可持续航运科学

在此之前，我们相信地球的大气层在8亿年前变得富氧，这开启了一个时代，使像我们这样的复杂生命成为可能。但现在，苏格兰的一项新研究表明，我们可能搞错了。事实上，氧含量增加得更早。阿伯丁大学地质学家约翰·帕内尔教授对克里斯·史密斯说……

约翰-我们正在研究地球上生命进化的关键阶段。证据与一种特殊的微生物群有关，这种微生物群非常成功，分布非常广泛。如今，从冰天雪地的冰川到深海中炙热的烟囱，它们无处不在。它们依赖于硫酸盐还原，所以这些被称为硫酸盐还原细菌或硫酸盐还原微生物。但是他们取得了一个重要的进步，通过更有效地利用环境中的氧气来获取能量。因此，作为大气中氧气增加的标志，它们在这种情况下非常重要。

所以我们可以用它们作为地球大气中氧气增加的代理测量，然后反过来使像我们这样更复杂的东西出现。

约翰-没错。这很重要，因为随着大气中氧气的增加，氧气开始渗透到地下，这为包括动物在内的复杂生命开辟了一条道路，让这些生命在地表下挖洞。所以我们看到的不仅仅是生命的进化，还有栖息地的进化，以及行为的进化，因为当然，当生命进入地表以下时，它就可以逃脱捕食者，等等。

克里斯-你能给我们推算一下时间吗?我们到底是在说什么时候回顾地质历史呢?

约翰:嗯，人们一直认为这种利用氧气的进化发生在大约8亿年前。我们现在从苏格兰的岩石中找到证据，证明这至少发生在4亿年前。所以我们实际上是把边界往回推到至少12亿年前。我们拥有的最古老的证据来自苏格兰西海岸萨瑟兰郡的Lochinver附近。是12亿。然后我们有持续的证据来自10亿年前的盖尔洛克地区也在苏格兰西海岸。

克里斯:当你说你有证据的时候，你在寻找什么，你实际上发现了什么?

约翰:证据不是来自传统的化石。它来自于我们所说的化学化石，这是微生物留下的独特的化学特征。在这种情况下，它与微生物用来获取能量的硫的详细分析有关。硫现在出现在矿物中，铁黄铁矿，这就是我们取样和分析的东西，我们用了几种不同的方法。我们对黄铁矿进行了一些化学萃取。我们还在黄铁矿上使用了激光技术，在这两种情况下，我们都提取出硫，然后分析其同位素组成。同位素数据的细节告诉我们，微生物一定是在利用氧气，因此，它们有足够的氧气。

克里斯:那你为什么要进行这项研究呢?因为每个人都很确定，大约8亿年前，事情突然开始发生变化?那你为什么会去看，然后说:“嗯，真的是那天吗?”

约翰:嗯，我的意思是，这个时代的大多数岩石都来自海洋，但我们知道12亿年前有岩石是在一个大湖里沉积的。所以这实际上是一个陆地环境，这意味着任何可能居住在这种环境中的微生物都与大气中的情况更加协调。所以，如果我们能在任何地方找到这种早期的特征，那一定是在陆地岩石中，就像我们发现的那样。所以这是去那里寻找的一个很好的理由，碰巧苏格兰西北部的这些岩石在它们的年代里保存得特别好。所以，有一个很好的理由去那里搜索。

克里斯:我想现在，你要做的就是独立地确认或证实这一点，也许是通过观察世界上其他地方的其他岩石，看看你是否能看到同样的签名。

约翰:在某种程度上，我们实际上已经证实了这一点，因为我们首先研究了12亿年前的岩石，这些是在洛钦维尔附近的岩石，然后我们研究了一组更年轻的岩石。我是说，这是一组完全不同的10亿年前的岩石。这些是盖洛克附近的，他们向我们展示了相同签名的延续。所以我们已经证明这不是一个孤立的事件。我们实际上有一个连续的故事。

克里斯:这意味着什么呢?

