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1998年《发现》杂志科技奖:交通运输

了解燃料电池技术如何有望用创新的氢燃料电池取代汽车中的内燃机。

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“一位成功的发明家,关键在于发明人们愿意购买的东西,”杰弗里·本特利(Jeffrey Bentley)认为。尽管这句老生常谈听起来显而易见,但本特利多年来一直努力调和这句话和他日益增长的信念——燃料电池总有一天会取代汽车中的内燃机。燃料电池通过结合氢气和氧气产生电能,没有传统发动机的噪音和污染。由于工程师们尚未找到一种安全可行的方法来储存汽车中的氢燃料,本特利制造了一个原型燃料电池,该电池可以通过部分氧化这一化学过程,利用甲醇或乙醇,将这些碳氢化合物分解成氢气和二氧化碳。然后他意识到了自己的错误。他家附近的加油站并没有提供甲醇或乙醇。那么,谁会购买燃料电池汽车呢?

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“我得出的结论是,”本特利说,“你必须适应现有的基础设施。”

本特利又回到了绘图板。汽油的主要问题是它含有硫,这会损坏燃料电池。本特利增加了一种催化剂来去除硫,并于去年 10 月展示了他的原型。“环保主义者不喜欢它,”他回忆道——他们不想鼓励燃烧更多的化石燃料。但他的汽油动力燃料电池系统应该能使燃油效率翻倍,并减少排放。此外,本特利指出,该系统还可以燃烧乙醇和甲醇以及汽油,因此它为燃油汽车和使用可再生燃料的汽车提供了一个过渡阶段。

本特利现任 Epyx 公司首席运营官。Epyx 公司是一家为实现氢气生产系统商业化而成立的衍生公司。他说,燃料电池必须大幅降低成本,才有机会将内燃机从汽车行业中淘汰。


最终入围者

水下飞机Hawkes Ocean Technologies 的 Deep Flight发明者:Graham Hawkes

格雷厄姆·霍克斯(Graham Hawkes)总是后悔自己没有早出生 75 年。如果那样,他可能会成为第一个建造并驾驶第一架成功飞机的发明者。但现在,他做了他认为次好的事情。他发明了一种可由人驾驶的水下飞行器,它非常快且机动性强,使得之前的飞行器看起来像热气球一样笨拙。

霍克斯用轻蔑的语气描述了他过去 20 年为科学研究、海上石油钻井平台作业和海底寻宝而制造的潜水器。它们速度慢,实际最高时速约为一节半,而且笨重。“Deep Flight 是出于沮丧而诞生的,”他说。“我想制造能够让客户更感兴趣的、速度更快、下潜更深的水下飞行器。”因此,在八名志愿者的帮助下,霍克斯建造了一种新型水下飞行器——一种带翅膀的单人鱼雷,它以七节的速度飞驰,并且只需按一下按钮即可转向。

去年夏天,他在太平洋进行了 Deep Flight 的试飞。“那太神奇了。我和巨大的蝠鲼在几英尺外游泳,进行着这场美丽的芭蕾。”他平躺着,头伸入透明的鼻锥,感觉就像在滑行,而不是在飞行器里。

霍克斯设计的 Deep Flight 可以潜到 3000 英尺。目前,该设备对海洋生物学家来说很有用,但霍克斯对此不感兴趣。他已经有了 Deep Flight II 的计划,它将由复合材料制成,能够承受海洋最深处——马里亚纳海沟底部 36,000 英尺的巨大压力。Deep Flight II 可以在几个小时内完成往返,为探索留出充足的时间。最大的障碍是资金——建造两艘可以连接在一起、允许驾驶员和乘客同行的 Deep Flight II 潜水器可能需要 500 万美元。

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快!踩刹车!梅赛德斯-奔驰的制动辅助系统发明者:Manfred Steiner

在紧急情况下刹车时,20 英尺的距离可能决定了一场轻微碰撞与致命事故的区别。梅赛德斯-奔驰的工程项目经理曼弗雷德·施泰纳(Manfred Steiner)表示,他的制动辅助系统将提供这 20 英尺。

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在 20 世纪 80 年代末,梅赛德斯-奔驰的研究人员发现,大多数驾驶员在紧急制动时表现不佳。他们会迅速踩下刹车踏板——比正常制动快约三倍——但力度不够。“在第一秒钟,这只是一种本能反应,”施泰纳解释道。之后,驾驶员看到汽车正在减速,便会加大力度,但那时可能已经太晚了。因此,梅赛德斯-奔驰决定创建一个能够检测紧急制动并比驾驶员更快施加最大制动力的系统。

施泰纳领导了一个工程师团队,在制动系统中增加了电子设备,可以检测到驾驶员快速踩下刹车踏板的动作。

施泰纳的团队随后修改了增压器机制,该机制可以放大驾驶员踩踏板的力量。增压器有两个腔室,均充满真空,由连接到刹车的活动隔板隔开。当驾驶员踩下刹车踏板时,一个腔室的阀门打开,空气流入,迫使隔板向另一个腔室移动,从而对刹车施加额外的压力。正常情况下,增压器增加的制动力与踩踏板的力度成正比,但当驾驶员紧急踩下刹车时,施泰纳添加的电子设备会将制动助力器的阀门尽可能地打开,从而施加最大的制动力。

