保持车辆的运行
我们很快还会讨论汽油和柴油发动机稍有不同的运行方式,但是目前只要了解到它们需要不同的液体燃料就足够了。汽油和柴油都是液态的碳水化合物混合物——和“物资”一章描述过的植物油分子类似。构成汽油的碳水化合物大多有着五至十个碳原子长的骨架,而柴油略重一些,化合物分子更长,骨架由十至二十个碳原子构成,因而这种燃料也更加黏稠。我们之前已经探讨过,文明崩溃之后,在加油站、仓库或者废弃车辆的油箱中,这些液体燃料还会有着相当充足的存量。但是用不了多久,幸存者就将需要自己生产燃料供给,来保持机械化农业或运输。
今天这些燃料是通过对原油的处理制造出来的。让原油产生汽油和柴油的方法比较直截了当,而且可以小规模地进行。分离不同液体成分的方法是分馏,其基本原理就和发酵后将酒精从水中蒸馏出来的方法一样。以矾土(比如粉碎后的浮石)为触媒加热时,较大的碳水化合物片段还可以被“破解”为更有用的小分子燃料。
保持燃料供应的问题并不在于化学处理的难度,而是在没有先进的陆上及离岸钻井设备的情况下,从地球的内部获取原油。不过在没有石油供应的情况下制造汽车燃料也是有可能的,后末日时代的社会也许能够从今天的绿色运动那里学到很多东西。正如鲁道夫·迪塞尔(Rudolf Diesel)在20世纪初期所说的:“动力可以利用太阳的热量制得,而它一直都可用于农业目的,哪怕是在所有天然的固体和液体燃料储备都耗尽之后。”
汽油的一个可靠的替代品是乙醇(我们在“食物和服装”一章已经介绍过,可以用发酵的方法制造这种物质)。巴西在酒精燃料汽车方面领先于世界:其道路上的每一辆车都靠乙醇混合液行驶,从以20%的比例添加进汽油的乙醇到100%的纯乙醇燃料。甚至在美国,一些州也要求所有的汽油都要含有最高10%的酒精,使用这种燃料不需要对发动机做任何改造。事实上,第一种被量产的汽车福特T型车就是被设计得既可以用化石燃料汽油,又可以用酒精做动力。美国的数家酿酒厂曾经用农作物制造汽车燃料,但后来的禁酒令中断了这种行为。
若要大规模生产乙醇为交通系统提供燃料,需要解决的问题是如何向发酵微生物提供足够的精制糖。作为巴西可持续生物燃料经济根基的甘蔗等作物,只能在热带地区生长。所有的植物中都有糖,植物赖以支撑其结构的一束束纤维素就是由糖构成的,但是纤维素太坚韧,而且化学性质稳定,至关重要的糖被紧紧锁定其中无法获取。与其试图把这样的生物材料处理成适用于发动机的精炼燃料,或许更为可行的做法是让它们在生物分解设备里腐烂产生沼气参见此处 ,或者在静态电厂里燃烧加热锅炉。
不过到了灾难之后,柴油发动机的轰鸣声倒是几乎肯定还能被人听到。柴油发动机功能相当齐全,可以用植物油处理而成的生物柴油做动力:在碱性环境中(通过添加氢氧化钾或者氢氧化钠等碱液,我们在“物资”一章介绍过),让植物油和最简单的醇——甲醇反应,就可制得生物柴油。甲醇又称木醇,可以通过干馏木材制得参见此处 ,不过发酵得来的乙醇也可用于同样目的。任何残余的甲醇或者碱液,以及并不需要的副产品甘油和脂肪酸盐,可以通过在生物柴油中通入水,让它们溶解到水中,最后在使用前要加热彻底除掉水分。
几乎所有的植物油都能够用于此道。在英国,油菜是一种很好的油料作物,因为油菜籽的每英亩产油量很高(高于向日葵或者大豆等其他原料):这些油可以很容易地从种子中榨出来,剩下的秸秆则是营养丰富的动物草料。需要的话,动物脂肪也可以被利用。把动物的碎肉或者尸体放在水中煮沸,让脂肪溶解出来浮到水面,待冷却后刮下来便是动物油脂。动物油加工成生物柴油的方法和植物油一样,但是较长的碳氢链意味着这种柴油比较容易在寒冷的天气中凝固在燃料箱里。
这些生物燃料的问题是它们都依赖于从粮食到燃料的转化,哪怕只是为了让一辆小车跑在路上,也要消耗掉至少一英亩的农业产出。根据恢复的具体环境,幸存者人群可能会面临食物短缺。在这种情况下,车辆能否靠非食用源驱动行驶呢?
