开发电池驱动飞行器的竞赛已经开始，但它真的能实现净零飞行吗？

神译局是36氪旗下编译团队，关注科技、商业、职场、生活等领域，重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按：航空业对人类活动导致的气候变暖影响约为 3.5％，而电动垂直起降飞行器（eVTOL）则被认为是减少航空业碳排放的解决方案。然而，航空业在减少碳足迹方面的实际行动却非常缓慢，许多航空公司甚至还在鼓励人们搭乘飞机出行。这篇文章来自编译，作者在文中讨论了航空业对环境的影响，以及 eVTOL 作为更可持续的选择的潜力。

图片来源：Guardian Design/Alamy

划重点

电动垂直起降飞行器（eVTOLs）是一项有前途的新技术，可以在可持续航空领域发挥重要作用，但是它们的认证和批量生产需要政府投资和合作。

航空业对人类活动导致的气候变暖影响约为 3.5％。虽然航空业对大多数人来说可能不是必需品，但航空业尚未完全采纳“谁污染谁付费”的原则，未能将减少碳足迹行动落到实处。

航空业的特权和优越感，以及对减少航空旅行这一想法的抵触，一直在阻碍实现可持续航空发展的进展。

eVTOL：可持续航空领域的新宠儿

2021 年 12 月 16 日，一群身穿硅谷初创企业标志性休闲便装的男士聚集在加利福尼亚州萨利纳斯（Salinas）郊外的一条飞机跑道上。在他们面前，停着一个黑得发亮的胶囊状飞行器。这个飞行器顶部有三个细长的旋翼，它看起来就像是一颗栓剂和一辆高尔夫手推车的结合体，另外还有一个像座头鲸一样的 V 形尾翼。

这个飞行器的单横跨式机翼有四组三片旋翼叶片（前后各六片），它发出的声音就像是一个巨型吹风机。当这群男士还处在兴奋而又焦躁不安之际，这个飞行器开始升空并向前倾斜，然后在悬停约 10 秒后缓缓着陆。随后，大家开始欢呼鼓掌，有的甚至还互相拥抱在一起。

与此同时，在位于帕洛阿尔托（Palo Alto）的阿彻航空（Archer Aviation）总部，整个公司的员工也在巨幕前同步观看这一试飞过程，他们也都在欢呼和尖叫。

这是这个飞行器的首次试飞。它名叫 Maker，是阿彻航空研发的一款新型飞行器，也被称为电动垂直起降飞行器（electric vertical takeoff and landing vehicle，eVTOL）。从其字面意思来看，你肯定不能在喝酒后去尝试驾驶它，它的首字母缩写 eVTOL 也很难发音，关于字母“e”是否应该大写，目前也没有达成共识。大量投资者都坚信，如果这个飞行器的名字正式确定为 eVTOL，那它肯定会成为新宠儿。

在试飞前三个月，阿彻航空与一家特殊目的收购公司（SPAC，也被称为“空白支票公司”）完成了合并。

从更换老式多尼尔飞机的发动机到将人们的臭跑鞋转化为燃料，毫不夸张的说，可持续航空这一领域并没有太多光鲜的历史。然而，eVTOL 却成为了一个例外。

这个飞行器有专属定制的复合材料机身和飞行电传系统技术，它的旋翼可以实现平放起降，就像可爱的小型直升机一样，只不过在向前飞行时会倾斜。另外，这个飞行器还可以实现全自动化，这也是非常诱人的发展潜力。

纯电动的东西有一种令人着迷的魅力，符合我们这个时代无灰尘、无污染的审美标准。如果你深入了解这款飞行器的工作原理，你就会发现整齐布置的电池组和一些电缆，机舱还散发出一股出租车消毒后的气味。

