化學家眼中的科技里程碑 (一) . 能源與運輸
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化學家與化學工程師們,對能源與運輸科技做出了許多貢獻,讓我們在地上、在空中以及太空裡的生活,都能擁有賴以驅進的動力。 十九世紀的人們燒柴燃煤以取暖,點煤油燈或蠟燭以供照明,交通則是透過鐵路、蒸汽船、馬匹或雙腳。 隨著過去兩個世紀裡的能源需求上升,化學研究也有所發展,改善了電力來源、液態燃料、電池、以及新奇的能源轉化科技。 化學發展的進步也促成了運輸革命,為汽車、飛機、太空載具以及鐵路,提供了新穎的改良材料。化學家從天然資源中提煉出金屬、礦物以及馬達燃料,並創造出全新的材料,徹底改變了人類的生活方式。. 化學家眼中的科技里程碑 (一) . 能源與運輸. 大事記. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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化學家眼中的科技里程碑 (一) . 能源與運輸
化學家與化學工程師們,對能源與運輸科技做出了許多貢獻,讓我們在地上、在空中以及太空裡的生活,都能擁有賴以驅進的動力。 十九世紀的人們燒柴燃煤以取暖,點煤油燈或蠟燭以供照明,交通則是透過鐵路、蒸汽船、馬匹或雙腳。 隨著過去兩個世紀裡的能源需求上升,化學研究也有所發展,改善了電力來源、液態燃料、電池、以及新奇的能源轉化科技。 化學發展的進步也促成了運輸革命,為汽車、飛機、太空載具以及鐵路,提供了新穎的改良材料。化學家從天然資源中提煉出金屬、礦物以及馬達燃料,並創造出全新的材料,徹底改變了人類的生活方式。
(一) .4. 石化燃料 從原油製造汽油 燃料添加物 觸媒轉化器
(一) .5. 汽車 安全舒適的先進材料 塑膠料件 輪胎科技
(一) .6. 航空學 熱氣球 氦 火箭燃料 飛機與火箭製造材料
(一) .1. 能源 化煤為能源 石油探勘與生產 核能 替代能源
(一) .2. 電能儲存與可攜式能源 一次性電池 充電電池
(一) .3. 鐵路與造橋材料 混凝土 柏油 金屬與合金 維護與修護科技
大事記
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能源與運輸的科技里程碑大事記
1882 第一座燃煤發電廠供電給家庭用戶。
1884 德國工程師戴姆勒 (Gottlieb Daimler) 製造出第一部燃油、火星塞點火的活塞引擎汽車。
1902 處理原油的製程中,分離出可供鋪路的瀝青。
1913 以熱能將長鍊分子裂解的碳氫化合物熱裂解法,增加石油的煉油產量。
1921 小托馬斯 · 米基利 (Thomas Midgley, Jr.) 使用四乙基鉛製成汽油抗爆劑。
1936 法國人胡崔 (Eugene Houdry) 發明石油催化裂解術,製造出高烷汽油。
1947 美國輪胎公司固特利奇發表第一款無內胎輪胎。
1949 永備電池公司製造出迷你型鹼性電池。
1954 貝爾實驗室發明第一款矽製太陽能電池。
1958 波音七○七噴射客機處女航,讓空中運輸開始轉型。
1970s 無鉛燃料上市,開始淘汰含鉛汽油。
1975 許多汽車開始採用觸媒轉化器。
1980-1990s 鋰電池開始廣泛應用在手機跟筆記型電腦上。
1981 哥倫比亞號太空梭成為全世界第一艘可重複使用的太空載具。
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(一) .1. 能源化煤為能源
煤礦取代木材,成為主要的能源來源,是從一八九○年代開始,在美國發生的事。一八八二年,第一間燃煤發電廠落成,製造可供發電機使用的蒸汽。帕森斯 (Charles Parsons) 在一八八四年,研發出更有效率的高速蒸汽渦輪。到了一九二○年代,粉狀煤礦減少了內燃所需的空氣量,進一步增加能源效率。一九四○年問世的漩渦爐,使用品質較差的煤礦,產生的煤燼卻比較少。最近的化學科技則研發出燃燒煤屑發電的方法(煤屑是採礦過程中產生的廢料),藉此減少對環境所造成的負擔。
