铼在喷气发动机里有什么用?

这篇文章将试图解释为什么，为了使航空旅行更便宜，人类已知的最重，最稀有和最昂贵的材料之一被添加到用于喷气发动机内部涡轮叶片的合金中，首先是为什么铼如此昂贵…

铼是地球上最稀有的元素之一。地球上地壳中只有不到十亿分之一的含量。从这个角度来看，黄金的储量几乎是铼的3倍，而地球上最常见的金属铝的储量是铼的2.05亿倍。因此，它是1925年被最终发现的最后一种自然存在的元素也就不足为奇了。

和铝一样，铼在纯金属状态下不容易被发现，而是作为一种杂质存在于铜矿开采的副产品辉钼矿中。因此，开采铼既不便宜也不容易。然而，采矿技术和地质调查的进展使人们能够找到含有大量铼的矿脉，从而降低了采矿公司的总开采价格。然而，受其令人满意的品质驱动，对铼的需求激增，意味着价格仍在上涨。

图1:当前涡轮叶片中常用合金元素的价格(每吨美元)随时间变化。注意红线是A380满油箱的煤油价格。

为什么铼如此受欢迎?

在我们之前的一个关于合金的文章，我们详细描述了高温合金的特殊微观结构，解释了为什么这些材料具有如此出色的耐热性，因此非常适合喷气发动机涡轮叶片，因为喷气发动机的气流温度通常超过1800°C，远远超过发动机中使用的镍基高温合金的熔化温度。

合金是金属原子的混合物，它们自己排列成特定的晶体结构。为了理解这些材料是如何工作的，以及铼在高温下对其完整性的贡献，在你的脑海中有一个城市规划的形象，道路点缀着一块块的建筑物。在这个类比中，道路代表一种晶体结构，而建筑物是另一种晶体结构。你可以把铼原子想象成嵌入这些“建筑”中的钢框架。

铼给晶体结构带来的好处在于它的极端重量:相对较重的粒子比较轻的元素更难以移动。这在高温下变得很重要，当原子的流动性成为一个关键因素时——随着温度的升高，原子振动得更快，原子移动得越快，材料就变得越软。想想加热水壶时提供的热能，它本质上只是加速了水分子的振动。最终，在大约100摄氏度的温度下，水分子开始剧烈振动，从而摆脱周围其他水分子的附着，分离出来形成蒸汽或水蒸气。在喷气发动机中，在涡轮叶片中添加1-3%的铼原子可以提高其耐热性。非常缓慢移动的铼有助于保持微观结构到位，就像建筑物的钢框架一样，这使得涡轮部分能够承受极端的温度要求。这种有吸引力的性能增强导致当今全球80%的铼消耗用于高温合金生产。

你可以问:“为什么不想办法降低温度呢?”但工程师们喜欢他们的喷气发动机就像我们喜欢喝茶一样——越热越好，而且有一个很好的理由。这是因为为喷气发动机提供动力的喷气燃料(称为煤油)随着温度的升高而逐渐燃烧得更快、更有效。原因在于原子的流动性和偶然性:在更高的温度下，煤油燃料分子和气流中的氧气运动得更快。所以煤油分子撞上快速移动的氧分子的几率要高得多。这些碰撞不仅发生得更频繁，因为物体运动得更快，它们以更大的能量发生，所以煤油和氧气一起反应的可能性也增加了。这确保了尽可能多的煤油燃烧，这意味着从燃料中提取最大可能的能量。这将最大限度地减少燃料消耗。而且由于飞机燃料价格不菲，它直接降低了飞行成本，让人们更能负担得起。所以这就是为什么高温对发动机的高效运转至关重要，而降低工作温度实际上会对性能有害。

铼有助于减少飞行的碳足迹吗?

所以铼降低了机票的价格，因为这意味着飞机每飞行一英里消耗的燃料更少。但这是否也意味着铼有助于减少飞行的碳足迹呢?为了回答这个问题，我们首先需要估计提取像铼这样的稀有元素所需的能量，然后将这些能量与节省的燃料排放相抵消。一台劳斯莱斯Trent XWB喷气涡轮由68个涡轮叶片组成。假设每片叶片富集28g铼，则每台发动机铼的总重量为0.95kg。为了生产这么多的铼，我们需要从地下开采大约410万公斤的铜矿石，在开采和提炼矿石的过程中，估计要消耗14万公斤的二氧化碳。其他生产成本假定大致相同(这当然是一种过度简化，因为涡轮部分温度过高不可避免地意味着发动机动力学将发生变化，因此将选择不同的材料和工艺来适应这一点)。让我们假设新的涡轮叶片使整个发动机的效率提高0.5%，这意味着我们将减少0.5%的燃料消耗。一架较老的747-400飞机每秒大约燃烧4升煤油，除以4个引擎。估计涡轮机叶片的寿命为10,000小时，使用铼理论上可以节省46万公斤的二氧化碳。 This results in a net reduction of the carbon footprint of a jet turbine by 320,000kg CO2 over its lifetime. That's quite a saving.

图2:喷气涡轮叶片中使用的关键合金元素的全球年产量(按吨计算)。

Quo vadis铼?

这些粗略的估计表明，在喷气涡轮叶片中添加铼对乘客和环境都有好处。这里的陷阱是，票价越便宜，坐飞机的人就越多，这可能会抵消CO的收益₂减少。航空公司正在通过使用生物燃料来解决这个问题，乘客也可以选择抵消产生的碳排放。与此同时，喷气发动机制造商仍在努力通过制造更高效的发动机来进一步减少碳排放。

一些喷气发动机制造商有涡轮叶片回收计划，这大大减少了采矿和生产排放。其他制造商正试图通过使用不像铼那样稀有或昂贵的元素来达到相同或更好的效率，或者试图通过在成分中添加更多的铼来达到更好的效率。然而，在我们看到这些新组合物飞上天空之前，还需要几年的严格测试。所以看起来在可预见的未来，铼将会发挥它的魔力……

本文与卡斯帕Schwalbe牌．