2021 年在纽约证券交易所外展示的 Joby 电动空中出租车。图片来源：Andrew Kelly

在首次试飞测试成功之后，阿彻航空首席执行官亚当·戈尔茨坦（Adam Goldstein）的下一个任务就是带领 Maker 飞行器通过美国联邦航空管理局（FAA）的认证。这一过程可能需要数年时间，耗资数亿美元，但这同时也意味着要准备大规模生产（阿彻航空已经与世界上最大的汽车制造商之一 Stellantis 集团建立了合作关系），与市政当局合作并确定航线和起飞点，接下来就是让普通民众做好准备，迎接他们生活中可能出现的新的转折点，即飞机不再是火车的替代方案，不再提供点对点的定时服务，也不再搭载大量乘客，而是会成为随叫随到的出租车。

数百家公司已经进入资本充裕的城市空中交通领域，在未来几年，这一领域势必会成为兵家必争之地，最后可能只会剩下几十个具有实力的竞争者。

Joby 公司是阿彻航空在加利福尼亚的有力竞争对手之一，而德国公司 Lilium 也通过与空白支票公司的合并为自己赢得了先机。2022 年 1 月，波音公司（Boeing）向谷歌联合创始人拉里·佩奇（Larry Page）出资支持的航空初创公司 Wisk Aero 投资了 4.5 亿美元。

此外，空客公司（Airbus）也将推出下一代固定翼电动汽车 CityAirbus NextGen；以色列初创公司 Urban Aeronautics 也推出了封闭式旋翼驱动的小型飞行汽车 CityHawk，该公司的声明称：“与当下几乎所有 eVTOL 领域的原型机相比，它更像栖息在摩天大楼屋顶上的鸟类。”但是，这些投资是否会引领该行业实现其声称的净零飞行目标呢？

航空业面临巨大的绿色转型压力

2018 年，民航业产生的二氧化碳排放占人类活动造成的全球总排放量的约 2.4％。但是，航空业对气候的影响不仅仅局限于二氧化碳，它可能仅占该行业对气候变化影响因素的三分之一左右。飞机还会释放氮氧化物、氧化硫、水蒸气和凝结尾迹卷云，这会暂时增加大气层中被捕获的热量。所有这些都会影响气候，其产生的综合效应是气候变暖——就凝结尾迹卷云而言，其产生的影响可能比二氧化碳更加强烈，尽管持续时间更短。在高空释放的航空排放物产生的影响是类似来源的地面排放物的两到四倍。

如果把这些额外因素造成的影响考虑在内，我们就可以看到，航空业对人类活动导致的气候变暖影响约为 3.5％。相比之下，水泥行业约占气候变暖影响的 6％，而道路运输约占 17％。但是，水泥几乎存在于每条道路和每幢建筑中，而汽车和卡车更是对数十亿人来说都至关重要。航空几乎不算是一种大众活动，甚至在很多情况下都是非必要的活动。大多数坐飞机的人并不是出于必要的工作或家庭原因，而是为了抵达新的目的地游玩。因此，航空业也被认为是最具破坏性的休闲活动。

例如，一次长达 11 小时的汽车旅行（包括加油和其他必要停留），可能会行驶 650 英里（合约 1045 公里）。在这辆满载的汽车中，每位乘客的燃油消耗量不到 14 公斤。而在同样长达 11 小时的航空旅行中，假如从巴黎飞往旧金山，飞行距离为 5500 英里（合约 8850 公里），每位乘客平均消耗的燃油量则超过了 300 公斤。这还是假设飞机是满载的情况。如果飞机上座率只有 50%，那每个人的燃油消耗量则会更高。

作为一个全球性的行业，交通运输业并没有很好地达成全球气候目标。在这一领域中，航空业在该目标达成方面更是略逊一筹，与海运业一起成为一个引人注目的“落后群体”。

环境危机已经使“谁污染谁付费”原则成为许多经济领域的一种操作现实。无论是通过对发电厂的碳定价、对污染河流的农民处以罚款，还是通过向游客征税来缓解过度旅游的影响，环境退化成本必须由其始作俑者承担的理念已被广泛接受，尽管很多人可能有些不情愿。

然而，航空业却没有接受这个理念。航空业最优待的客户，也是航空公司最奉承的高级常旅客，实际上是最严重的污染者。要减少航空业对全球变暖的影响，最合理方法就是让人们减少飞行，但这又是航空公司和其政治盟友坚决拒绝考虑的方法。