约翰:我的意思是，这意味着我们正在推迟大气中有足够氧气支持复杂生命进化的时间。现在看来，很有可能是其他一些事件最终引发了动物的进化。但我们所展示的是，周围有足够的氧气所以大气不是进化的障碍。

本-这是件好事至少对我们来说是这样。这是阿伯丁大学的约翰·帕内尔对克里斯·史密斯的采访。

问得很好，我必须承认我确实查了一下。但不是，它实际上是以威尔士的拉丁名字坎布里亚命名的，那是因为威尔士的山脉中有一些最好的岩石。

Meera -本周在Naked Engineering, Dave和我坚持航运的主题，但我们将研究一些基础知识，看看船只实际上是如何漂浮的，以及当它们在海上时，是什么力作用在它们身上。戴夫，首先，船是怎么浮起来的?

戴夫:井水很沉。它的重量大约是每升一公斤或每立方米一吨。这意味着潜得越深，压强就越高。所以，船底的水压要比船顶高得多，这意味着总的来说，有一个合力把它推上去，你就得到了这个向上的力，把船撑起来。

米拉:那么在海上的船会怎么样呢?什么样的力作用在它上面，怎样克服这种力使它浮在水面上?

戴夫:有两种主要的力量。这是上冲和重力。重力把它往下拉，飞船的一些部分比其他部分重，所以它们会有更大的重力。其他地方的上推力比重量更大，所以它们就像被举起来一样。这艘船的实际结构设计就是将力从上推力传递到所有重量所在的地方，以支撑一切，保持良好稳定。即使船只是停在平静的海面上，它也会承受很大的压力，一个地方有很重的引擎，而且船的船头和船尾也会向下下沉，这被称为横冲直撞。

Meera -理解这些力量显然很重要，尤其是在一艘受损的船上，看看如果一艘船在海上受损会发生什么。为了进一步了解这个问题，我们来到伦敦大学学院的流体实验室，拜访了丹尼尔·福恩，他正在研究这个问题。

丹尼尔:我正在调查受损船只，更具体地说，是在海浪中受损的船只。大多数研究都是在静水中的船上进行的。

戴夫:我想海浪会给船只带来很大的压力，如果你的船损坏了，你最担心的时候就是你在大风暴中间的时候。

丹尼尔-没错，当一艘船受损时，它承受压力的结构就会变少。

米拉:我们来到你的实验室，看看你在哪里进行研究。我们面前有一个巨大的水箱。它长20米，宽2.5米。里面装满了水，大约一米深，中间漂浮着一个船的模型。

丹尼尔-这个坦克有两个功能。首先，它的一端有一个造波器，可以产生非常精确的深水波浪;其次，它有一个拖轨，可以扩大水箱的长度。我们可以给它附加模型。

米拉:所以，在这个水箱的中间有一个2米长的船模型，但它是拼凑在一起的。这是怎么回事?你在这艘船上到底在调查什么?

丹尼尔:所以我们把这个实验叫做“铰链船实验”。我们做了一个两米长的模型，把它完全切成两半，然后把两半铰接在一起。我们还放置了测压元件，这是一种小装置，可以测量波浪通过模型所产生的力。一艘船最关键的模型，即使它没有损坏，也是当它纵向弯曲的时候。就像戴夫之前提到的，一艘船会沿着它的长度弯曲所以如果浮力较小，船头和船尾会浸入水中或者它们会比中间更多地露出水面，所以你会看到船的弯曲效果。这就是我们实验的主要目的我们想知道损害的影响;它的位置，洞的大小，对力的影响。

米拉:那你到底想造成什么样的伤害呢?

丹尼尔:这个模型是由PVC和胶合板制成的，这样做的好处是我们可以很容易地在它的底部钻洞，然后修补它们，这样我们就可以随意移动损坏的地方。这个实验建立的方式是，我们观察对称的损伤，模型的中线对称这是一个很好的简单的代表一艘船搁浅。如果你想一下当一艘船或一艘船受损时需要考虑的变量的数量:损伤的大小，洞的形状，洞的粗糙度，它在船的长度上的位置，它是在一侧的水线上还是在底部;受损的隔间，是装满了设备和机器，还是一个空的货舱?所有这些都对由于破坏而产生的力量有相当大的影响。

米拉-我们面前有一个巨大的水箱。我们能看到它的实际应用吗?

