朱諾號沒有的法寶：放射性同位素熱電機

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

根據聯合國統計數據，全球每年 38% 的溫室氣體排放，並非來自道路上的交通工具，而是由「現代都市與建築」所造成的。

我們如今站在兩條路徑的十字路口。一條是依賴更多水泥建築與空調系統來抵禦夏季酷暑，然而這樣的選擇只會加劇室外大氣的惡化。另一條則是徹底改革建築、用電、設計與都市規劃，不僅尋求低碳排放的建築方式，還要找出節能降溫的解決方案，實現事半功倍的效果。

然而，我們是否真的能將建築業的碳排放歸零？

建築的溫室氣體哪裡來？

在建築物 60 年的生命週期中，建材的碳足跡其實只佔 9.8%，因為建築一旦完成後，材料不會頻繁更換。相反，日常生活中的用電才是主要的碳排來源，占了 83.4%，其中大部分來自冷氣、照明和各種電器。

當然，讓大家集體關燈停用電器「躺平」來拯救地球，顯然不切實際。既然完全不消耗能源是不可能的，我們應該尋找更現實的解決方案。

現在就來看看全球七棟零碳建築之一——成大的「綠色魔法學校」，臺灣首座淨零建築，如何運用建築技術，成為當代永續建築的典範。這些技巧中，有哪些能應用到你我家中呢？

為了省電要把煙囪塗黑、吸收更多太陽光？

都市裡，我們最大的挑戰之一就是夏天的高溫，水泥建築群在陽光的烘烤下，變成一個個巨大的窯爐。為了解決這個問題，綠色魔法學校在國際會議廳裝了一個煙囪，不過這不是為了讓窯爐更熱，而是用來降溫的。

煙囪為什麼都都要蓋的那麼高？原來煙囪越高，上下的溫差越大。熱空氣因為密度低而向上移動，產生熱對流。溫差越大，這個熱對流就越強烈，這就是所謂的「煙囪效應」。在要幫室內降溫的情況下，我們的目的是產生更強的煙囪效應，抽走熱空氣，讓室溫下降。但這棟建築裡沒有火爐，而溫差不夠大時，這效應會變得微弱，那該怎麼辦？

_{浮力通風效應。圖 / 泛科學自製動畫截圖}

綠色魔法學校提出了一個大膽的解法：在煙囪南面下半部改裝透明玻璃窗，並將煙囪內部塗成黑色，還加裝了黑色烤漆鋁板，這樣可以最大限度地吸收太陽光。每當艷陽高照，這個不插電的的「自然通風系統」就能自動啟動，創造局部的熱對流，帶動整根煙囪的熱氣向上移動，為室內降溫，達到節能效果。以熱制熱，完全反常識。

幫室內降溫的最大原則是：通風。

實際上，不是人人家裡都有煙囪。但如果建築的高處沒有任何窗戶或通風設備，熱空氣就是會從屋頂一路往下蓄積在室內。因此，你也一定在許多工廠或民宅的屋頂看過一個不斷旋轉的小風扇，它們也是有異曲同工的效用。雖然不是高聳的煙囪，但特殊的渦輪構造，風吹過就會開始轉動，並連帶空氣排出室外。是個不用插電的通風球。

綠色魔法學校的煙囪就是個效能更強的換氣機，足以讓 300 人大型會議廳的換氣次數，高達每小時 5 到 8 次，甚至能在室內颳起風速每秒 0.5 公尺的微風，是最舒適的環境。這些利用熱氣密度的差異來改善室內溫度的方法，又稱為「浮力通風」。

為了把通風貫徹到底，綠色魔法學校在建築的兩面裝設大量窗戶以及吊扇，來讓水平也能通風。這些我們習以為常的裝置，其實才是關鍵。靠吊扇的一點點電力讓自然風可以自由進出，耗費的能源，遠比冷氣還要少得多。

幫空調省電的最後一招，就是微環境控制。

實際上魔法學校內還是找的到空調設備，並不是完全拔除不用。除了選用最高效率的主機，以及把室內循環做到最好以外，降低周遭環境溫度才能減低冷氣的負擔。要降低水泥叢林的熱島效應，需要植被與水體來做溫度調適。