梅赛德斯正在将制动辅助系统安装在其所有 1999 年款汽车中。该公司表示,该系统可将普通驾驶员的制动距离缩短高达 45%。即使驾驶员踩刹车较慢,它也能将紧急制动距离缩短 20 英尺——这超过了一个车身的长度,足以挽救生命。

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鸟的力量麻省理工学院的 Proteus,企鹅船发明者:Michael Triantafyllou

这一切始于麻省理工学院海洋工程教授迈克尔·特里安塔菲洛(Michael Triantafyllou)在希腊休假期间,研究船只的替代推进技术。这项工作催生了 Robotuna,这是一条四英尺长的机械鱼,其类似金枪鱼的波动比螺旋桨更有效地将机械能转化为前进的动力。但除非特里安塔菲洛能想出办法让船像鱼一样摆动,否则他无法将从 Robotuna 学到的经验应用于船舶设计。因此,他让研究生詹姆斯·查诺夫斯基(James Czarnowski)寻找另一种可能提供更实际灵感的海洋动物。查诺夫斯基在动物园里找到了它们——企鹅。“它们在游泳时,身体是僵硬的,像小鱼雷,”他说。“它们唯一的推进方式是它们的鳍状肢。”(鳍状肢,可以理解为翅膀。)

在波士顿新英格兰水族馆观察企鹅游泳后,查诺夫斯基绘制了它们的鳍状肢运动图。他设计了他的推进系统,该系统有两个垂直桨叶,末端钝,后缘呈锥形,以模仿这些动作。一系列电机和齿轮驱动每个桨叶左右摆动,同时将其首先向一个方向旋转,然后向另一个方向旋转。(将手掌放在你面前;将它们向彼此移动,同时稍微向下转动手掌;然后将它们移开,手掌稍微向上。)

去年春天,查诺夫斯基将他的企鹅鳍状肢安装在一个 12 英尺的测试船体后面,并在麻省理工学院附近的查尔斯河上 launch 了这艘船,他以希腊神话中的海神 Proteus 命名。它运行得相当有效。根据实验室测试,企鹅船将 87% 的输入能量转化为前进的动力,而螺旋桨驱动的船只为 50% 到 70%。“企鹅船首次证明,这种不稳定的推进——不同于螺旋桨的连续推进——效率很高,并且提高了船只的操控性,”特里安塔菲洛说。即使有了如此大的改进,从螺旋桨到鳍状肢的转变也将是如此激进,以至于查诺夫斯基猜测企鹅船可能会首先出现在利基市场,例如在佛罗里达州,那里的海牛经常被过往船只的螺旋桨撞伤。如果船有鳍状肢,这种情况就可以避免。

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别查机油了Puradyn Filter Technologies 的 Filter Plus发明者:Byron Lefebvre

得益于十年前在佛罗里达州博因顿海滩的 TF Purifiner 公司发明的一套滤油系统,卡车可以行驶一百万英里而无需更换机油。该过滤器通过去除小至 1 微米(约零点零零二英寸)的固体污染物(标准滤油器的精度约为 15 微米)并清除液体杂质(传统过滤器根本无法处理)来保持发动机机油像新机油一样清洁。该过滤器可以节省数千美元并减少废油。讽刺的是,1992 年的《清洁空气法案》迫使柴油发动机制造商减少排放的污染,同时也确保了这些过滤器将不再起作用。

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“所有这些东西都必须去某个地方,”现在名为 Puradyn Filter Technologies 的 Purifiner 公司技术总监拜伦·莱菲布尔(Byron Lefebvre)说,“它们最终会进入机油。”当然,过滤器会清洁机油,但这需要时间。在此期间,过滤器依靠机油中的添加剂来中和污染物。但过多的污染物会过快地消耗机油中的添加剂——直到卡车下次维护时,才能加注新的、富含添加剂的机油。

一种解决方案是每几千英里手动添加一次添加剂,但这“可能会严重破坏添加剂的平衡,”莱菲布尔说。1997 年 2 月,他为过滤系统添加了一个组件,该组件可以缓慢地将添加剂释放到机油中。过滤器将添加剂以颗粒形式保存,这些颗粒在机油流过它们时会缓慢溶解。现在,使用该过滤器的卡车大约每 20,000 英里更换一次过滤器,根据需要添加机油,其他时间则无需理会机油。

这些过滤器不太可能进入汽车领域,主要是因为汽车制造商不相信客户会为此支付额外费用——尽管莱菲布尔不知道它们可能要多少钱。他买车时,就给它装了一个 Puradyn 系统。九年后,行驶了 145,000 英里,他没有换过机油,车子运行得很好。然后他把车卖掉了,机油也还在里面。

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