丹尼尔-当然。所以我要做各种不同的波长，我们这里有一个屏幕，它会给我们读数的力量在船的中间，以及前部和尾部的运动。在这种情况下，我们已经指示造波器产生所谓的规则波，本质上是正弦波。

戴夫:所以你得到了一串波长约为一米的波。

米拉:现在，看着屏幕上所有作用在飞船上的力，飞船模型发生了什么?

丹尼尔:所以这个模型是被这些经过的波激发的，我们在前面和后面安装了传感器来测量位移。我们也有我们之前说过的测压元件，给出一个力的读数，我们有一系列的波探头，测量水的位移，无论它们安装在哪里。所以这个模型显示出弯曲，从屏幕上可以看到。相对于模型，当波浪经过时，它也明显上下移动，内部的水也上下移动。

Dave -我一直在看屏幕，它似乎使用了相当任意的力单位，但目前，力的峰值似乎是0.3个单位。

米拉:好的，丹，你现在在改变波长，让它稍微长一点。

丹尼尔-所以我现在已经降低了波的频率。也就是说波长会变长，我们会看到当波长和船长完全一致时会发生什么。

Meera -在实际的图形屏幕上，力量似乎都改变了…

丹尼尔-现在通过模型的波的长度等于模型的长度。在经典的船舶理论中，这是已知的最坏的船舶弯曲情况。这些波浪，如果你在它们经过模型的时候把它们冻结，你会发现，因为它们和船一样长，你会在两端有一个高峰，中间有一个低谷。

米拉-也就是说中间没有支撑。

丹尼尔:没错。中间没有浮力，但两端都有最大浮力，所以模型会弯曲。

米拉:好的，我们已经看到，当不同波长的不同因素影响一艘船时，会有明显的差异。到目前为止，你找到了什么，丹尼尔?

丹尼尔:嗯，现在有很多软件用来模拟受损的船只，通常不会考虑到船上有一个洞的事实。他们把一罐水装满，但上面没有任何洞。我们用我们的模型模拟了相同的场景，然后我们将其与同一隔间中有一个洞的情况进行了比较，我们发现模型中流体的行为是非常不同的。没有洞的情况下，洪水运动非常剧烈，而同样有洞的情况下，洪水运动非常正常。实际上这里有一个洞，这有一种阻尼作用。

Meera -当船长在海上带着一艘受损的船时，这些怎么能被用来帮助船长呢?

丹尼尔:我们和南安普顿大学正在开发一系列计算机工具，可以模拟在海浪中受损的船只。这些实验主要是为了验证他们和我们的软件产生的任何结果。我们希望这个软件将来能够帮助船长在海上遇到紧急情况时报告发生了什么样的损害。我们希望我们的软件能够告诉船长，在天气预报的情况下，他是否应该呆在原地，他是否可以靠自己的力量回到安全的避风港，他是否需要被拖着，是否完全跳船，离开那里，因为船要裂成两半了。

本:我们今天讨论的是可持续航运，其中一个想法是找到利用风力的方法，而风力的传统作用是填充帆。我采访了德国SkySails公司的Stephan Brabeck。

Stephen:我们开始开发SkySails是因为我们看到油价将会上涨，而且我们必须越来越多地保护自然。我们想办法找到一种解决方案，为船只准备替代方案，而不仅仅是依靠燃料的推进装置或主推进装置。于是，这个想法就产生了。我们观察风筝冲浪者，看他们用小风筝冲浪风筝产生多少能量，我们问如何将这项技术转化为大船。

本:当然，因为风能是人类历史上最古老的船只动力来源之一。

斯蒂芬:是的，但是以前的帆船不受关注，因为一方面燃料很便宜，另一方面，现在的船必须是干净的——我们必须有一个干净的甲板来装卸货物——所以你买不起桅杆来挂帆。所以，我们有了一个想法，要有一个系统，你可以储存在卸载和装载船只。

本:你是怎么想到要建造“天空之帆”的?从物理上讲，SkySail是什么?

Stephen - SkySail是一种用绳子拴在船上的伞。我们用伞而不是风筝。它充满了空气，所以我们在空气中飞行它的轮廓比一块布有更大的升力，这就是我们的想法;使用这种伞翼来产生高推力，它可以用主推进力的50%到60%来牵引一艘船。

本:所以这种伞翼设计，本质上是布上的一系列腔室，而不仅仅是一块布，这能给你带来更好的性能吗?