荷兰阿姆斯特丹机场排队值机的旅客。图片来源：Robin Utrecht /AFP/Getty Images

航空业沉醉于自身的例外性，与其优越感密不可分，更体现在其享受的离奇特权上。迄今为止，航空业仍然缺乏许多税收科目。在英国，超过三分之一的油费都是用于赋税。但航空业并不存在这样的税收项目，国际航空机票也没有增值税。

与蔑视国家管辖权的另一个行业——航运业一样，跨境航空业也没有被纳入 2015 年的《巴黎气候协定》（The Paris Agreement）中，部分原因在于，国际航班涉及多个国家，因此难以确定由 A 国的航空公司执飞的从 B 国飞往 C 国的国际航班中，排放量应该由哪个国家承担责任。

2016 年，一项主题为“碳抵消和减排机制”（CORSIA）的方案得到了为航空业制定标准和行业准则的国际民航组织（ICAO）的认可。该方案旨在将排放量稳定在 2020 年的水平。根据该方案，航空公司可以购买碳抵消计划——例如种植树木、投资太阳能发电厂或分发低排放炉具——以弥补超过约定限制的碳排放增长。

环保组织却对该碳抵消计划深恶痛绝，他们表示，在该方案下实施的许多减排计划本来就会发生。即使在 2027 年开始强制执行该方案规定之后，它也不会涉及各国的国内航班，而这些航班产生的排放量占据航空业排放量的三分之一以上。

航空业已经越来越难以置身于全球应对气候变化的运动之外。2022 年 10 月，ICAO 成员国通过了“2050 年净零碳排放的集体全球长期理想目标”。国际航空运输协会（IATA）总干事、英国航空公司（British Airways）前首席执行官威利·沃尔什（Willie Walsh）表示：“全球航空公司做出了重大决定……在整个价值链的共同努力和政府政策的引导支持下，航空业将在 2050 年实现净零排放。”

然而，在我们被 IATA 的决议和 ICAO 的非约束性目标冲昏头脑之前，值得回顾的是，在 CORSIA 方案默认的到期年份 2035 年之前，这两个目标都允许航空业继续增加排放。

与许多其他行业不同，航空业的脱碳努力才刚刚起步。在有望主宰“绿色航空”未来的各种技术中，目前尚不清楚哪种技术最有可能成功。支持使用氢气作为航空燃料的人士指出，氢气是一种无碳排放的能源，但使用氢气作为燃料也需要更大的空间，需要对飞机设计以及地面基础设施进行大规模且昂贵的改造。

另外，倡导使用被称作“电子燃料”（e-fuel）的可持续航空燃料（SAF）的人士则认为，电子燃料的制造需要从空气中提取碳并与氢气结合，虽然相比传统的烃类燃料更环保，但是一些支持者指出，生物燃料的环保效益并不会比传统燃料更好。

然而，乔·拜登（Joe Biden）领导的美国政府却计划将这种由全国各地种植的作物制成的燃料作为其到 2030 年将可持续航空燃料（SAF）产量提高到每年 30 亿加仑（约 114 亿升）的计划的核心。（美国去年 SAF 燃料产量仅为 6000 万加仑。）

一些人认为，碳捕获和封存技术应该有实际应用的空间有一席之地。所谓碳捕获和封存，也就是在在工业生产过程中过滤掉产生的二氧化碳，然后将其埋藏起来。而另一些人则认为，这种方法成本高昂，且无关紧要。在电动化方面，除了那些已经投入数十亿美元到电动飞行领域的投资者之外，其他所有人都反对这种方法。

但好消息是，成千上万的初创企业和公司内新成立的部门都正在投入资源开发旨在实现绿色飞行的技术。现代航空业一直是一个庞大、需要大量资源且难以改变的行业，但现在有机会再次发现最初开拓这一领域的先驱人物的无畏精神，并最终肩负起责任，走上消除温室气体的道路，减轻过去几十年轻率排放温室气体的后果。

