全球每天大約有超過800萬人乘坐飛機出行，而且這一數字還在不斷增長。
有數據表明，航空業產生的二氧化碳排放量占人類總排放量的約2%。這一比例看上去似乎不大——發電和供暖的占比超過40%，但不可否認的是，航空業是世界上溫室氣體排放量增長速度最快的領域之一。
未來20年，航空旅行的需求預計將翻一番。為此，航空公司不僅面臨著減少碳排放的壓力，而且很容易受到全球油價波動的影響。這些挑戰不可避免地激發了航空業對航空生物燃料的強烈渴望。
航空生物燃料是通過多種化學和生物途徑后，由各種植物材料生產獲得的，其包括油料作物、蔗糖作物、淀粉植物和木質纖維素生物質。不過，想要開發出可靠的航空生物燃料絕非易事，其性能必須要達到航空燃油的標準，才能被全球商業航空公司所使用。
首先，必須要保證這種燃油不含氧氣成分，因為氧氣的存在會減低燃料的能量密度。由于飛機上空間極其有限，因此航空燃料必須具有盡可能高的能量密度。其次，這種燃料的沸點分布也必須符合要求。此外，潤滑指標也是一項重要標準，它的使用不能對發動機部件造成額外磨損。最后，這種燃料還需具有非常低的傾點，只有這樣才能保證飛機在平流層高空飛行時，燃料仍然能夠保持流動的液態。
2008年，全球首架部分使用生物燃油（以巴西棕櫚果與椰子為原料）的商業航班從倫敦希斯羅國際機場起飛。在經過飛機、發動機以及燃油生產商們漫長的審查后，這種生物燃油終于在2011年獲得準許，進入商業應用領域。
近十年來，不少航空公司陸續進行了航空生物燃料的試驗飛行，然而由于各國情況不同，其所使用的生物燃料煉制原料也不盡相同。比如中國使用的生物燃料是從小桐子（麻風樹）中提煉的，而美聯航則采用由海藻油提煉而成的生物燃料。
如今，來自美國伊利諾伊大學的科研人員另辟蹊徑，正在嘗試改造世界上產量最高的作物——甘蔗，將其轉化為航空生物燃油。在最近的一項研究中，科研人員發現這種經過改造的甘蔗可以在每英畝土地上產生2500升的生物燃料。
簡單地說，這就意味著一架波音747飛機可以用54英畝土地上生產的航空生物燃料飛行長達10個小時。而與其他兩種制造生物燃料的植物——大豆和麻風樹相比，甘蔗單位面積產生的航空燃料分別約為它們的15倍和13倍。
“兩用”甘蔗
從富含石油的原料（如亞麻薺屬和藻類）中提取的航空生物燃料已經成功進行了飛行試驗。作為全球最大的標準發展機構之一——美國材料與試驗協會也批準了一種由普通燃料和生物燃料按照50:50配比而成的混合燃料用于商業和軍用飛行。
然而，即使經過有效的研究和商業化努力，目前航空生物燃料的產量還是非常小。在更大的規模上生產這些產品則需要進一步的技術改進和豐富的低成本原料。
甘蔗是一種眾所周知的生物燃料來源。幾十年來，巴西一直通過發酵甘蔗汁來制造酒精燃料。只要擠出甘蔗汁，混合酒精一起發酵，再將其蒸餾到理想的濃度，就能生產出巴西最具經濟價值的燃料——乙醇。
由于甘蔗乙醇具有清潔、易生產和低碳等特點，這使它成為車用可再生燃料的很好選擇。不僅如此，與使用化石燃料相比，使用從甘蔗中提取的乙醇作為燃料，可減少12%的溫室氣體排放量。
科研人員們非常想知道，是否可以通過增加植物的天然油類含量，再利用其生產生物柴油，從而獲得更大的環境效益。因為與化石燃料相比，使用生物柴油能減少41%的溫室氣體排放量。