斯蒂芬:是的，没错。伞翼的布料本身就像帆布，稍微加强了一点，防止紫外线辐射，而且，在绳子的连接点我们必须把高负荷传递给绳子和船。

Ben:所以如果你施加那么大的力，你显然要加强它。绳子本身，你可以使用传统的帆船绳还是也需要加固?

斯蒂芬:绳子本身就是一种非常现代的材料。它的重量约为相同强度的钢丝绳的10%，另一方面，它非常耐用;由Dyneema制成，这是一种非常新型的纤维，非常坚固。真正的挑战是在绳索中加入一根缆绳;因为你可以想象，我们必须控制这个风筝，为了控制目的，我们在风筝和绳子之间有一个小的控制舱。里面有一些电脑，还有一个电动马达来控制风筝。这个马达需要能量，所以我们必须在绳子里加入一根缆绳，这也是一个特殊的发展。

本:它们实际飞行的高度是多少?大概比传统的帆高吧?

斯蒂芬:是的。我们在100到300米之间的高度飞行系统。在这个高度，我们的风比靠近水面的风多25%到30%。由于我们离开地球表面的边界层在大约100米的地方，然后我们有充分的风，所以我们有大约25%到30%的风力。

你能在什么条件下驾驶它?需要有完美的天气吗?风是否一定要朝着正确的方向，或者在天气不太好或者风向有点偏离的时候，你是否可以使用一些技巧来使用它们?

斯蒂芬:我们利用180度的风向，就像一艘帆船，所以我们甚至可以逆风一点，保持系统飞行，但最有利可图的航线是从90度到270度的顺风，然后到达风。如果我们有更强的风，要么我们不启动，要么我们也可以让系统在天空中处于静态状态，所以船长不必关心这个系统只是飞行，而是不做数字来发电。

本，你不能把风筝放好然后让它拉着它走。实际上，你必须做出这些编织图案来获得更多的能量。这是怎么做到的呢?

斯蒂芬-风筝以每小时50英里到150英里的速度移动，风筝将被操纵成一艘船前面的8字形。伞翼的升力与风速成正比。这就是为什么我们可以用这么小的表面，产生这么大的推力。有长约100米的帆船，布料达3000平方米。我们可以用160到200平方米产生同样的推力。

本:这对燃料的使用有什么影响?

斯蒂芬:在一艘约4000吨、长约90米的小船上，使用这个系统，我们平均每天可以在海上节省1到1.5吨的重量。所以我们并不是每天都有条件使用这个系统，但如果我们使用这个系统，那么节省的费用非常高:高达50%或60%。这样一艘船每天消耗大约6吨燃料。如果我们在工作，我们每天节省大约3吨，但平均每年，每天节省1到1.5吨，所以一年下来，300吨，这意味着每年为客户和业主节省9万到12万欧元。另一方面，在生态方面，我们每年可以减少600到900吨的碳排放。

我们向伦敦大学学院的特里斯坦·史密斯提出了这个问题。

除了螺旋桨还有其他类型的推进器，导管式推进器就是其中之一，我想第二个问题是指的。但如果我们先从其他几个推进器开始，我们有喷水推进器，这是在非常快的船上使用的，它们有点像水泵，从海里抽水，然后它以高速从船的后部排出。你经常会在双体船上看到他们，你可能会乘坐双体船横渡英吉利海峡去法国。如果你的旅行速度非常快，这些是很好的。另一个值得一提的是一些拍打桨。多年来，人们一直在进行实验，试图重现鲸鱼尾巴的运动，以推动船只在海上行驶。事实上，这可能比你通常在船后面的螺旋桨更有效。目前，还没有人能发明出像螺旋桨一样坚固或高效的东西，或者像现有的螺旋桨一样可靠。

我们向伦敦大学学院的特里斯坦·史密斯提出了这个问题。

我认为这是一个非常好的问题。我的意思是，我想我们可以修建更多的道路，但这听起来不像是一件好事。炼油厂将如何处理重质原油提炼过程的副产品目前还不清楚，我认为这可能也是他们担心的事情。如果飞船本身不消耗这些东西，谁会真正从他们手中拿走呢?船舶基本上是最后一个仍在使用它作为燃料的行业，目前世界上已经没有主要的买家了。