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太空櫻花,太空櫻花,長得快!長得快!

Peggy Sha
・2017/03/01 ・1511字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

有些科學家對於人類上太空後的身體變化非常好奇,例如最近就有針對雙胞胎太空人的研究,那如果把植物送上太空,會有什麼影響呢?其實,日本人早在 2008 年就做過這種有趣的嘗試了。當年,他們特別挑選櫻花的種子進入太空,而數年之後,這些種子帶著滿滿的宇宙謎團長大成樹,並提前開出特別的花朵。

現在,就讓我們來回顧一下曾讓日本的僧侶和科學家都為之瘋狂的宇宙櫻花吧。

千年櫻花終於後繼有樹

這一株「太空櫻花」曾在國際太空站(International Space Station ,ISS)度過好一段時間,其後回到原本的家園落地生根。在 2014 年的 4 月 1 日愚人節當天,它開出了漂亮的櫻花,這時,它的樹齡約為四歲,比一般自然生長的櫻樹早了整整六年開花。

太空櫻花的開花時間如此大幅度超前,使得日本岐阜市古剎願成寺(Ganjoji) 的僧侶們感到十分困惑。

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願成寺的住持梶田昌宏(Masahiro Kajita)在接受法新社電訪時表示,對於櫻花的生長速度感到十分訝異,在此之前,老樹「中將姬誓願櫻」的種子從未發芽過。

「我們對此感到很高興,因為如此一來 1250 歲的老樹終於有了繼承者。」

著名的中將姬誓願櫻。圖/官網

太空計畫讓孩子參與櫻花生長

這顆來自「中將姬誓願櫻」的神奇種子,曾經參與了太空櫻花計畫。在這個民間企業發起的計畫中,收集了日本全國 14 地各式品種的櫻花種子。

這些種子在 2008 年 11 月時,跟著日本太空人若田光一(Koichi Wakata)前往國際太空站,而後再繞行地球 4100 次後,於隔年 7 月跟著若田一起回到地球。

日本太空人若田光一展示櫻花種子。圖/法新社

結束太空旅程後,有些種子被送到實驗室進行研究,不過大部分都回到自己的家鄉,其中部分種子被種在靠近寺院的苗圃中。

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計畫主持機構「日本載人太空系統」(Japan Manned Space Systems ,JAMSS)的發言人冨岡美穂(Miho Tomioka)說道,送種子上太空是教育文化計畫的一部份,這個教育計畫讓小孩收集樹苗,並了解它們如何在太空之旅後生存並長大成樹。

「我們原先預期願成寺的樹會在種植後 10 年左右開花,而孩子也到了一定的年紀。」冨岡美穂說。

櫻花早開原因有待釐清

但是,這棵性急的櫻花顯然等不及孩子長大,早已先跑一步了。

在 2014 年 4 月,這株太空櫻花已經長到 4 公尺高,而後突然開出 9 朵花,這些花朵只有 5 片花瓣,而原生樹則有大約30片花瓣。相較於一般的櫻花樹,大約需要 10 年才會長出第一批花苞。

太空櫻花只有五片花瓣。圖/法新社

令人訝異的是,願成寺的樹苗不是唯一早開的太空櫻花。

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在14處地方中,有4處的櫻花已經開出花朵。在 2012 年,在山梨縣北社市(Hokuto)這個位於東京西方約 115 公里的山區之中,一株年輕的櫻樹在被種下的兩年之後,開出了 11 朵花;而通常此品種的花要到 8 歲才會開花。

筑波(Tsukuba)大學的研究員富田─横谷香織(Kaori Tomita-Yokotani)向法新社表示自己為這個外星迷團所震懾,她說:我們暫時不能排除這樣的現象可能是肇因於暴露於外太空環境的影響。

横谷香織是一位植物生理學家,她認為要找到櫻樹生長速度如此之快的原因是很困難的,因為沒有對照組的存在。她說,不能排除櫻樹與其他品種的異花授粉這個原因,但是由於缺乏數據,以至於很難得出明確的結果。

「當然,有可能因為暴露於較高劑量的宇宙射線中,因此加速了種子發芽和整體生長的速度。」横谷香織表示。

這株神秘而美麗的太空櫻花帶給我們無盡的謎團,而到目前為止,科學尚未給出一個確切的解釋。寶傑,你怎麼看?

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原文出處:

文章難易度
Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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福島核污水是什麼?我們還能安心吃海鮮嗎?核污水全解析!
PanSci_96
・2023/10/01 ・4897字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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福島核污水正式排放入海了!食鹽要屯多少?海鮮還能吃嗎?哥吉拉要誕生了嗎?

核廢水是怎麼來的?