帕森斯蒸汽渦輪 (1907)
帕森斯
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(一) .1. 能源石油探勘與生產
一 九 ○ 一 年 , 在 美 國 德 州 紡 錘 頂 (Spindletop) 發現大片油田,加上汽車問世,使得石油逐漸超越煤礦,在一九五一年成為主要的燃料來源。提煉原油,使其化學成分得以分離的化學科技,從簡易的大氣蒸餾處理法,真空減壓蒸餾法,熱裂解法,直到使用觸媒,始終持續在進步。在原油的主要提煉過程中,舉凡鑽石鑽頭、鑽井泥漿、岩油開採等,都要用到結合化學物質與蒸汽的化學技法。比較次要的提煉過程,則有將高壓二氧化碳或水溶劑注入地表之下等等。
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(一) .1. 能源核能
世界上第一座核子反應爐,是在一九四二年為了軍事用途發展出來的。第二次世界大戰之後,在美國艾森豪總統的「原子能為和平服務」計畫下,於一九五一年開始設立核電廠,將核能科技應用於和平用途。從這時候開始,化學就在其中扮演重要角色,包括製造供反應爐用做燃料的放射性物質,製造調節放射性衰變產生之中子流的反應爐控制棒,再處理使用過的燃料棒,進行廢棄物管理與環境保護工作,以及使暴露於放射線之下的有害效應降至最低。
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(一) .1. 能源替代能源
風力發電、水力發電、地熱發電等綠色發電法,佔全世界總發電量不到百分之一;不過隨著經濟條件與能源獲得性的改變,這些發電方法將逐漸扮演重要角色。利用化學知識,可供熱發電與光電發電所用的太陽能板,風力發電所用的輕質碳纖維螺旋槳,水力發電廠所用的混凝土與金屬渦輪,以及聚集地熱所用的抗蝕材質,一一問世。
第一款矽製太陽能電池 (1954)
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(一) .2. 電能儲存與可攜式能源一次性電池
電能儲存是由伏打 (Alessandro Volta) 於一七○○年代晚期發展出來的,化學在後續的電池電量改良工作上有所助益。一八九○年發明的碳鋅乾電池,改良了早期勒克朗謝「濕電池」的設計。經過商業化製造的碳鋅電池,用在手電筒上,迄今仍有在使用。一九四九年,鹼性電池新問世,壽命比傳統電池長,體積又可以迷你化,很快就在可攜式電子設備與照相機,找到一席之地。之後更新的電池類型,材料有採用氧化銀、氧化汞跟鋰的。
碳鋅乾電池
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(一) .2. 電能儲存與可攜式能源充電電池
一八九五年發明的可充電鉛酸電池,是使用經過控制的化學反應,產生電力的商業化早期範例。在一八八一年經過改良,以及之後持續不斷地強化效能之下,鉛酸電池仍然是主要的汽車用電池種類。在一八九九年首度做出來的可充電鎳鎘電池,成本太昂貴,欠缺商業競爭力。近期的充電電池發展集中在鋰電池上面,在一九八○年代採用鋰金屬製作電池失敗後,鋰離子電池如今已是隨處可見,在行動電話與筆記型電腦上大展身手。
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(一) .3. 鐵路與造橋材料混凝土
一九五○年代,美國大規模的州際營建計畫,非常倚賴鋪路造橋所用混凝土的承受強度與使用壽命。在一八二四年首度被製造出來,並於一八七七年由法國人摩尼耶 (Joseph Monier) 申請強化混凝土專利的波特蘭水泥,由於其複雜化學反應的關係,能夠以慢速固化,從而填補水泥微粒與各種強化處理之間的空隙。波特蘭水泥的韌性與強度,取決於謹慎控制水泥的製造過程。若在一開始混成混凝土的時候,加入不同的化學藥劑,就能減低水泥收縮的程度,並增強其抗蝕性。