在太陽照射下，水泥屋頂表面最高可以達到攝氏 70 度，如果屋頂有種植植栽，室內頂層樓板的表面溫度就可以維持在攝氏32 度以下。不用開電就先幫室內降溫。

水也是關鍵的一環。一是水的比熱高，想打破水分子之間的氫鍵，需要大量的熱量，要讓一千克水的溫度升高一攝氏度，需要 4,200 焦耳的熱量，這可以避免溫度因為烈陽就快速上升。二是當溫度真的過高，水也會透過蒸發帶走熱量，讓溫度不至於向上飆。

魔法學校的屋頂花園使用水庫淤泥，研磨後燒製成的再生陶粒，裡頭混合了稻穀，結構極細，不會像有機土一樣分解消失，可以涵養水源，還不用動不動補土壤，不只降低屋頂植被的澆水次數，還能達到降溫效果。地面也採用透水鋪面，讓每一滴水都不浪費。

綠色魔法學校本名是成功大學的「孫運璿綠建築研究大樓」

2013 年被英國知名出版社羅德里其評為「世界最綠的建築」，並獲選為聯合國全球七棟零碳建築之一。

除了表彰之外，在認證上也確實取得了臺灣最高等級的「鑽石級綠建築」認證，以及美國最高級的「白金級綠建築」兩個綠建築認證。

為了讓相同的成效可以陸續在全臺的所有建築上實現，臺灣在既有的綠建築標章體系上，擬定出了「建築能效評估系統 BERS」，針對關鍵的空調、照明、插座電器的用電狀況訂出明確的耗電密度指標得分。簡單來說，就是每平方公尺的面積上，每年平均的用電量。

要打造一棟淨零建築，需要設計與材料硬體的相互配合。在日常用電這最大耗能項目上，能透過前面的淨零設計與智慧能源管理來減低能耗。而我們還沒提到的最後一塊拼圖，則是回到建築的建材本身。這部分減碳的方法有很多種，例如將傳統施作工法改為在工廠就完成模組化建材製造的「預鑄工法」，減少現場搭建鷹架、施工的步驟，達成減碳。又或是將部分建材更換為木、竹等負碳建材，甚至使用零廢棄物、能「循環使用」的建材。例如 2018 年亮相的臺中花博荷蘭館、或是 2021 年台糖在沙崙啟用的循環聚落。

建築物能夠完全不用電嗎？……電從哪裡來？

沒錯，連全球最綠的建築——綠色魔法學校，也無法做到完全不使用電力。正如前面提到的，建築的最大能源消耗來自日常使用，而這所「魔法學校」的成就，是成功將日常能源消耗降低，讓溫室氣體排放減少超過 50%。

這就是關鍵，減少一半後，剩下的部分就靠周邊的造林、太陽能和風能等綠色能源來補足。

2022 年 3 月，國發會公佈了 2050 淨零排放的路徑圖，參考美國、日本、歐盟等國，制定了 2050 年達成淨零建築的目標。

這條路徑包含兩個核心目標：第一，所有建築物要在建築能效評估系統（BERS）中達到 1 級節能，甚至進一步達到「1+ 級」近零碳建築的標準，減少至少 50% 的能源消耗。第二，同步發展再生能源，讓這些近零碳建築朝淨零邁進。

這個目標比你想像的要容易實現。比如，2023 年 12 月，台達電的瑞光大樓 II 就成功取得了「1+ 級」近零碳建築認證，並符合 0 級淨零建築規範。而在 2024 年 7 月，國泰人壽在臺中烏日的商辦大樓經過改造後，也達到 0 級淨零建築標準。這些案例證明了綠色魔法學校的成功經驗可以複製，不論是新建築還是舊建築，都能達成甚至超越淨零目標。

為了不讓每一年的夏天都是你我餘生最涼的夏天，碳排歸零是必須要實現的目標。現在你知道，這個任務的關鍵就掌握在你我手中。就像選擇能源標章電器一樣，只要選擇符合 BERS 能效標準的建築，我們不僅能降低冷氣的依賴，也能節省電費，讓地球和你的荷包都雙贏。