2011 年 3 月 11 日,一場海嘯衝擊了在福島海邊的第一核電廠,破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機,在備用電池電力耗盡後,冷卻系統完全失效。然而反應爐內的連鎖反應還在持續,最後溫度不斷竄高,高溫水蒸氣與燃料護套中的鋯合金,發生鋯水反應並產生大量易燃的氫氣,最終與空氣中的氧氣作用導致爆炸。

在事故發生前後,日本政府灌入大量海水來為反應爐進行冷卻,而這些直接接觸熔融燃料棒的污水,就被稱為核污水,日文則稱為「汚染水」。至於當時的決策細節與失誤,大家可以看今年上映的日劇《核災日月》複習一下。而既然事件已經發生了,我們就重點討論核污水。

《核災日月》圖/IMDb

現在儲存在福島的核污水不只有冷卻水,其實還有受污染的降雨與地下水。事故發生後,東京電力公司在第一核電廠加裝擋水牆,阻擋因為降雨流經 1、2、3 號機組的污染水流入海洋。並且設置凍土牆隔絕地下水,同時挖水井抽出污染的地下水,讓廠區內的地下水水位下降,因此地下水只會從外部滲入,內部的污染水則不會滲到外面。不論是降雨還是抽出的地下水,都屬於污染水,平均每天都會增加 92 立方公尺的污染水。直至本集影片上架,當地已經存有 134 萬噸的汚染水,而且還會持續增加,你可以自己打開 Google Map,鳥瞰這密密麻麻的眾多大型儲槽,別忘了,核反應爐本體才是日本更迫切的問題,要是污水不先處理,要是下一個天災來襲,麻煩又會疊加。因此日本政府在 2016 年就展開討論,準備要處理掉這些污水。

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福島第一核電廠。圖/Google Map

為何決定排放入海?

為何核污水的最終處置決定是排放入海呢?其實 2016 年提出的方案有五種:稀釋入海、蒸發至大氣、電解水釋放氫氣、深層地質注水、以及水泥固化並地下處置。很快,電解水因為還需要相關技術研發而被否決,這個我們在氫能那集講過。深層地質注水和水泥固化並地下處置,則有選址與法規問題,無法立即實現。這部分則等同於核電使用國都面臨的核廢料處置問題,我們之前花過好幾集介紹過,歡迎前往複習。

最後僅剩稀釋入海和蒸發至大氣兩種方法,最後日本認為海洋的擴散行為更容易追蹤,最重要的是成本僅有蒸發的十分之一,因此選用了這個方法。至於有些人說,既然東電跟日本政府都保證安全,何不做成瓶裝水拿去賣?之類的建議在這我們不多討論,就請大家用理智來看待。

核廢水如何被處理?

根據日本政府的規劃,在這些污染水排放入海前,會先進行淨化處理成為處理水。首先,污染水會經過「銫吸附裝置」,除去銫(Cs)和鍶(Sr)。接著再經過淡水化裝置除去水中的鹽分後,成為「鍶處理水」。這種鍶處理水,可以作為 1, 2, 3, 4 號機組的冷卻水再次循環利用。

最後,大部分的鍶處理水,會被送到「ALPS多核種除去設備」,將 63 種放射性核種中的 62 種放射性核種去除。「ALPS多核種除去設備」唯一不能去除的放射性核種,就是氚(H-3)。但其實啊還有一個碳-14 無法被過濾,但濃度低到可以忽視。經過「ALPS多核種除去設備」處理過後的「鍶處理水」,就稱為「含氚處理水」。

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根據日本政府的規劃,在這些污染水排放入海前,會先進行淨化處理成為處理水。圖/PanSci YouTube

含氚處理水中的氚,指的是氫的同位素的一種,在自然界中就存在。半衰期為 12.43 年,衰變時會進行 β 衰變,放出一顆電子並成為氦-3。β 衰變對人體的穿透距離僅限於皮膚,不會對內臟器官產生傷害。
如要能危害人體,需要長期大量攝取由氚構成的重水。關於攝取過多重水對動植物的影響,我們網站上有文章詳細說明過。

簡單來說,綜合自然界中跟福島即將排放的氚,以及我們的生活型態來看,遠遠達不到可能產生危害的程度。知道劑量決定毒性,就像我們每天都吃下不少「有害」物質,例如殘留農藥、油炸致癌物、過多的精製糖等等,但攝取的多寡,對你的健康影響差異很大。那麼重點來了,福島排放的處理水,真的有合乎標準嗎?

處理水符合標準嗎?

