Physics World專欄：樹冠的頂級智慧：啟發超音速飛行器降溫新技術

知識 06-28

樹木將水從根部運到葉子，給自己降溫。人們觀察這個過程，並從中學習到為超音速飛機降溫的新方法。圖片來源：Unsplash

撰文 | Stephen Ornes

編譯 | 韓宇

責編 | 蔣海宇

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

人們幾個世紀前就知道，樹木通過將水從根部輸送到葉子來降溫。Stephen Ornes發現，樹木降溫的原理對開發超音速飛行器降溫的新技術同樣具有啟發意義。

本文作者Stephen Ornes，美國獨立科普作家，圖片來源：http://stephenornes.com

世界上已知的最高的樹，位於舊金山以北幾百公里處的紅木國家公園，距太平洋海岸不遠。但是，你在官方的徒步旅行地圖上卻找不到它的位置。這是因為，兩位業餘博物學家，Michael Taylor和Chris Atkins，在2006年發現這課樹後，因擔心遊客亂刻亂劃和不法之徒砍伐，便試圖將其位置保密（不過，你可以在非官方指南上找到它的大致位置）。他們將這課樹命名為亥伯龍神（Hyperion，古希臘神話中的巨人之一）樹。勇敢的攀爬者從樹冠向地面照射激光，測量樹高：據報道，這一植物巨人的高度達到近116米。它比世界上已知的第二高的樹——一棵名為赫利俄斯（Helios，古希臘神話中的太陽神）樹的紅杉，高出1米多。

像所有樹木一樣，亥伯龍神樹也依靠樹榦中隱藏著的一套非凡的自然工程過程來保濕和降溫。這就是「蒸騰作用」（transpiration）：水分進入樹根，穿過樹榦，然後通過樹葉以水蒸氣的形式進入大氣。這是一個看不見的、無聲的過程。一棵90米高的紅杉，一天內可從樹根向樹葉輸送約2000升水，相當於一個低容量馬桶400多次的沖水量。當然，想找到蒸騰作用的證據，你不必鑽入紅杉6米寬的樹榦——矮小的植物也同樣的過程。

1727年，英國植物學家和牧師Stephen Hales首次發表了蒸騰作用的詳細機制。在植物的莖中，堅硬的管狀細胞堆積形成天然的管道，一直向上延伸，稱為「木質部」（xylem），從根部進入樹木的水分便通過這一結構向上輸送。木質部以厚厚的細胞壁輔助支撐植物體。木質部一旦成熟就已完全死亡，隨即成為水的載體。最後，水分通過葉片背面的氣孔蒸發到空氣中（圖1）。

蒸騰作用工作原理：蒸騰作用是一種天然的無泵抽水系統，可幫助草木和樹木降溫。水分子（藍色）通過根部的滲透作用進入樹體，然後通過樹榦和樹枝中的木質部導管向上運輸，最後通過葉片的氣孔排出。紅色箭頭表示水克服重力向上運動。圓形插圖（右中）顯示在木質部中水分子之間的氫鍵（虛線），氫鍵將水分子連接起來。（版權：Science Photo Library/Claus Lunau）

蒸發建立了一個壓力梯度，將水從根部通過木質部向上吸，就像用吸管吸水一樣。如果沒有蒸騰作用，一棵樹可能會因為灼熱難當而無法進行光合作用。事實上，2008年的一項研究表明，所有的樹木都會將溫度穩定地調節到20℃左右（Nature 454，511-514）。但是，這一過程只發生在白天。太陽下山後，葉片上的氣孔就會閉合，留在植物升降機內的水分子會粘在一起並附著在死亡的木質部上。

不過，讓物理學家和工程師著迷的，是蒸騰作用作為一種「被動」的流體輸送系統的性質。草木和樹木不用「主動」泵就能輸送水分的事實可以幫助我們找到冷卻高溫材料的新方法，尤其在空間有限的情況下。因此，幾十年來，物理學家和工程師一直試圖模擬蒸騰作用，力求找到一種使液體經過固體並將其冷卻的方法。事實上，當研究人員試圖開發出比音速還快的飛行器時，蒸騰作用就變得格外令人感興趣。那麼，樹木可以幫助我們以「高超音速」（hypersonic）的速度旅行嗎？