• [2017.07.14]註：熱騰騰的照片出爐囉～下圖來自 NASA，於台灣時間 2017 年 7 月 11 日早上 10 點  7 分拍攝，並由公民科學家 Gerald Eichstädt 利用朱諾號的數據進行影像增強製作而成。這是朱諾號第七次的木星繞行，在拍攝圖像時，其距離行星雲頂約 9,866 公里。

剛剛慶祝完環繞木星週年的朱諾號探測器已飛行了超過 1 億公里，最近更會直接飛過木星的大紅斑（Great Red Spot，GRS），這將是人類史上第一次與大紅斑擁有如此近距離的親密接觸。

看得見摸不著的大紅斑，原是巨大氣旋

大紅斑是一個位於木星南赤道邊緣的反氣旋旋渦，它的寬度廣達 16,000 公里，足足有地球的 2~3 倍大。早在幾百年前便被人類發現，自 1830 年代開始留有正式紀錄，這個陪伴觀星者許久的紅斑，據推測至少有 350 多年的歷史。

來自聖安東尼奧西南研究院（Southwest Research Institute in San Antonio）的朱諾號首席調查員史考特‧波頓（Scott Bolton）表示：

木星神秘的大紅斑大概是她最著名的特色。

波頓提到：這個巨大的風暴已經在太陽系最大的行星上肆虐了好幾世紀，而今，朱諾號和她所攜帶的「木星極光紅外成像儀」（Jovian Infrared Auroral Mapper）將可深入了解這個反氣旋旋渦，探索氣旋的根源究竟有多深，並藉此幫助我們了解它究竟是如何運作、為何如此獨特。

刻苦耐勞朱諾號

收集大紅斑的數據是朱諾號第六次飛越木星雲頂的重要任務之一。朱諾號會在台灣時間 7 月 11 日早上 9 點 55 分到達近木星點（Perijove），其位置在木星的雲頂上方約 3,500 公里處。而在 11 分 33 秒之後，朱諾號會再行進約 4 萬公里，到達大紅斑捲曲的雲頂正上方，彼時探測器會全副武裝、攜帶八個精密儀器在大紅斑上方飛行約 9 千公里。

來自加州噴射推進實驗室（JPL）的朱諾號計畫經理瑞克‧內巴肯（Rick Nybakken）認為成功收集到的木星資料證明了 NASA 團隊的奉獻精神、創造力和技術能力。他說：「每次的軌道繞行都讓我們更靠近木星輻射帶。」而截至目前為止，朱諾號竭力撐過木星周圍的磁場影響，刻苦耐勞的程度超乎科學家的預期。

再靠近一點，揭開木星神秘面紗

朱諾號在 2011 年 8 月時於佛羅里達發射上空，飛行五年後於 2016 年 7 月 5 日正式進入木星軌道。在探勘木星期間，朱諾的飛行高度極低，與木星雲頂僅距離 3,400 公里。朱諾號利用繞行，努力探索木星雲層下的種種現象，藉由研究極光去深入探索行星的起源、結構、大氣和磁場。

在朱諾號過去的研究成果中，我們可以發現到太陽系最大的行星「木星」是個十分動盪的世界，她的內部結構非常複雜，有充滿能量的極光及巨大的極地氣旋。

朱諾號預計將在 2018 年 2 月於指揮中心的控制下脫離軌道、墜入木星，結束這次劃時代的任務。換言之，這次與大紅斑的近距離接觸，可說是最初與最後的邂逅，而這場相遇到底會帶來什麼樣的新發現，真是令人無比期待！

• 參考資料：NASA’s Juno Spacecraft to Fly Over Jupiter’s Great Red Spot July 10 NASA [2017.07.01]

編譯／Nihil

從今年美國的總統大選，到太空中所發生的災難性技術故障，對於科學研究者來說，2016 年似乎是個動盪的一年。然而與此同時，科學家們也宣佈了諸多令人矚目的科學成果，例如觀測重力波、DNA 來自三個人的嬰兒以及人工智慧打敗李世乭等。在這歲末時分，就讓我們與您分享，來自《自然》（Nature）期刊精選出 2016 年的八大科學新聞。

