phần là do nông dân đã sử dụng động cơ xăng để vận hành mọi thứ từ máy giặt đến xay ngũ cốc. Chí ít thì với một đơn vị sản xuất xe hơi nước: Công ty Stanley Motor Carriage ở Newton, Massachusetts, lợi thế đó đã mất vào năm 1914, khi dịch bệnh lở mồm long móng chết người trong số các động vật trang trại ở New England bùng phát đã khiến các quan chức thú y đóng cửa nhiều máng nước công cộng dọc theo phía đông những con đường nơi xe hơi nước hay tiếp nước.[15] Massachusetts vốn đã không có thiện cảm gì với những đám mây hơi nước chúng thải ra, che khuất tầm nhìn của người đánh xe đằng sau, đặc biệt là trong thời tiết lạnh. Để giải quyết vấn đề đó, Stanley đã phát triển thiết bị ngưng mới cho động cơ của mình, nhưng việc kinh doanh đã sụp đổ. Thiệt hại là không thể cứu vãn. Đến năm 1914, động cơ đốt trong đã hiện diện trên cánh đồng. Stanley và các công ty xe hơi nước khác đã lắp tổng cộng vỏn vẹn 1.000 xe một năm, so với tổng số 569.000 xe của các nhà sản xuất ô tô thông thường của Mỹ.[16] Có 1,7 triệu xe cơ giới được đăng ký tại Mỹ vào năm 1914, so với mốc 8.000 xe vào năm 1900. Ô tô lần đầu tiên áp đảo số ngựa ở Thành phố New York vào năm 1912 và sự chênh lệch đã lan rộng khắp thập niên đó.[17] Đến thập niên 1920, ngựa biến mất trong nhóm tiêu thụ thức ăn vật
nuôi với tốc độ nửa triệu một năm.[18] Ngoại trừ dịch vụ giao hàng tại địa phương, ngựa cuốn gói khỏi đô thị và không bao giờ trở lại. Việc thay thế ngựa bằng ô tô khiến nông dân nghèo hơn. “Bằng cách sử dụng năng lượng được sản xuất bằng xăng thay vì ngựa ăn ngô và rơm,” một nhà kinh tế nông thôn đã viết vào năm 1938, “chúng ta đã tước khỏi nông dân một thị trường khổng lồ của nhiều triệu mẫu ruộng.” [19] Đây là hậu quả không lường trước được, nông dân mất một nguồn thu nhập chính, trong khi thế giới mất đi một nguồn năng lượng tái tạo, thay vào đó là một nguồn tài nguyên hóa thạch ở mức độ không xác định cùng những ảnh hưởng không dự đoán trước được. Mọi sự có thể đã khác. Rượu mạnh trở lại thị trường vào năm 1906 khi chính phủ liên bang dỡ bỏ thuế rượu thời Nội Chiến cũ khiến nó không cạnh tranh lại với dầu hỏa. Cồn cạnh tranh với xăng làm nhiên liệu ô tô trong ba thập niên đầu của thế kỷ 20. Henry Ford đã thiết kế xong chiếc xe sản xuất dây chuyền đầu tiên của mình, Model T, với hệ thống nhiên liệu kép: nó có thể chạy bằng xăng hoặc rượu, một tính năng mà Ford tiếp tục giữ đến năm 1931.[20] Một núm đồng thau ở bên phải của vô lăng Model T cho phép người lái điều chỉnh bộ chế hòa khí để điều tiết nhiên liệu. Một cần gạt điều chỉnh tia lửa điện bên trái tay lái sẽ điều chỉnh thời gian của bugi đánh tia lửa, cần phải đánh lửa vào mỗi điểm khác nhau trong chu kỳ động cơ, tùy thuộc vào loại nhiên liệu.[21] Nông dân, Ford nghĩ, có thể tự làm rượu. Những người lái xe trong thành phố có thể mua xăng tại một trong những trạm đổ nhiên liệu bên đường với máy bơm đo lưu lượng do nhà phát minh John J. Tokheim sáng chế.