从理想到认证：阿彻航空的 eVTOL 发展之路

最早引起人们关注 eVTOL 是在 2016 年，当时打车和外卖配送平台 Uber Elevate 的城市空中运输部门发布了一份研究报告，其中介绍了可再生电力驱动的小型飞行器，并用它来作为更广泛的全社会脱碳努力的一部分。Uber Elevate 还宣布，通过汽车式的大规模生产，这种飞行器将成为“大众负担得起的日常交通工具，甚至比购买一辆汽车还便宜”。

另一次炒作出现在 2019 年，当时摩根士丹利（Morgan Stanley）预测，到 2040 年，城市内自动驾驶飞行器的市场价值可能达到 1.5 万亿美元，这一预测后来更成为吸引投资者的宣传材料。虽然摩根士丹利后来将这一数字下调为 1 万亿美元，但其坚定地认为，eVTOL 对交通运输的影响可能会像 20 世纪初的汽车和二战后的商用飞机一样巨大。

该投资公司还指出，“交通方式的根本性变革，与其说是‘蚕食’当前流行的交通运输方式，不如说是彻底重塑和重新调整市场本身的规模，而这种规模往往都会以数量级的方式发生改变。”

Uber 空中电动出租车模型。图片来源：Robyn Beck/AFP/Getty Images

阿彻航空将采用直接向航空公司销售的模式，就像 2021 年其直接向美国联合航空公司（United Airlines）销售价值 10 亿美元的飞行器一样，并且还为该航空公司提供了一个追加价值 5 亿美元订单的选择。

阿彻航空的第二个目标是成为一个拼车平台。用户可以使用阿彻航空推出的应用程序预定一辆 20 分钟内从你家附近出发的“车”。这种出行方式将大大减少你在路上堵车好几个小时的可能性。

阿彻航空首席执行官戈尔茨坦向我展示了一段负责 eVTOL 认证的 FAA 官员杰伊·默克尔（Jay Merkle）于 2020 年拍摄的视频。视频中，默克尔表示，“我听到的最大问题可能是......‘这是真的吗？ 这真的已经实现了吗？’这也绝对不是炒作。事实上，我们有至少六架航空汽车已经通过了型号认证，这也是将全新航空器投入运营的第一步。” 2021 年，阿彻航空获得了另一轮认证批准，这也表明很快就可以取得全面的商用认证。

“零碳”目标背后隐藏的电池和电力难题

美国虽然是促成全球变暖危机的主要国家之一，但其应对这一危机的方式却是把它视作一个商机，这是一件无论在什么时候都让人觉得很有意思的事情。

我之前参观过一些更注重反思、整体氛围更加严肃的一些欧洲初创公司，这些公司往往关注核心理念和价值，但在阿彻航空，其整体的氛围却相对更加轻松、乐观。可能这是加利福尼亚阳光所带来的影响，但通过整合全球的零部件来创建新的航空类别，并认为这可能实际上有益于气候，这种想法已经完全被接受，没有任何异议。

没有什么问题大到无法解决，尤其在这件了不起的事情上，毕竟它调动了人类的聪明才智和对利益的渴望，这有时候也会激发出我内心愤世嫉俗的一面。毕竟，从一开始就避免制造这个问题肯定更好吧？

然而，当我接触阿彻航空首席工程师杰夫·鲍尔（Geoff Bower）后，我才意识到这个问题并不在于抽象概念和罪恶感受，而是和物理学有关。（鲍尔年纪轻轻就成为阿彻航空的首席工程师，他经常开着一辆特斯拉 Model Y 上班，他在斯坦福大学的博士论文主要研究的是信天翁不扇动翅膀就能在海面上飞行的方式【它们从大气中借取能量】。）

这个问题背后的主要挑战在于起降问题。旋翼覆盖的面积越大，起飞所需的动力就越小，但巡航时所需的动力就越大，因为阻力更大。阿彻航空试图在旋翼覆盖面积和阻力之间寻找平衡，包括在巡航时倾斜 Maker 飞行器前面六个旋翼，并依靠其固定翼提供水平飞行的升力。

