹的論述下，終於得到許多物理學家的支持，也為馮·邁爾與焦耳爭得應有的肯定。

亥姆霍茲也因此得以在第二年提早退役，至大學教授生理學，繼續做出許多重大貢獻，包括測量神經刺激傳遞的速度、解釋色盲的成因、發明可以直接檢查眼球的檢眼鏡、研究耳朵內部構造而提出音調的生理基礎、發明共鳴器。1871 年轉任物理學教授後，又提出描述電磁波的「亥姆霍茲方程式」；而且旗下還出了三位諾貝爾獎得主，包括在量子力學的誕生中扮演重要角色的維因、測量光速的邁克生，以及發明彩色照相術的李普曼；此外，還有將電磁波帶給世界的的赫茲。

科學史上能像亥姆霍茲這樣跨足不同領域，既能提出理論又能發明，還成功作育英才的科學家也算是絕無僅有了！

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。