極速狂飆

1947年10月14日，當美國飛行員Chuck Yeager駕駛著一架子彈形的貝爾 X-1噴氣式飛機以超過聲音的速度劃破長空，超音速飛行器時代便在公眾眼中拉開了序幕。貝爾 X-1由B-29轟炸機帶到預定高度後被釋放，攜帶燃料雖然有限，但足以保證飛機有足夠的時間突破音障，產生衝擊波，燃料耗盡後，它滑翔著降落到地面。從那以後，世界上最快飛機的紀錄已經飆升到聲速的許多倍。例如，俄羅斯聯盟號（Soyuz）宇宙飛船或美國宇航局的太空梭都能以超過聲音20倍的速度穿越地球大氣層。

貝爾 X-1飛機，圖片來源：Pixnio

「人們一直熱衷於飛得更快，」密歇根大學安娜堡密分校的博士後Kyle Hanquist說。Hanquist從事「高超音速」（5倍及以上音速）飛行器冷卻研究。人類對速度的需求引起了對「氣動熱」（aerodynamic heat）的強烈關注，氣動熱來源於飛機機體與空氣之間的摩擦，以及飛機正前方被直接壓縮的空氣。對於飛行速度比音速慢的噴氣式客機，氣動熱的影響微乎其微。但是，在達到約兩倍音速時，氣動熱通量隨著速度呈指數增長。在足夠高的速度下，由動能轉化而來的熱能足以將飛機燒毀。

Kyle Hanquist，圖片來源：http://kylehanquist.com

為滿足製造超音速飛機和航天器的需要，物理學家和空氣動力學工程師一直在尋找新的冷卻系統。例如，進入大氣的太空艙會在前緣安置由樹脂和玻璃纖維混合製成的「燒蝕」隔熱罩。隔熱罩隨太空艙下降過程中逐漸融化和蒸發，在剝落時給艙體創造一層薄薄的保護層。當材料耗盡時，艙體速度已經放慢，因而不會因高溫而分崩離析。

但這種方法只是一次性的，如果你想擁有可重複使用的飛行器，並且不想每次都浪費金錢重新噴塗，那該怎麼辦？目前，高超音速飛行器由超高溫複合材料製成，可承受高溫。Hanquist表示，基於金屬合金，這些材料可以承受1800℃左右的溫度。但是，隨著飛行器的加速，它們將經受更高的溫度，除非有更有效的冷卻系統，否則這些材料會熔化甚至蒸發。

「如果我們想持續加速飛行，就需要一種不同的方法，」 Hanquist承認。在密歇根的實驗室，漢奎斯特一直致力於通過噴射電子流，來冷卻高超音速飛行器。但是，樹木蒸騰作用帶來的啟發可以成為解決方案嗎？過去幾十年，物理學家根據植物中發現的線索，已經研究出了一些冷卻方法。例如，它們已應用於「超音速燃燒衝壓發動機（scramjet）」引擎。該引擎將迎面而來的超音速空氣壓縮，使其升溫，然後再燃燒，使燃燒釋放更多的能量。這種引擎為許多超音速飛行器提供了動力，尤其在推進已經遠超過音速的飛行器時，效率最高。

為了緩解高速所帶來的高溫，一些超燃衝壓發動機使用蒸騰系統，用泵使冷卻液（通常是具有高比熱的材料，如水或氣體，甚至是燃料本身）流過引擎。但是在這種極端環境下，用泵冷卻發動機需要空間和能量。因此，要真正享受生物工程帶來的好處，物理學家需要設計一種能有效冷卻，但又無需用泵的被動系統。

看，沒有泵

不久前，來自清華大學的姜培學教授研究團隊宣布他們在高熱流密度表面熱防護領域取得新的進展，並在英國物理學會出版社（IOP Publishing，同時也是《物理世界》的出版商）的期刊《生物靈感與仿生學》（Bioinspiration and Biomimetics）上發表論文，介紹了仿生髮汗冷卻系統。這是一個不使用泵的自適應冷卻系統，也就是說，它可以根據表面熱流密度的變化進行自我調節。