但不可否认的事实是，目前正在开发的所有燃料技术中，电池能提供的功率最小，但重量最大。1 公斤汽油可以提供 13 千瓦小时的能量（这是每小时的能耗），而 1 公斤锂离子电池只能提供不到 0.3 千瓦小时的能量。

阿彻航空开发的 Maker 电动垂直起降飞行器。图片来源：Archer Aviation Inc

多亏了埃隆·马斯克（Elon Musk），他创立的特斯拉公司（Tesla）在推动锂离子电池的改进方面远远领先其他任何公司，才让我们能够开始考虑电动飞机的可能性。听起来微不足道的 0.3 千瓦小时，实际上是老式铅酸电池能够提供能量的五倍以上。电动机的效率比燃油发动机高出两到三倍。此外，电池可以充电，具有可再生的特性。

虽然电动飞机的飞行不会产生传统的二氧化碳、氮氧化物或水蒸气，但这并不意味着对气候百分百有益。eVTOL 在生命周期内对气候的影响取决于其他因素。首先是其零部件可能造成的影响。当然，这在一定程度上可以通过回收来解决。即便电池在空中的寿命已经结束，它们在地面上仍具有利用价值，而未来的 eVTOL 可能会采用可多次重复加工的热塑性材料制成。但是，全电动飞机是否具有可持续性，核心还是取决于充电电池的能量从哪里来。

一项特定技术的碳强度指的是其整个生命周期中（包括材料生产、建设、使用、拆除和废弃），因所耗费的能量（以兆焦耳计）而产生的二氧化碳或等效物的排放总量。碳强度越高，表示该技术对环境的影响就越大。

英国和美国的环境和航空科学家在 2019 年的一项评估中展示了电动航空在达成真正的气候友好之前必须取得多大的进展。通过对 2015 年美国电网的平均二氧化碳强度进行计算，科学家们发现，全电动飞机的生命周期碳强度比现代喷气发动机对应机型高出近 20％，但考虑到非二氧化碳影响（包括氮氧化物和凝结尾迹云），该数字则可以降低约 30％。

国际能源署（IEA）预测，在 2010 年到 2040 年期间，全球电力需求（不包括航空或地面交通的电气化）将增长近一倍，但由于煤炭的持续使用，发电排放量仅会下降约 5%。在印度，乘坐电动火车对气候的影响可能比搭乘飞行还要严重。不过，如果使用巴西电网的电力（其中可再生能源占比较高）来运行飞机，那其整个生命周期排放量可能会比在中国高，因为中国的大部分电力都来自燃煤发电。除非每个方面都能实现气候友好，否则没有什么是真正气候友好的。而这显然不是飞机制造商可以保证的。

减排脱碳 ≠ 创造新的排放需求：eVTOL 是否真正能替代现有技术？

eVTOL 是一种商业上可行的产品，还是一种应对气候变化的可靠手段？在我从萨利纳斯北上,沿途经过塑料大棚、整齐的莴苣和西兰花田地，最终从旧金山机场搭乘飞机回家的路上，我一直在思考这个问题。

几周后，当我与空气动力咨询公司 AeroDynamic Advisory 航空分析师理查德·阿布拉菲亚（Richard Aboulafia）交谈时，他指出，那些可以大规模复制的航空技术往往是对环境影响最大的技术。他将 eVTOL 描述为“奇怪的马戏团杂耍，所有人都认为，最应该获得资金支持的就是对环境最不利的东西”。

无论如何想方设法减少排放的影响，脱碳都不等于创造新的排放需求。它的意义在于替代，即舍弃对气候代价高昂的东西，代之以对气候影响较小或最好是根本不会对气候造成危害的东西。阿布拉菲亚还质疑 eVTOL 是否能实现这一目标。在这个领域投入的资金和智慧确实惊人，但要让所有这些资源能够在更广泛的意义上有助于气候变化（即降低目前对天气造成的破坏性影响），唯一方法就是让电动飞行承载更大的载荷、飞行更远的距离，并在航空领域实现大规模应用。