重力波，I got you！

在今年 2 月 11 日，研究者們宣稱，他們在太空中找到了重力波（gravitational wave）的證據，方式為透過雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO）的探測器，在 2015 年 9 月偵測到來自 10 億年前，兩個黑洞碰撞所產生重力波的訊號。

這項觀測的重要性在於，它進一步證實了愛因斯坦在廣義相對論的預言，認為大質量的天體相互碰撞，或是超新星爆發等天文事件，都可能引發波的漣漪；同時這項觀測也再次為黑洞的存在提供證據。就在 LIGO 宣稱結果的數週後，歐洲太空總署的雷射干涉太空天線開路者號（LISA Pathfinder）任務，針對新的技術進行了相關測試。該技術將有機會比 LIGO 觀測到更大、且更遠的天體所產生的重力波信號。

新世界秩序的誕生！

紛亂的 2016 年美國總統大選，就在唐納．川普（Donald Trump）於眾人跌破眼鏡的勝利中劃下句點。對於科學研究者來說，最關注的在於成為總統後的川普，在政策上將會如何對待科學。事實上，從川普的競選過程中可以發現，其並未凸顯出科學的重要性。另外川普的一些觀點是顯而易見的，例如他認為氣候變遷（climate change）本身是場由中國主導的騙局，並由此做出承諾美國將會退出巴黎氣候變遷協議；順帶一提的是，他還認為孤獨症和童年時期注射疫苗有所關聯。

當川普的政府開始成形之際，科學家們針對新總統對科學的漠不關心提出反對。在今年 11 月尾，包含 22 名諾貝爾得主在內的 2300 位科學家聯合提交給川普一封信，希望能「堅持科學的誠信與獨立性的高標準，以用來因應當前公共衛生及環境健康的威脅」。另外，如果各位還記得，今年 6 月 23 日英國宣佈脫離歐盟，這件事同時也震驚了當地的科學界。對於科學家來說，他們擔心這將會使他們失去每年來自歐盟的補助，以及和其他歐盟國家之間的交流。但略感欣慰的是，英國表示，政府仍將會持續提供科學家研究經費直到 2020 年。

大膽前進太空吧！

在 2016 年，不時出現一些太空任務未盡理想的消息。今年 3 月，日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA）所研製的 X-ray 天文衛星「瞳」（Hitomi）在發射一週後失敗了。根據研究人員推論，失敗的理由在於軟體上的失誤，進而造成太空飛行器的旋轉超出控制。7 月的時候，美國國家太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的探測器「Juno」抵達木星，然而由於主引擎的問題，造成火箭升空的延遲，使得運行的橢圓軌道更加接近星球。雖然這樣的結果使得比原定計劃還要緩慢，不過「Juno」仍持續收集木星的大氣及磁層的數據。另一方面，歐洲太空總署在今年 10 月時，作為 ExoMars 任務的其中一項環節──Schiaparelli著陸器出現問題，原因在於測量上的失誤，導致降落傘在不對的時間點開啟。

以上各種失敗雖讓人有些氣餒，但對太空學界而言，2016 年還是有一些令人振奮的成果。中國在今年 8 月時，發射了第一顆量子衛星（quantum satellite），目標在於進行太空中相關安全量子通訊的測試。而在 9 月時，中國也在貴州完成了世界最大的單口徑電波望遠鏡。到了 11 月，中國發射了長征五號，並且在 10 月及 11 月期間送了兩名太空人在天宮二號太空實驗室生活了一個月，這些都創下了過去的紀錄。

CRISPR的爭議

CRISPR-Cas9 是一個至今仍持續發展的新基因編輯工具。在今年 10 月 28 日，一名在中國成都華西醫院的肺癌患者，成為了史上第一位進行CRISPR-Cas9技術的人。在臨床試驗中，研究者會試圖讓一些原控制免疫系統的細胞失去作用，並讓已編輯的基因增加免疫效果，用以對抗癌症。然而關於這種技術的商業前景仍有不確定性。美國專利與商標局宣稱將「干預」兩個研究團隊的訴訟時，關於基因編輯技術的專利權爭論可說達到了最高峰。