Bơm đo lưu lượng Tokheim, được cấp bằng sáng chế ngày 2 tháng 1 năm 1900, bơm nhiên liệu dự trữ trong một bể chứa an toàn dưới lòng đất vào một bình kính trong, nơi nó có thể được đo rồi đổ vào bình xăng.
Ngay cả khi không phải chịu thuế, cồn vẫn có chi phí sản xuất cao hơn xăng, đặc biệt vì nó thiếu một chuỗi cung ứng từ trang trại đến nhà máy lọc hiệu quả như các đường ống và đường ray của ngành công nghiệp dầu mỏ độc quyền của Rockefeller. (Đến năm 1882, tập đoàn Standard Oil Trust kiểm soát 85% thị trường dầu thế giới, một lý do vì sao Tòa án Tối cao Mỹ năm 1911 ra lệnh chia nhỏ tập đoàn.[22]) Giống so sánh gỗ với than ở London thời Elizabeth, chi phí vận chuyển cồn bất lợi hơn so với xăng. Cồn sẽ cần đến sự hỗ trợ của chính phủ để phát triển như là một nhiên liệu thay thế. Nhưng nó có lợi thế trước mắt và đáng giá là làm chất phụ gia. Chỉ số octan của nhiên liệu là một thước đo về mức độ nó có thể được nén trước khi sức nóng của lực nén đốt cháy nó. Ví dụ như chỉ số octan tại trạm bơm xăng của Mỹ ngày nay dao động từ 87 đến 93. Cồn nguyên chất có chỉ số octan là 105. Xăng trong những năm đầu của kỷ nguyên ô tô được gọi là “xăng trắng” - chưng cất đơn thuần mà không có chất phụ gia - có chỉ số octan chỉ khoảng 50. Xăng trắng là đủ cho các động cơ nén thấp đời đầu, nhưng động cơ nén thấp không hiệu quả và yếu. Một động cơ nén cao hơn có thể cung cấp năng lượng cho một chiếc xe lớn hơn, cho quãng đường sử dụng dài hơn do đó tiết kiệm nhiên liệu. Hoặc nó có thể nhỏ hơn, tiết kiệm trọng lượng. Nhưng việc nén mạnh hơn bởi hỗn hợp nhiên liệu và không khí được bơm vào xi-lanh vào một thể tích nhỏ hơn, để nó đẩy mạnh hơn và lâu hơn trên piston khi nó bốc cháy - khiến khí trắng cháy không đúng lúc trong chu kỳ và hao phí năng lượng. Từ ghế lái vẫn sẽ nghe được tiếng cộc cộc bên trong xi-lanh của một vụ nổ bất thường và phá máy. Tiếng gõ trong động cơ đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng vào khoảng năm 1913, khi nhu cầu sử dụng xăng tăng lên khiến doanh nghiệp tinh chế dầu duy trì khối lượng bằng cách chưng cất dầu thô nhiều hơn vào sản phẩm, giảm trị số octan của nó xuống thêm.[23] Kỹ sư tin rằng tiếng gõ trong động cơ là kết quả của sự đánh lửa non của nhiên liệu, suy ra chính quá trình nén là vấn đề. Không ai biết chắc chắn, vì khó để biết những gì đang diễn ra bên trong các xi-lanh của động cơ vận hành với tốc độ hàng nghìn vòng quay mỗi phút. Nếu động cơ đốt trong chạy xăng là nguồn năng lượng chủ yếu cho ô tô, vấn đề nhiên liệu và thiết kế động cơ cần được giải quyết triệt để.