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(一) .3. 鐵路與造橋材料柏油
柏油成本低廉,效能優異,因此成為今日很受歡迎的鋪路材料。天然柏油於一五九五年發現,但直到一九○二年才跟焦油一起用來鋪路。將石油提煉成汽油的過程中,所產生的固態或半固態狀殘餘物瀝青,很快就取代了天然柏油用來鋪路,最近又加入了合成聚合體,以改良其效能與耐用度。俗稱「超級鋪面」的高性能柏油鋪面,是製造高級柏油的最新技法,可承受高重量與惡劣天候。
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(一) .3. 鐵路與造橋材料金屬與合金
鋼鐵重量輕、強度高、耐用、易於維護建造、架設成本低廉、又能承受地震之類的天然災害,因此成為主要的造橋結構材料。一九九○年代新問世的高效能鋼材,具有強度與抗蝕性都很優秀。另外還有一項叫做「金屬化」的技術,可在造橋時用來保護鋼材,這項技術會把鋁或鋅噴灑在乾淨的鋼鐵表面,產生一層可維持三十年的保護鍍膜。
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(一) .3. 鐵路與造橋材料維護與修護科技
道路基礎建設的維護,必須要能夠在各種天候下,不會產生明顯的劣化影響,且能長時間維持下去。築路與維護材料上的創新發明,已使需要再重新鋪路的間隔變長了。混凝土密封劑、柏油與鋼鐵,對於延長道路壽命都很重要。其他的化學與聚合材料則被用來當作接合劑,以強化柏油道路的效能,比方說合成橡膠就比較不會腐蝕或碎裂。
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(一) .4. 石化燃料從原油製造汽油
為了改良從原油煉製汽油的過程,煉油廠商起先是以高熱裂解重油的較大分子,以製成汽油中的較小分子。這種製程稱為熱裂解,於一九一三年發明。但是高溫也會產生一些沒人要的副產品,所以在一九二八年就改用在低溫下進行的真空蒸餾法。胡崔 (Eugene Houdry) 在一九三六年,利用惰性催化劑取代高溫,發展出催化裂解術,達到裂解的效果。此法在一九三七年應用於商業上,很快就在煉油製程中,產生革命化的改變。
手握催化轉化器模型的胡崔
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(一) .4. 石化燃料燃料添加物
早期的汽車引擎若使用劣質汽油,就會產生爆裂聲。在一九二一年,汽油裡添加了四乙基鉛,好讓引擎運轉得更加順暢安靜。到了一九二六年,引入辛烷標準做為量測汽油品質(壓縮容忍度)的依據。由於環保考量,從一九七○年代起,就停止使用帶鉛的汽油添加物。今日的汽油會加入少量的化學物,以改良辛烷標準(酒精、乙醚) ,增強汽油效能(金屬減活化劑),減少引擎摩擦與耗損,以延長引擎壽命(清潔劑)。某些地區出於地理考量,還會依據季節添加化學物,比方說加入甲醇以防止油管結凍。
小托馬斯 · 米基利使用四乙基鉛,製成汽油抗爆劑。 (1921)
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(一) .4. 石化燃料觸媒轉化器
二行程觸媒轉化器於一九七五年問世,用來控制一氧化碳與碳氫化合物排放。不久後又加入了第三個行程,用來淨化排氣裡的氧化氮。觸媒轉化器的運作原理,是在通常由白金觸媒製成的金屬四週,產生一系列的化學反應:氧化氮轉化成氮氣與氧氣,一氧化碳轉化成二氧化碳,沒有燃燒的碳氫化合物則轉化成水與二氧化碳。
三行程觸媒轉化器
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(一) .5. 汽車安全舒適的先進材料
