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酵素引擎,燃料電池科技新方向

科景_96
・2011/02/10 ・986字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

Original publish date:Nov 12, 2007

編輯 Lucas H. C. Chao 報導

 

能源危機、全球暖化,此類議題逐漸被世人廣泛討論,如何發展一個新的能源使用形式,降低對石油的依賴並且對環境造成的污染也可降至最低,一直是科學家努力的方向。其中,燃料電池科技一直被視為重點發展的領域,尤其是氫氣燃料電池。氫氣的氧化反應其每單位分子量所生成的能量比為所有已知反應中最高的,因此被視為發展重點。過往對於氫氧燃料電池的核心,催化劑本身的材料研究,大多以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴重金屬作為研究材料。由於此類金屬在催化氫氣氧化的反應過程中,過度的氧化還原會因為系統中含有氧氣等小分子使得催化劑本身逐漸失去活性。(註一)因此,如何改善這些缺點進而應用在燃料電池科技上,一直是科學家們努力的方向。Karyakin等人利用氫化酵素(Hydrogenase)製作成電極,並對其電化學的特性加以測量,發現其發電的效率與現今使用的鉑(Pt)電極相比不相上下。此結果發表於近期的Angewandte ChemieInternational Edition.。

由於鉑(Pt)、鈀(Pd)金屬昂貴且不易取得的缺點,科學家們朝向開發、尋找新型能源使用材料。其中氫化酵素是一個不錯的選擇,氫化酵素主要存在於一些遠古細菌(Archaebacteria)中,它主要的功用是將氫氣做可逆的氧化還原反應,藉以調控生物體中質子的含量,進而調控許多代謝反應。例如甲烷生成、光合作用等等需要質子的代謝反應。氫氣行氧化反應時,氫氣可經由酵素做異相裂解反應,產生兩當量質子與兩當量的電子。(註二)

Karyakin等人利用氫化酵素製成電極並對其電化學特性加以測量發現其效率相近於以鉑(Pt)金屬為基材的電極。由於一般氫氣來源中常有CO、H2S等不純物,可致使鉑(Pt)電極失去活性,Karyakin等人將酵素電極對氧氣、CO、H2S的耐受程度做了測試,發現酵素電極雖然會因為這些小分子不純物的存在而使得活性降低,但是再通入氫氣則可逆回具有活性的形式。另外,也對其在含氫氣及氧氣的環境中做酵素電極的功能探討,發現在氫氧混合的環境中,酵素電極依然具有功用。而這樣的環境條件已相當接近於我們一般可使用的條件,對於氫氧燃料電池的研究是一個相當大的突破。

Karyakin的實驗室進行這個題目已相當久的一段時間,整個燃料電池科技牽涉的相關技術是相當廣泛且複雜,核心催化劑的選用、介電層材料的選擇、整體燃料電池的設計,甚至整個供輸系統的建立,都還需要很深入的研究。

 

註一:Science 2007, 315, 172-172, Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 61-63
註二:Coord. Chem. Rev. 2000, 206-207, 533-561

原始論文:
Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7244-7246

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什麼是「可變性原則」?它如何讓 SpaceX 一飛沖天?——《造局者:思考框架的威力》

天下文化_96
・2021/10/02 ・2256字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者/庫基耶(Kenneth Cukier)、麥爾荀伯格(Viktor Mayer-Schönberger)、德菲爾利科德(Francis de Véricourt)
  • 譯者/林俊宏

企業家伊隆.馬斯克(Elon Musk)於 2002 年創辦 SpaceX,為達成火星殖民的目標,開發一系列火箭和太空船,甚至領先世界各國航太技術,享譽全球。到底是什麼樣的思維模式,造就 SpaceX 這般豐功偉業呢?答案就藏在《造局者》這本書中,趕快來搶先閱讀吧!

「思考框架」三大原則:可變性原則

馬斯克(Elon Musk)創辦的 SpaceX,就是一家把可變性原則應用得爐火純青的企業。SpaceX 是研發可回收火箭的先驅。可回收火箭一直是航太工程師的夢想,也是科幻小說裡的常見載具。但在 1960 年代和 1970 年代,航太總署(NASA)科學家的想法是讓火箭加上機翼,如此一來,就能在返回地球之後,像飛機一樣著陸。當時所假設的限制條件是「火箭的回歸需要靠空氣動力學的升力」。這種想法也就催生了外形類似飛機的太空梭—後來更催生了懸掛式滑翔機,相關技術是由航太總署的工程師羅加洛(Francis Rogallo)於 1960 年前後發明,起初,是做為將太空艙帶回地球的方式。