所有内燃机燃烧的其实都是气体,而不是液体燃料。汽油或者柴油先被变成细密液滴构成的雾,继而气化之后才会在气缸中燃烧。因此让机械化交通保持运行的另一个选项是将可燃气体从预加压的气桶直接送入发动机。这就是现代压缩天然气或液化石油气车辆能够运行的原理。
灾难之后,将气体以一百倍大气压的压力泵入气罐或许太有挑战性,一个低技术替代方案是在车辆上加装坚韧的气袋。两次世界大战期间,由于燃料的短缺,这种橡胶封口的编织气球非常普遍,里面盛放的是煤气或者沼气,二至三立方米气体就相当于一升汽油。
一个略微不那么笨拙的选项是一边行驶一边制造燃气——方法是制造以木材为动力的汽车。
这个主要原理叫作气化(gasification)。为了理解这个原理,点燃一根火柴然后凑近观察。你会注意到,明亮的黄色火焰并未直接舞动在慢慢变黑的木棍上,二者之间有一个明显的空隙。支持火焰燃烧的其实主要并不是火柴棍本身,而是木头中的复杂有机分子受热分解时产生的可燃气体,而只有当这些可燃气体遇到空气中的氧气时,才会化作火焰。这就是我们在探讨干馏木材并把蒸气凝结成多种有用液体时,提到过的高温分解过程,但是为了向发动机供应燃料,我们必须尽量提高可燃“发生炉”气体的转换率,并让热解中的木头与火焰之间的距离尽可能地比火柴燃烧时大。在这些气体被导入发动机,最终与氧气混合并在气缸中发生有用的爆燃之前,一定要防止它们燃烧。
在第二次世界大战期间,全欧洲有接近一百万辆气化器驱动的车辆,保障着基本民用交通的运转。德国大众公司生产的一款甲壳虫巧妙地把全套木材气化设备装进了车体内,只有引擎盖上用于填充木材的一个小孔表明了它不同寻常的动力源泉。在1944年,德军甚至装备了五十多辆木材气化器驱动的虎式坦克。
气化器本质上就是一个顶部有盖的气密柱,可以用回收来的材料建造——比如把一个镀锌垃圾箱放在铁桶和普通管道设备上。新的木头从顶部送入,在慢慢沉降的过程中,先是被干燥,然后被内部的热量裂解,并且在有限的氧气中发生部分燃烧,以产生需要的工作温度。重要的是,柱桶底部形成的一层热木炭会和热解发生的蒸气和气体发生反应,完成它们的化学转化。最终的发生炉煤气从底部被导出,其中富含氢气、甲烷和一氧化碳等可燃气体——其中一氧化碳是有毒的,所以务必在通风良好的区域内操作——此外还有含量可达60%的惰性氮气。在送进气缸之前,要先冷却以凝结水蒸气,否则水蒸气会令发动机粘滞。
大约三千克木头(取决于其密度和干燥程度)相当于一升汽油,因此衡量发生炉煤气汽车燃料消耗的单位不是英里每加仑,而是英里每千克——战争年代的气化器曾经达到过大约1.5英里每千克。
燃料并不是汽车行驶所需的唯一消耗品。人们还需要橡胶来制造在行驶途中不断被磨损的轮胎,以及充气之后像是甜甜圈一般用来减震的内胎。
为了实现实际用途,要用硫化的方式调整生橡胶的材料性质:和少许硫磺一起被熔化,然后倒入模具中定型。在这个过程中,橡胶的卷状分子链在硫的桥接作用下互相勾连,形成坚韧而有弹性的网状结构。这样形成的材料几乎是坚不可摧的,而且比天然乳胶还有弹性,遇热不发黏,遇冷不发脆。
橡胶的问题是,硬化之后,无法经过简单熔化被重新定型成新产品。要想生产出足够多纹路清晰的新轮胎,或者是阀门和管子等其他用到橡胶的产品,后末日时代的社会不可能依赖对剩余物资的再利用,而是需要找到新的橡胶供应。
传统上,橡胶是用从三叶橡胶树上割出的乳胶制造的,而这种树仅仅生长在赤道附近气候潮湿炎热的狭窄带状区域内。另一种可能的来源是银胶菊的茎、枝和根。和三叶橡胶树不同,这种矮小的灌木原生于半干旱的得克萨斯和墨西哥高原。第二次世界大战期间,日本入侵东南亚之后,同盟国失去了90%的橡胶供应,银胶菊成了最主要的橡胶原料。对处于复原早期阶段的人类社会来说,制造合成橡胶的化学方法过于艰难,因此万一在宽限期过后,之前的橡胶供应源已经消减,而你又没有生活在天然产区附近,重新建立长途贸易将成为你的首要选项之一。
即便你能够满足自己的燃料和橡胶需求,你也做不到让车辆一直行驶下去。所有剩余机械的零件都会毫不留情地磨损、老化,尽管在一定时间内你可以拆卸并重新利用还能找到的零件,但是你必须开始自己制造。要想制造现代发动机的替代品,你需要掌握怎样合成适当的合金这种高级冶金学知识,并且拥有能够在严格公差范围内制造零件的机床——这是我们在“材料”一章探讨过的内容。如果在最后一台能够运行的发动机失效之前,人们没能重新掌握这些能力,社会就会失去现代化并且进一步地倒退。在这种情况下,有什么备用方案可以保持至关重要的交通和农业继续运行?
本书评论