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朱諾號沒有的法寶:放射性同位素熱電機

火星軍情局
・2016/07/04 ・1873字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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!

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

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。

Juno in a basketball court

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。

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這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

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-90β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。

鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

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238NASA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。

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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1.52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 generatorASRG),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?

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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史上最近!NASA朱諾號飛掠木星神秘大紅斑
Peggy Sha/沙珮琦
・2017/07/11 ・1810字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

  • [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。

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。圖/NASA

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 SpotGRS),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。

朱諾號探測器已飛行了超過 1 億公里,近日將飛越木星的大紅斑。圖/NASA

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。

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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。

大紅斑約是地球的 2~3 倍大。圖/By Brian0918, public domain, wikimedia commons

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 11 日早上 9 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 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。

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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。

朱諾號隨身攜帶的傢伙真的很多!圖/網路天文台

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。

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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!

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朱諾號沒有的法寶:放射性同位素熱電機
火星軍情局
・2016/07/04 ・1873字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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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!

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

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。

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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。

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這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

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-90β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。

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鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

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238NASA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1.52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 generatorASRG),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?

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2016《自然》精選八大科學事件:除了重力波,還有什麼?
陳柏成 (Po Cheng Chen)
・2016/12/28 ・4013字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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!

相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain
相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain

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。

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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!

川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51041412
川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

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。

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大膽前進太空吧!

被陽光照射一部份的木星。圖/NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Mai
被陽光照射一部份的木星。圖/NASA

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

基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr
基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr

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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

綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr
綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr

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。

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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

巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention - http://www.cdc.gov/ncbddd/birthdefects/images/microcephaly-comparison-500px.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46674502
巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention, Public Domain, wikimedia commons.

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。

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鬥智遊戲的頂尖對決!

圖/Prachatai@flickr
圖/Prachatai@flickr

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

藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr
藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr

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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:

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陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com

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朱諾號沒有的法寶:放射性同位素熱電機
火星軍情局
・2016/07/04 ・1873字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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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!

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

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。

Juno in a basketball court

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。

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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。

這些都是深入木星軌道以外的美國太空船,那裡陽光不足,因此幾乎都用RTG。朱諾號和歐洲探測彗星的「羅塞塔號」是所有到小行星帶外的太空船中唯二沒有RTG的。

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-90β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。

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鈽238根本就是靠自己燒紅的金屬塊。

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238NASA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1.52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 generatorASRG),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?

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