另一方面自今年起，有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9 技術。當然，這樣的方式引起不少關於該研究領域的爭議，理由在於設計嬰兒的可能性。話雖如此，目前仍有國家允許這樣的研究，其中包含了中國、英國以及瑞典。他們認為透過這樣的技術，將可幫助人類未來的發展。

氣候危機的到來

來自 174 個國家及歐盟的代表們，在 4 月 22 日地球日這天共同簽署了巴黎氣候協定。不過事實上若要讓協定生效，需要超過 55 個國家、並且其加總的溫室氣體排放量要超過全球 55% 才能成功。而最大的進步莫過於在今年 9 月，佔據全球共 38% 溫室氣體的兩個國家—美國和中國，正式加入巴黎協定。在一週後，巴西及其他 30 多個國家也陸續加入，最後由歐盟在 10 月 5 日正式底定這場協議，並在 11 月 4 日生效。

不過，以上這些並非是唯一為氣候變遷所做的努力。在今年 10 月 6 日，聯合國的國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization）決定將針對國際航班減少碳排放量。而在 10 月 15 日，共有 197 個國家同意修改蒙特婁議定書（Montreal Protocol），藉由逐步淘汰氫氟碳化物等溫室氣體來達到保護臭氧層的目標。在 10 月 28 日，相關國家也打破長達 4 年的僵局，在南極洲旁的 Ross 海成立了世界最大的海洋保護區。

茲卡病毒的肆虐

今年 2 月，世界衛生組織（World Health Organization, WHO）聲明，巴西那些因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷案例，已成為全球公共衛生的重大議題。這些先天缺陷包含小頭症（microcephaly），意為新生兒擁有比一般正常嬰兒更小尺寸的頭腦。然而縱使茲卡病毒在美洲肆虐，事實上並沒有造成想像中大規模的小頭症及其他茲卡所導致的先天缺陷案例。即使在巴西，高比例的小頭症患者也只存在於東北部，因此研究人員開始猜想，這種疾病的背後，可能同時存在多種因素的影響。

到了 11 月 18 日，世界衛生組織宣佈茲卡病毒與先天缺陷之間的相關案例不再是公共衛生的重大事件，但會持續研究茲卡病毒傳染造成的影響，並發展疫苗。許多國際研究單位也將繼續為相關問題提出解答，例如受感染的孕婦，會有多少比例生出具有先天缺陷的嬰兒。

鬥智遊戲的頂尖對決！

今年 3 月，來自 Google 旗下公司「DeepMind」所研發的人工智慧 AlphaGo，在圍棋比賽上擊敗了世界知名棋手李世石。而在 10 月時，研究者揭示了另一項人工智慧產品，它能在不需預先擁有相關知識的條件下，了解倫敦地鐵複雜的路線分佈。這些複雜的程序結合記憶與從經驗學習的能力，將人工智慧又更進一步的朝人類邁進。

除了讓人工智慧做以上這些事外，透過大量的深度學習（deep learning），它同時也能降低 60% 由機器進行語言翻譯所造成的失誤，並幫助物理學家尋找新的材料。

來自三人的DNA

經過十多年的研究，透過輔助生殖技術（Assisted-Reproductive Technology），進而達到結合三個人的 DNA 研究已取得突破。這些研究的目的之一，在於避免孩子從上一代的粒線體中遺傳到疾病。今年 9 月，研究人員在墨西哥診所宣佈第一個利用此技術的嬰兒誕生了。

另外，就在今年 12 月 15 日，根據科學家們建議，英國的人類生殖及胚胎學管理局（Human Fertilisation and Embryology Authority）允許了該項技術在臨床上的使用，並將在 2017 年開始上路。

以上，為本年度《自然》（Nature）期刊精選的八大科學新聞，其中醫學相關領域就佔了三項，包含茲卡病毒、基因編輯以輔助生殖技術，可謂豐收的一年；另外，雖然本次人工智慧領域只佔一項，但筆者相信，假以時日，一旦 AI 領域有更大突破，當「科學研究」本身都能藉更臻於完美的人工智慧之手操刀時，在往後的年度科學新聞中，它將會是顆耀眼的巨星。