Năm 1916, vấn đề về tiếng gõ động cơ đã thu hút sự chú ý của một kỹ sư có sức sáng tạo rất cao tên là Charles F. Kettering, người sau này sẽ trở thành phó tổng giám đốc nghiên cứu tại General Motors. Sinh năm 1876 tại một trang trại phía bắc Ohio trong một gia đình gốc Alsace và ScotlandIreland, Kettering cao lớn, mạnh mẽ và thông minh nhưng vướng phải những vấn đề về mắt khiến ông gần như không thể học đại học. Ông vẫn vượt khó tốt nghiệp được với sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp đọc chữ cho khi đôi mắt của ông quá đau. Ông tốt nghiệp Đại học bang Ohio với bằng kỹ sư điện khi hai mươi bảy tuổi. Kettering là một người thí nghiệm giỏi và là một nhà phát minh xuất sắc. Cho tập đoàn National Cash Register, ông đã phát triển máy tính tiền chạy điện đầu tiên, chạy bằng một mô tơ điện mô men xoắn cao loại nhỏ. Cho Cadillac, vào năm 1911, dựa trên kinh nghiệm với máy tính tiền, ông đã phát minh ra bộ phận khởi động điện - một loại mô tơ điện mô men xoắn cao khác. Phát minh đó lần đầu tiên mở ra thị trường ô tô cho nhiều phụ nữ, những người gặp khó khăn khi khởi động một chiếc xe với tay quay. Năm 1916, Kettering và cộng sự trẻ Thomas Midgely Jr., một kỹ sư cơ khí, đã tấn công trực diện vào vấn đề tiếng gõ trong động cơ. Họ thiết kế một cửa sổ trên xi-lanh của động cơ họ sử dụng trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu và ghi lại tiếng gõ động cơ với một camera tốc độ cao tự chế. Chưa một ai từng nhìn vào bên trong một xi-lanh đang vận hành trước đây. Họ phát hiện ra rằng nó giống như phiên bản thu nhỏ lại giống quá trình cracking(25) trong bể chưng cất dầu. “Tôi muốn các bạn hãy ghi nhớ điều này,” Kettering nói với các kỹ sư ô tô vào năm 1919, “nếu nung dưới áp suất và nhiệt độ cao sẽ tạo ra sự phân hủy của các phân tử [dầu mỏ] trong quá trình cracking, thi điều tương tự có thể xảy ra với nhiên liệu trong động cơ xăng.”[24]
Làm biểu đồ chu trình gõ trong động cơ (trên) so với đốt nhiên liệu bình thường (dưới). Đồ thị đọc từ bên phải sang trái. Dầu thô là một hỗn hợp đa dạng của một số loại dầu và chất béo khác nhau, âu cũng dễ hiểu do dầu là vật liệu biến đổi từ cơ thể của động vật phù du và tảo lắng đọng trong các đại dương nông cổ đại và trên các thềm lục địa, bao phủ với trầm tích rồi trở thành đá trầm tích. Trong nửa thứ hai của thế kỷ 19, khi dầu mỏ lần đầu tiên được tinh chế thành dầu hỏa và chất bôi trơn, nó được chưng cất như rượu whisky: đun sôi trong bể chưng cất, hơi bốc lên chạy qua một đường ống lạnh để làm mát chúng trở lại thành chất lỏng, xăng “vô dụng” bị vứt đi, và dầu hỏa được thu thập. Việc chưng cất đơn giản không hiệu quả: năm 1910, khi các nhà máy lọc dầu muốn sản lượng xăng tối đa cho thị trường nhiên liệu ô tô đang bùng nổ, tỉ lệ xăng tốt nhất họ có thể nhận được từ dầu mỏ của chỉ khoảng 13%.[25] (Tỉ lệ này ngày nay vào khoảng 40 đến 45%.) Nhu cầu xăng cao hơn từ nguồn cung dầu thô hữu hạn ở Mỹ khuyến khích cải tiến công nghệ. Một kỹ sư dầu khí tên là William M. Burton, tốt nghiệp Đại học Johns Hopkins và bắt đầu làm việc trong ngành lọc dầu vào năm 1890, đã phát triển bước tiến lớn đầu tiên cho công ty Dầu Standard ở Indiana. Quá trình Burton, cracking nhiệt, vượt ra ngoài việc đun sôi dầu