姜培學，清華大學能源與動力工程系教授。圖片來源：清華大學

該系統通過一種叫做「多孔冷卻」（porous cooling）的方法來模仿樹木蒸騰作用，系統中的冷卻劑通過多孔層中的微通道流出（見下圖）。系統通過兩種途徑實現冷卻，首先，它在流過多孔層時會吸收熱量；其次，當冷卻劑擴散到外部時，會形成保護外表面的蒸汽膜。這種方式可使得外表面的溫度得到有效的控制。

發汗冷卻示意圖，圖片來源：姜培學 et al，Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

新型發汗冷卻系統的結構和樹木非常類似（圖2）。它體積很小，更準確地說，它更像是一棵小型植物。系統的底部有一個小水箱，從中延伸出一根有彈性的塑料管（就像根一樣）。水通過管道進入30毫米厚的堆積纖維層。多孔片是由燒結青銅顆粒製成的多孔材料，其中青銅顆粒的直徑約為500微米。青銅顆粒之間所形成的孔隙直徑約200微米、它們類似樹葉氣孔，使水得以蒸發。

來自樹木的啟發：清華大學姜培學團隊提出了一種不使用泵的仿生樹木蒸騰作用發汗冷卻系統。樹木通過木質部將水輸送到葉片，水再通過氣孔蒸發。類似的，這一系統將水槽中的水輸送至覆蓋有燒結青銅顆粒多孔片的纖維層，水再通過微小顆粒間的微小氣孔狀的孔隙蒸發出去，產生的毛細壓力使得冷卻水源源不斷地從水槽中輸運到受熱表面。蒸發的水形成薄薄的蒸汽膜，即便在1366℃的丁烷火焰噴射下也能保護表面不受高溫影響，並且將受熱表面的溫度控制在100℃以下。

當水從表面蒸發時，毛細壓將使得冷卻水從水槽中自動地被輸運到8厘米高的受熱面。不僅如此，蒸發的水還會產生一層薄薄的蒸氣膜，降低表面的受熱程度。據介紹，該系統甚至在1366℃的丁烷火焰噴射下仍然有效，其表面溫度可維持在100℃附近。當增加火焰熱流密度時，受熱表面的溫度仍穩定維持在100℃左右，也就是說，該系統可智能地適應環境溫度的變化，保持受熱表面的溫度穩定。

現有的飛行器發汗冷卻系統需要依靠泵來控制冷卻劑流動，這不僅佔用了寶貴的空間，同時還帶來了不可靠性。研究人員指出：「這些泵使飛機變重，進而提高發射成本。」自適應發汗冷卻系統無需額外的泵和控制設備，是超音速飛行器的理想冷卻系統，具有自適應性和內置性。噴氣式飛機在不同的高度和速度範圍內飛行，這使得它們承受著極端變化的熱流密度。

應用於高超音速飛機的自適應發汗冷卻系統，圖片來源：姜培學等人， Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

儘管實驗條件下的無泵發汗冷卻系統的抽吸高度為8 cm，但研究人員認為它可以按比例放大，甚至提出了適用於超聲速飛行器表面的仿生髮汗冷卻系統。密歇根大學的Hanquist博士認為，「這種系統的前景非常好。」該仿生髮汗冷卻裝置也可用於尺寸相對比較小的系統。文章還提到將仿生髮汗冷卻整合到隔熱手套中，使鋼鐵工人、鍋爐操作員等處理800℃以上的材料。作者指出，這種手套的蒸騰過程「類似於出汗的動物皮膚」。

將自適應發汗冷卻系統應用於隔熱手套，圖片來源：姜培學et al，Bioinspiration and Biomimetics 2017, 12, 056002

從最高的紅杉到最快的飛機，該研究體現了超越物理學觀點的價值。如果樹木能啟發解決未來高溫問題的新方法，那麼物理學家，甚至是其他學科的科學家，應該向演化中的自然系統，探尋解決問題之道。學習是有價值的，但卻不容易。「很多超音速飛行器專家可能並不了解生物學和樹木。」 Hanquist說。有些人就是這樣：看不見樹木，也看不見森林。

感謝清華大學姜培學教授對本文的審校。