自航空诞生以来，飞机主要以汽油或煤油等碳基燃料为动力。这些燃料单位重量蕴含大量能量，能够为大型商用客机提供横跨全球航程所需的巨大动力。但随着石油资源日益枯竭，且对温室气体 排放 的处罚力度不断加大，航空业的未来取决于寻找替代动力来源。电力会是答案吗？
第一步是发展“更多电动飞机”——即以喷气动力驱动、同时最大限度利用电力为其他所有航空系统供能的飞机。其理念是显著降低燃油消耗，途径是 提高整体能源效率。实际上，这意味着减轻飞机重量、借助改进的空气动力学降低阻力，并优化 飞行剖面 ，以减少燃油消耗。
但仅靠这些改进虽能节省燃油，还远远不够。向更可持续的飞机转型需要重大的长期解决方案。
此类重大创新往往由军事需求推动。喷气涡轮发动机研制于 第二次世界大战期间 ，美国空军的查克·耶格（Chuck Yaeger）首次在 Bell X-1 上突破音障，作为冷战中争夺超音速速度竞赛的一部分。对新技术的追求带来了性能与可靠性的巨大提升，此后这些成果逐步延伸至民用航空，使大规模洲际航空出行成为现实。
协和式飞机是这一从军用到高性能民用飞机转型的极致体现，但尽管性能卓越，却因噪音过大和污染问题而屡遭诟病。现代喷气式航空出行至今仍持续引发此类环境担忧；军方虽有明显动机设计最快的飞机，但其绿色发展的动机则不那么明显。下一项重大创新或许需要从别处寻找。
让天空变得更清洁？
近来，太阳能续航飞机备受关注，其中 Solar Impulse 团队正尝试完成首次环球飞行。然而，太阳能虽是一项有趣的技术挑战，却并非大规模载客运输的现实选择。从 Solar Impulse 飞机可以看出，即便翼展极宽，其太阳能板的输出功率也仅能在一定远距离内运送飞机本身和飞行员。
电池储能是限制电动飞机发展的关键因素。若电动飞机受制于重量或燃料限制，很可能问题出在电池上。飞机的加油时间通常比汽车长，因此快速充电既可行又有效：目前的喷气式飞机加油（以及旅客与货物的周转）耗时大致相当，所以约1小时的电动充电时间是合理的。然而，关键问题在于能量密度——即电池相对于其自身重量能提供多少能量？
目前使用的典型锂离子电池，其最大能量密度约为每千克100万焦耳的能量，虽然 较新的研究 有望实现更高的能量密度，但这些成果尚无法商用。一百万焦耳听起来很多。然而，相比之下，航空燃料的能量密度为 每千克4300万焦耳 ，若用重量为其43倍的电池替换燃料箱，则并不可行——显然，在电力能够远距离驱动大型飞机之前，必须先解决一个重大的储能难题。
电动航空出行的未来
那么，在面向消费者的航空出行长期愿景中，电力将扮演怎样的角色？尽管存在明显的技术挑战，空客原型机 E-Fan飞机 原定于2017年投入生产。E-Fan是一款非常轻型的双座飞机，由两台电动机驱动，其相对速度和载客能力远低于商业航空公司所需。然而，
未来十年内，这项技术可能扩展至短途通勤和商务飞机领域，尤其是针对仍采用传统 螺旋桨推进的航线。空客已制定了 中期计划 ，针对此类飞机，目标载客量约为60人，使其成为短途通勤航班的合适平台。
在电动飞机被商业航空公司采用之前，必须解决安全性与可靠性问题。正如电动汽车仍需赢得关键水平的公众信心一样，人们感知到的可靠性将对消费者对新型飞机的信任产生重大影响。
若E-Fan等原型机能够赢得公众信心，这或许将成为克服任何新型交通方式固有技术挑战的“转折点”，在航空领域尤为如此，因为该领域素有快速创新的记录。新材料、储能及电力电子技术等领域的进展，尤其值得关注，可能为未来二十年内实现纯电动商用飞机带来希望。
本文与 The Conversation合作发表。阅读 原文。。刊发本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Peter Wilson，巴斯大学电子与系统工程教授
图片：一架E-Fan飞机在法国西南部波尔多-梅里尼亚克机场的e-Aircraft Day活动中首次公开飞行。REUTERS/Regis Duvignau