mỏ giản đơn và đưa sản phẩm chưng cất để đun sôi ở mức nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiều. Công ty Dầu Standard đã mở nhà máy lọc dầu đầu tiên sử dụng quy trình cracking nhiệt Burton vào tháng 1 năm 1913. “Bể chưng cất của công ty được vận hành ở 95 psi và 750°F,” một nhóm các sử gia về dầu mỏ ghi chép, “và lượng xăng thu được tăng gấp đôi.”[26] Sản lượng lớn hơn và các sản phẩm khác nhau sẽ trở nên khả thi với việc sử dụng các chất xúc tác để phá vỡ một số sản phẩm chưng cất được phân tách bằng cracking nhiệt và tập hợp chúng lại theo những sự kết hợp phần tử mới. Kettering và Midgely đã nghiên cứu vấn đề tiếng gõ động cơ trong sáu năm. Khi đã hiểu nguyên do, họ nhận thấy giải pháp chính không phải là thiết kế lại động cơ mà là nâng trị số octan của nhiên liệu. Cách tốt nhất để cải thiện nhiên liệu ô tô là trộn cồn có trị số octan cao với xăng. Cồn và xăng không trộn lẫn trừ phi cồn hoàn toàn không có nước, nhưng chúng sẽ trộn đều nếu có thêm thành phần thứ ba là benzen, một hydrocarbon chưng cất từ than đá. Một hỗn hợp cồn 30% hoặc 40% với xăng và một ít benzen sẽ làm cho động cơ kêu nhẹ. Kettering và Midgely gọi giải pháp đó là “phụ gia có tỉ lệ phần trăm cao.”[27] Đến năm 1918, quy trình được cấp bằng sáng chế, nhưng không được áp dụng.[28] Nó sẽ là phương án dự phòng, trong trường hợp họ không tìm thấy gì tốt hơn. Phụ gia tuyệt vời là vậy, nhưng cồn cũng có điểm yếu riêng. Cồn nhiên liệu có sẵn sau năm 1906 để phát triển như một chất phụ gia xăng. Tuy nhiên, như ngày nay, nó được chưng cất chủ yếu từ ngô (không phải loại chúng ta ăn tại bàn mà là loại thô hơn để già đến khô cứng và nghiền thành bột ngô làm thức ăn chăn nuôi). Và giá ngô nói chung đã tăng từ năm 1900 đến năm 1917 thì tụt, sau đó tăng trở lại từ năm 1920 đến năm 1925, năm Kettering và Midgely nghiên cứu cồn làm chất phụ gia. Giá dầu mỏ và ngô có xu hướng di chuyển lên xuống cùng nhau, có nghĩa là thêm cồn nhiên liệu có nguồn gốc từ ngô vào xăng sẽ làm tăng giá xăng vốn đã tăng rồi.[29] Nông dân cũng không quan tâm nhiều đến việc trồng ngô để chuyển đổi thành cồn nhiên liệu khi họ đang giàu có nhờ trồng ngô làm thức ăn cho động vật. Động vật vỗ béo được dùng làm thực phẩm cho dân số ngày càng phi nông nghiệp cùng với nước Mỹ đô thị hóa. Nền nông nghiệp của Mỹ trong những thập niên đầu tiên của thế kỷ 20 những năm từ năm 1900 đến năm 1914 thịnh vượng đến mức được gọi là “Thời đại hoàng kim của
nông nghiệp Mỹ,” thời kỳ giá trị của nông sản cao nhất trong hơn 100 năm nay. [30] Nông dân coi sản xuất cồn như là một sự thay thế trong thời gian thu nhập giảm, không phải trong thời kỳ thịnh vượng. Điều đó làm cho ngũ cốc không đáng tin cậy để làm nguồn nguyên liệu thô cho nhiên liệu ô tô. Mặc dù quan tâm đến cồn nhiên liệu, Kettering nghi ngờ liệu rằng trang trại Mỹ có thể sản xuất đủ để đáp ứng nhu cầu ô tô ngày càng tăng hay không. “Cồn công nghiệp có thể được điều chế từ các sản phẩm rau quả,” ông nói vào năm 1921, “[nhưng] tổng sản lượng cồn công nghiệp chiếm ít hơn 4% nhu cầu nhiên liệu, và nếu nó thay thế xăng, hơn một nửa tổng diện tích trang trại của Mỹ sẽ là cần thiết để trồng nông sản nhằm sản xuất loại cồn này.”