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

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。

（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

（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。

（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。

（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)

（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

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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

（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)

（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

（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。

（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

（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。

（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。

（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)

（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。

（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。