然而,這些機翼巨大而沉重,空氣動力學的升力大小,又得視機翼的尺寸而定。機翼愈大,雖然升力也愈大,但在發射時,也會增加重量、體積和阻力。考量到這一切限制後,最後的太空梭系統是個有問題的折衷方案,需要有一個附加在外的巨大油箱,只能使用一次,而且太空梭主體的滑翔能力也相當有限。航太總署受限於空氣動力學升力的條件下,也就只能想像出很傳統的機翼與降落傘的設計,並相應帶來了所有缺點。

相較之下,由於各種創新突破(特別是在感測器與運算能力方面),SpaceX 的想像不再限於空氣動力學的升力。雖然也效仿航太總署,以減緩火箭的下降速度為目標,但是 SpaceX 改了方法,希望能重新點燃第一節火箭的發動機,採直立方式降落。SpaceX 的想法是:別再管空氣動力學的升力了,就靠火箭的動力吧!這件事的大膽之處在於需要重新點燃引擎,也得保留足夠的燃料,來減緩火箭下降的速度(而且燃料很重,所以不能保留太多),並且還得有控制系統,以利穩定著陸過程。

太空梭本身的實體結構十分複雜,而 SpaceX 獵鷹火箭的第一節實體結構相對簡單,卻搭載了複雜得多的控制系統。而且,也是由於科技的進步,才能夠做到如此先進的控制。

祕訣在於:要瞭解哪些限制是可變的。雖然 SpaceX 也接受「火箭降回地球時必須減速」這項設定,但選擇了不同的處理方式—不是靠機翼,而是使用內建的火箭引擎。正因為 SpaceX 的工程師鬆開了其中一套可變的限制,才看到了新的可能,並研發出獵鷹系列的可回收火箭。

資料來源/SpaceX

可變性原則的優勢:幫助我們看到選項並採取行動

像 SpaceX 火箭控制系統這樣的科技革新,就可能讓過去無可改變的限制,擁有可變性(雖然科技本身也是思考框架的產物)。要選擇改變哪些限制的時候,根據可變性原則,應該要先挑出各種我們能夠影響的要素。如果希望反事實能發揮作用、讓夢想成真,該調整的並不是那些我們本來就該遵守的限制(例如:經理手頭的預算,或是主廚能運用的烹調時間),而是調整那些能透過行為或選擇而改變的限制。這樣一來,夢想成為現實的可能性也就更高。

可變性原則並不完美。對於哪些事情可變、哪些又不可變,我們可能會誤判。然而,這套原則有一個很大的優勢:能讓我們把推理的焦點,放在那些我們有能力影響、更改、或塑造的事物上,幫助我們看到選項,採取行動。像是要趕到城市另一邊開會,卻又快遲到的時候,我們只會認真考慮該搭地鐵還是計程車,而不會想像什麼很科幻的懸浮列車。對 SpaceX 來說,他們就是認真考慮該用怎樣的工程方案,以減緩下降速度。對以色列指揮官尚龍准將(Lt. Gen. Dan Shomron)來說,恩德培行動(Operation Entebbe)就是必須準備「遭遇烏干達部隊的阻撓時,該如何作戰」的方案,而不會打算在戰火正盛的時候,去說服對方棄械投誠。

我們常常認為人類的行動具備可變性,那是因為,就因果認知觀點來看,我們相信人類具有能動性,也就代表人類能控制自己的行動。同樣的,我們也相信人類的行為是會改變的,而且認為我們能夠形塑他人的行為與行動。我們的思考框架,就是會這樣關注著人們的各種行動,而這點是利而非弊。如果能注意有哪些限制條件是操縱在我們手中(也就是那些條件具備可變性),也就有助於我們找出調整起來最有利的限制。

實驗中,研究人員發現了一種有趣的小麻煩。我們或許以為人類的活動有很大的彈性空間,但在做反事實思考的時候,你想像得到的行為改變,多半都還是落在多數人所接受的社會規範以內。像是開會要遲到了,但等計程車的人大排長龍,這時候,我們或許比較會想到掏出手機,改叫 Uber,而比較不會想到要直接插隊到最前面。

當然,至少在原則上,社會規範是能夠改變的,而且確實也會隨著時間慢慢改變。但在我們的反事實心理實驗室裡,那些反事實卻常常受到約束,我們常會覺得規範都是固定不變的,而且自己無力改變。原因可能出自人類的社交本質:為了合群,就會讓我們不去想像那些會讓自己遭到排斥的行為。於是,我們還是乖乖排隊等計程車。

——本文摘自《 造局者:思考框架的威力 》,2021 年 7 月,天下文化

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天下文化_96
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