然而，當科研人員第一次提議用甘蔗生產更多的油類時，一些同行認為這種想法太過瘋狂。因為甘蔗植物僅含有0.05%的油類，這對于用來轉化為生物柴油來說實在是太少了。許多植物學家認為，將油類含量增加到1%對植物來說是有毒的，但是科研人員的計算機模型預測顯示，可以將油類含量提高到20%。
在美國能源部高級研究計劃署的支持下，自2012年開始，伊利諾伊大學的科研人員就利用遺傳工程的方法增加甘蔗中油類和脂肪酸的含量，如今經過改造的甘蔗葉已實現了12%的油類含量。
現在，根據計算機模型，研究人員正在努力實現20%的油類含量，并把油類含量累積的目標鎖定在植物的莖上，因為莖比葉子更容易獲取油類。初步研究表明，即使改造后的甘蔗能產生更多的油類含量，但它們仍然富含糖分，所以科研人員將這些改造后的植物稱為“甘蔗脂”。
甘蔗脂衍生品
在伊利諾伊大學教授、科研小組組長Stephen Long看來，生物柴油是十分具有吸引力的。例如，大豆等植物可以很容易轉換成生物柴油，但大豆卻不具有足夠的生產能力，來滿足一個國家可再生燃料的需求。因此開發更多的產油植物成為該科研小組利用遺傳工程方法改造甘蔗的初衷。
對于農民和環境來說，甘蔗脂有很多優勢。據科研人員計算，含有20%油類的增長性甘蔗脂，每英畝的利潤是大豆的5倍，而大豆是目前美國生產生物柴油的主要原料。同時，每英畝甘蔗脂的利潤還是玉米的2倍。
為了可持續發展，航空生物燃料必須是經濟可行的，而且原料需要具有高產量，且使用更少的可用耕地。據估計，與大豆相比，每英畝含有5%油類含量的甘蔗脂能生產出4倍多的航空燃料；而每英畝擁有20%油類含量的甘蔗脂則可以生產15倍以上的航空燃料。
不僅如此，甘蔗脂還能帶來其他的能源效益。榨汁后剩下的甘蔗渣，可以燃燒產生蒸汽和電力，從而為生物煉油廠提供動力；剩余的電力可以反向賣給電網，從而取代由化石燃料產生的電力。
潛在的能源作物
除了在油類含量上做文章，科研人員也在耐寒性上下功夫。他們正在改造設計更為耐寒的甘蔗，以使甘蔗的種植范圍更為廣泛，特別是在美國東南部尚未充分利用的土地上。
如果可以把美國東南部2300萬英畝的土地全都種植上含有20%油類含量的甘蔗脂，那么估計將能滿足美國航空燃料需求量的65%。以目前的價格計算，這種燃料每加侖將花費航空公司5.31美元，遠比用海藻或其他油料作物生產航空生物燃料的成本要低。
當然，在巴西和其他熱帶地區同樣可以種植甘蔗脂。正如最近刊登在《自然氣候變化》雜志上的新研究顯示的那樣，在巴西擴大甘蔗或甘蔗脂生產，可以減少全球5.6%的二氧化碳排放量，而且還可以在不影響巴西政府指定的對環境敏感地區（如熱帶雨林）的情況下實現。
當然，科研人員的研究還不僅于此，還包括對植物進行基因工程改造，使其能更有效地進行光合作用，從而獲得更好的生長。在美國《科學》雜志2016年的一篇文章中，該科研小組通過與其他機構的同行合作，提高了甘蔗脂20%的光合效率。初步研究和同步的野外試驗也表明，科研人員已經將甘蔗的光合效率提高了20%，而且在涼爽的條件下光合效率還提高了近70%。
“我們的目標就是使甘蔗產生更多的油量，通過更多的光合效率來提高產量，并使其更加抗寒。”Long表示。
現在，為了實現每英畝土地能產生更多的油類含量，該科研團隊正在設計一種更高產量的甘蔗品種，這將為航空生物燃料的大批量生產開辟一條全新的道路。■