补充燃油的商用飞机。图片来源：Clynt Garnham Business/Alamy

如果我们接受可持续航空燃料目前是实现零碳长途飞行的唯一途径，那么航程低于 500 英里（合约 800 公里）的航班该怎么办呢？对此，有两种可行的电动策略。其中，相对比较容易实现的就是混合动力飞行汽车，这种工具的引擎需要燃烧某种燃料，并利用这些燃料来充电和（或）提高电池性能。

2022 年 6 月，全球第二大飞机发动机制造商劳斯莱斯（Rolls-Royce）发布了一款全新的紧凑型引擎原型，这款“涡轮发电机”通过燃烧燃料可以直接转动螺旋桨或为机载电池充电，使飞机可以根据飞行阶段（以及电池剩余电量）在不同的动力来源之间切换。

该发电机可将功率输出调整在 500 千瓦至 1200 千瓦范围内，足以轻松驱动单通道客机飞行超过 150 英里左右（约 240 公里），这也是目前最具竞争力的 eVTOL 可达到的绝对上限。在这一环境下，为了同时减少排放，飞行员还可以在碳排放极高的飞行阶段（例如穿过富含冰晶粒的大气层或者是起降阶段）切换使用电池电能。但无论如何，碳排放都是无法避免的。

终极目标并不是混合动力，而是完全电气化，这就需要从根本上提高电池性能。自千禧年以来，锂离子电池技术的不断进步已经使其性能每年都能实现近 4% 的提高。无论是劳斯莱斯公司目前正在研发的高压锂离子电池，还是日本国家材料科学研究所（National Institute for Materials Science）在 2022 年公布的锂空气电池，或是美国初创公司 QuantumScape 正在研发的“固态”电池，电力航空中的最关键元素将变得更轻、更强大。只不过，目前唯一的问题是他们的速度能有多快。

在匹兹堡的卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University），由全球领先的电池专家文卡特·维斯瓦纳森（Venkat Viswanathan）控制的机器人在其实验室里日夜不停地展开实验，旨在实现性能突破。

2021 年，维斯瓦纳森和他的同事沙沙克·斯里帕德（Shashank Sripad）在一篇研究报告中写道，“电池组的比能量密度可以在本世纪中叶前后达到 800 瓦时/千克”。

换句话说，在 2050 年左右，锂离子电池将能够为单通道 A320 型飞机或波音 737 型飞机提供不间断飞行 600 海里（约 1110 公里）所需的动力。此外，如果能取得持续稳定的进展，“最大航程 1200 海里的全电动飞机在本世纪下半叶有望取代目前 80% 以上的燃油飞机”。

然而，在实验室里计算出的能力并不一定意味着在现实世界中也具有同等能力。正如普惠公司（Pratt & Whitney）前技术和环境副总裁、麻省理工学院（MIT）退休教授艾伦·爱普斯坦（Alan Epstein）在 2022 年夏季跟我交谈时所说的那样：“必须区分航程和任务长度。对于大约 1400 英里的行程，航空公司通常会携带超过飞行所需 50% 的燃料。”这是因为在出现意外情况时，“你必须确保能备降到其他机场，很多时候你唯一知道开放的机场就是你起飞的机场。”

如果飞机燃料是高能密度的煤油，那就可以轻松携带多余的燃料。然而，如果是电动飞行的情况，容量过剩则可能会打乱精准平衡电池组容量和航程之间的关系。“因此，500 英里航程的飞机可能只能执行 200 或 250 英里的飞行任务。”爱普斯坦说。

人人都喜欢乐观的前景，但事实上，没有人能确切地知道电池技术的发展速度有多快。我拜访阿彻航空的那两天确实是乐观的，但在我跟该航空公司首席工程师鲍尔的谈话接近尾声时，当他耐心地向我解释了他们的方案后，我感受到了传统航空业那种熟悉又令人不安的拉扯。

“这种技术能力听起来确实很好，”我说，“但是航空业脱碳可能会被乘客数量彻底颠覆。在发展中国家，坐过飞机的人相对较少，相信有很多人都愿意尝鲜，这又该怎么办呢？”

“这是航空业长期面临的难题。”一位全球知名的航空工程师遗憾地承认道，“我也不知道该如何解决这个问题。”