二十一世紀的汽車,在設計、舒適度與安全性上,都跟早期的汽車大相逕庭。高放電車頭燈提供強力的夜間照明,特殊鍍層與板金材質則讓鏽蝕大為減低。化學冷卻劑在封閉環境系統裡循環。汽車安全玻璃在一九一四年問世,而現今的特殊聚合鍍膜玻璃,不但可大量減低重量與外界噪音,又能抗耀光與紫外線。安全性的創新設計,則有一九六○年代開始,要求在安全帶裡採用,以及一九九六年要求在安全氣囊裡採用的聚合纖維。
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(一) .5. 汽車塑膠料件
隨著化學成就日新月異,讓汽車材料從金屬轉為塑膠,並採用高效能材質,藉此減輕重量的目標,開始變得有可能實現。在二次大戰之後,由於合成石化聚合物堅固耐用,又能承受惡劣天候,各家車廠開始用來製作堅硬的結構部件。在一九七○年代能源危機之後,為改善燃料效率,車廠開始尋找可替代金屬的輕質製車材料。設計上的應用包括:由射出成形技術塑造的複雜車身,熱塑膠保險槓,不會褪色又不受紫外線影響的聚丙烯纖維,特殊塗料鍍膜以及黏著劑。
聚丙烯纖維
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(一) .5. 汽車輪胎科技
天然橡膠製品在一八○○年代早期問世,但是因為在過冷或過熱的天氣下會軟化或易碎,沒什麼實用價值。美國發明家固特異 (Charles Goodyear) 在一八三九年,發展出天然橡膠的硫化處理製程,用硫連結未飽和的分子鍵,這個基本的製程配上額外的化學催促劑與穩定劑,迄今仍在使用。到了一九四五年,合成橡膠已經可供商業化生產。隨著輪胎需求增加,其他的改良製法也一一引進,其中包括用內胎取代堅固的橡膠輪胎,用天然或合成簾布強化輪胎強度,加入可減低磨損的材料,以及最終做出無內胎的輪胎。
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(一) .6. 航空學熱氣球
打從一七八三年首度有人類,乘坐利用熊熊火焰製造熱空氣驅動的熱氣球,跨越天際開始,熱氣球的創新就有如革命性地發展。熱空氣很快就被比較容易控制的氫氣所取代。熱氣球也變成一種熱門運動,在美國有五千多位熱氣球駕駛員。化學工業製造出耐用、廉價又抗熱的尼龍布,以及推進所需的液態丙烷科技。
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(一) .6. 航空學氦
雖然像空難爆炸的興登堡號飛船之類的灌氫熱氣球結構紮實,但是氫氣的易燃性,始終在安全性上造成危害。在一九○五年,有兩位化學家在美國堪薩斯州一處天然氣井發現了氦氣,這種稀有元素突然間俯拾即是。在一次大戰期間,人們運用化學科技,大量抽取、儲存並運送氦氣;灌滿氦氣的小型軟式飛艇,在二次大戰時安全地將部隊與補給艦送達潛水艇處。到了一九五○年代,氦氣在建造火箭時被用來當作熔接氣體,以及將火箭燃料推入引擎的推進劑。
興登堡號空難 (1937)
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(一) .6. 航空學火箭燃料
從一九二○年代首度發射的早期火箭試射,到一九五○年代發射通訊衛星,直到一九八○年代的可重複使用太空梭,人類向太空步步拓展,是令人驚奇的工程傑作。成功的太空旅行,取決於火箭是否擁有足以克服地球重力的高速推進力。一九二六年首度發射的火箭,用的是液態汽油燃料與液態氧化劑,後來也有使用不同的燃料與氧化劑,固態或液態的都有。太空梭用的燃料是液態氫,不過發射引擎用的則是固態鋁燃料,以及過氯酸銨製成的氧化接合劑。
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(一) .6. 航空學飛機與火箭製造材料
飛機設計的材料,從木頭與織布到精細的工程材料,化學科技始終在提供符合設計需求的材料。使用鋁跟鈦的合金,被用來提供飛機所需要的強度、質輕、高溫穩定性與抗蝕等特性。由於火箭運作的環境極其惡劣,需要的材料也很特別,在一九八○年代用來保護太空梭的關鍵部位,在其重返大氣層時承受高溫的特殊板金便是一例。在嘗試過特異的複合鋯材質後,最後的設計使用從一般沙粒中得到的矽纖維,來製造特殊板金。