原始來源：

• 2016 in news: The science events that shaped the year, Nature

這一顆行星曾被外星太空船侵入多次，今年美國的獨立紀念日又遭到新的太空船進犯，而且這次的太空船比上一次的更大！

我可不是在說電影，這裡說的可憐行星是木星，而這個「外星」太空船則是來自地球的美國朱諾號（Juno）探測器。它雖然和電影《ID4》中侵略地球的外星飛碟相比微不足道，但是它有三個8.9公尺長的龐大太陽能板，一個籃球場都放不下，也的確比其他造訪過木星的太空船大得多。不是因為NASA喜歡大，這是不得已的。因為木星離太陽遠，朱諾號最多只會收到地球附近4%的陽光，因此只有增加太陽能板的面積，但是這也讓朱諾號的重量增加了340公斤。也別不滿足了，要不是近年太陽能板的光伏效率大幅精進，朱諾號一定更肥。想要用太陽能到更遠的土星？慢慢等吧。

說到這裡你會不會奇怪，有史以來所有造訪木星的太空船，包括短暫飛越木星的先鋒號、航海家，和繞行木星八年的伽利略號怎麼都沒有太陽能板呢？那是因為NASA有一個法寶，那些老太空船都有，只有朱諾號沒有。

這個法寶叫做「放射性同位素熱電機」（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱為RTG），是一種小型的核能發電機。別被嚇到，它的「核能」不是核能發電廠那種核分裂連鎖反應，說穿了只是一坨高純度的放射性原料，在放射的過程中會生熱，因此就是一個不用插電的暖爐。如是這時候再把「熱電偶」放在冷熱的交界處，溫度差異產生的熱電效應就會產生電壓，提供穩定的電流，就好像一個源源不絕的電池。這樣的電源雖然能量轉換效率低，但是能量夠大、體積小，就是一塊東西，沒有動件，不需維修，真好。

可以用來做RTG的放射性同位素並不多，蘇聯曾經把「鍶90」做的RTG給北極圈裡方圓百里無人煙的燈塔，只是鍶-90的β衰變放射線穿透力強，需大塊厚重的金屬層層包起來才行。蘇聯解體後，曾有偷廢鐵的小偷看上這堆「廢鐵」，就把老舊的RTG大卸八塊拆回家，卻被放射線弄得幾乎一命嗚呼，還不知道怎麼死的。

適合放在太空船上的只有「鈽238」，因為它的能量更大，但薄薄的金屬殼就足以擋住它α衰變產生的放射粒子，而且半衰期為87.7年，特別適合需要長期飛行的太空船。只有一個問題：自然界沒有鈽238，它是製造核子武器的副產品，當年核子俱樂部的國家只有美國和蘇聯看出它的價值，把它留下來。美國六零年代生產大量核子武器，手上的鈽238多得用不完，不但阿波羅計劃的登月小艇都有RTG（至今還在發電），有的人造衛星也有。蘇聯應該也半斤八兩，發射不少帶有RTG的人造衛星，只是資料從來沒有公布。後來太陽能板技術漸漸成熟，就不再在普通人造衛星上用RTG了。

好景不常，美蘇限武談判後全面停止製造核武，1988年後美國就不再製造鈽238，NASA才驚覺未來太空船的能源有問題，還好俄國對錢的興趣更甚于太空探險，趕快向它買16.5 公斤。現在NASA手上的鈽238一共只有35公斤，但是堪用的只有17公斤。

17公斤很多嗎？好奇號火星車就用了來自俄國的4.1公斤，幾個月前通過冥王星的新地平線號用了約10公斤，正在土星的卡西尼太空船更用掉30公斤。

美國預計要砸下9千萬美金，由能源部負責生產，估計在2018年後可以達到穩定量產：每年1.5至2公斤，省著點用還勉強活得下去。另一方面，NASA也在發展效率是RTG四倍的「先進史特林同位素發電機」（advanced Stirling radioisotope generator，ASRG)，那就更省了。沒辦法，現在入流的國家都不再製造核武，鈽238就成了稀世珍寶，難道要NASA向北韓買嗎？

延伸閱讀：

• 朱諾號木星探測器發射升空 泛科學 2011/08/30
• 跟著朱諾號搖滾吧！泛科學 2011/08/30

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