[31] Đơn xin cấp bằng sáng chế xăng pha cồn tỉ lệ phần trăm cao được đệ trình vào năm 1918 có bao gồm, nhưng không xác định rõ ràng, cồn nhiên liệu. Thay vào đó là benzen: 50% benzen và 50% xăng.[32] Nhưng benzen hầu như không nhiều hứa hẹn hơn so với cồn nhiên liệu. Toàn bộ sản lượng than năm 1920 của Mỹ nếu được chuyển đổi với benzen sẽ chỉ tương đương với một phần năm lượng cung xăng của năm đó. Khó khăn lớn hơn đối với Kettering là sự sụt giảm liên tục trong trữ lượng dầu của Mỹ. Một số thành viên của nhóm nghiên cứu của Kettering làm việc với một nhà hóa học hữu cơ của Anh, Harold Hibbert, tại Đại học Yale vào mùa hè năm 1920.[33] Từ Hibbert, người phát minh ra chất chống đông ethylene-glycol, họ đã biết về khả năng trữ lượng dầu trong nước có thể sẽ cạn kiệt.[34] Nếu sản lượng dầu thô Mỹ tiếp tục ở mức 443 triệu thùng năm 1920, Hibbert cảnh báo, nguồn cung trong nước sẽ cạn kiệt vào năm 1933. “Người dân thường trong nước có hiểu điều này có ý nghĩa kinh khủng đến nhường nào không?” Hibbert chất vấn một cách văn hóa. Điều đó có nghĩa là, ông tiếp tục giải thích, trong 10-20 năm nữa, Mỹ sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào các nguồn bên ngoài để cung cấp nhiên liệu lỏng, “cho máy kéo trong nông trại, phương tiện vận chuyển cơ giới, ô tô, cho việc tạo nhiệt và ánh sáng cho hàng nghìn trang trại nông thôn, sản xuất khí đốt, chất bôi trơn, parafin và hàng trăm công dụng của thứ nhiên liệu thô không thể thiếu này với cuộc sống hằng ngày của chúng ta.”[35] Không có giải pháp tức thời nào trước mắt, Hibbert cảnh báo, “và có vẻ như trong tương lai khá gần, đất nước này sẽ phải trả một khoản tiền lớn hằng năm để có được nguồn cung dầu thô từ Mexico, Nga và Ba Tư.”[36]
Tuy nhiên, nhà hóa học Đại học Yale đã có một giải pháp lâu dài để đề xuất: phương pháp thay thế cho nhiên liệu lỏng từ cồn tạo ra “từ ngô và nhiều loại ngũ cốc khác về mặt này, và từ gỗ, về mặt khác.” Ngoài gỗ thừa, còn có các nguồn xenlulozơ tiềm năng: thân cây ngô, cây lanh, rong biển. Và ngoài cồn, có dầu đá phiến. Hibbert liếc nhìn một cách thù địch vào Tu chính án XVIII, Lệnh Cấm rượu, bắt đầu có hiệu lực vào ngày 16 tháng 1 năm 1920. Ông gọi đó là “ban hành luật một cách không rõ ràng và nguy hiểm,” khiến việc nghiên cứu của ông trở nên khó khăn bằng cách hạn chế sự tiếp cận với cồn (giống như sự bất hợp pháp của cần sa sau này trong thế kỷ 20 sẽ cản trở nghiên cứu về các dược tính của cần sa). Ông sợ Lệnh Cấm rượu có thể làm tê liệt “cả ngành công nghiệp hóa chất đương thời” và tạo nguy cơ cho vị thế và an ninh quốc gia của Mỹ.”[37] Dù đề xuất của Hibbert rất nhìn xa trông rộng - thế giới vẫn đang đương đầu với những thách thức tương tự của ngày nay, từ sự cạn kiệt dầu mỏ, đến dầu đá phiến, đến cồn tái tạo - ông kết luận bằng cách gọi nó là “mơ ước của giới khoa học.” Và mọi người đều bỏ ngoài tai