這個問題,我們在今年六月的核廢料主題中有提到,國際原子能總署 (IAEA) 在五月底公布了第一階段的調查結果,針對「日本的核種監控能力」進行第三方驗證。結果認為,日本的檢測標準跟分析方法沒問題,調查結果是可信任的。報告中除了氚以外,其他放射性核種的活度也都遠低於排放限值。例如鍶-90 為每公升 0.4 貝克、銫-137 為每公升 0.5 貝克,以臺灣的「食品」標準,銫-137 為每公升 100 貝克以下,雖然鍶-90 還沒有定下標準,但是依國際食品法典委員會的標準,也是在每公升 100 貝克以下。目前的排放值都遠小於標準。

國際原子能總署(IAEA)公布第一階段的調查結果。圖/PanSci YouTube

除了各單一核種的活度以外,所有水中核種加起來的「告示濃度限度比」也低於日本國家標準的每年 1 毫西弗(mSv/year), 1 毫西弗大約是多少呢?大約是一般民眾一年會接收到的輻射劑量。

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至於無法被 ALPS 處理的氚,因為海洋中的水中就廣泛存在,日本將透過海水稀釋後排放入海。目前世界衛生組織對於飲用水的氚含量標準訂為每公升 1 萬貝克,台灣的標準嚴格了許多,是每公升 740 貝克。東電公司的處理水是每公升 14 萬貝克,在排放前會稀釋 740 倍,以每公升 190 貝克的氚濃度排放,低於台灣的飲用水標準。

那麼食鹽呢?我們需要搶購嗎?這就更不用擔心,因為食鹽中不含水,自然也不含氚。或是更進一步可以參考東海大學應用物理系的粉專,他們計算,根據國家標準,食鹽含水量若為 3% 以下,需要每天吃超過 400 公斤的食鹽才會攝取氚超標。真的,別吃那麼鹹啊。

每天吃超過 400 公斤的食鹽才會攝取氚超標。圖/pixabay

那麼,我們就真的兩手一攤,為這件事劃下結論,核輻射只是庸人自擾嗎?

我們該如何看待排放的處理水?

當然不是,就像許多人擔心的,就算科學上告訴你沒問題,但前提是,這些數據得是沒問題的。而且不用說周邊國家,連日本自家民眾也多次抗議處理水的排放。

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目前在 IAEA 架設的網站上,可以看到整個排水計畫的各種即時監測資料。其中就包括出水口的輻射數值監測。

為了驗證處理水不會對海洋生物產生影響,東京電力甚至從去年 9 月開始,就開始進行海洋生物飼養實驗,並且全程公開直播放在他們的YouTube頻道上。不過這頻道訂閱人數跟觀看次數都有點低迷,有興趣的話不妨訂閱,開啟小鈴鐺。

那麼我們能下定論了嗎?在科學上,我們確實能說,在符合規範下,這些排放入海的處理水是沒問題的,食鹽、海鮮也都能照吃,把注重食安與健康的努力分配到其他危害更大、風險更高的事情上,對處理水保持健康而非病態的質疑,對個人來說應該效益更高。

臺灣從去年到今年 6 月,曾 3 次組團赴日考察,並於 8/24 公佈報告書,包含跟日方的問答內容,還有福島核廢水排放設施的照片。海委會表示,專家觀察團評估日方排放相關作業的安全性,跟國際原子能總署評估的結果一致。然而是否選擇相信日本以及 IAEA 給出的數據,如今看來成了國際政治問題。

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另外,在 IAEA 的小組成員中,包含周邊國家:中國、美國、韓國、越南、澳洲、加拿大、法國、俄羅斯、英國、阿根廷、馬紹爾群島,並不包含台灣。如果台灣也能以任何形式加入團隊,或得以取得樣水複測,讓我們知道,日本以及 IAEA 給出的數值是可信的,想必都能更進一步降低民眾的擔憂。

最後,也問問大家,對於這次的處理水排放事件,你會擔心我們的海鮮或食鹽受到影響嗎?

  1. 不擔心,跟人類對海洋的其他污染相比,根本小巫見大巫。
  2. 擔心,等我親眼見到泛科學到現場實測我才相信。機票我出!

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參考資料

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PanSci_96
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鑑識故事系列:韓男跨國尼古丁謀殺詐保案
胡中行_96
・2023/08/28 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘

2017 年 4 月 25 日,一對韓國的新婚夫婦,前往日本大阪度蜜月。[1, 2]22 歲的丈夫聲稱,發現 19 歲的妻子倒臥旅館浴室地板,毫無意識。急救團隊 1 小時後趕抵現場,判斷女子呼吸心跳停止,但仍將她送醫。女子才到醫院,就被宣告死亡。[3]

日本大阪市景。圖/Nomadic Julien on Unsplash

證物

根據男子的說法,妻子生前有割腕等憂鬱的症狀,而且會喝酒及服用不明藥物。日本警方查扣浴室衛生紙架上的針筒;以及房間裡,裝著雙氧水的綠瓶子與同色紙盒。[註1]男子解釋,針筒的用途為混合電子菸的菸油。既然他也說亡妻不抽菸,[3]那東西大概是他的。

驗屍

大阪市立大學的法醫團隊,於估計的死亡時間後 36 小時,進行驗屍:女子高 159 公分,重 45.3 公斤。外觀上,背部有暗紅紫的屍斑與瘀點;臉龐與瞼結膜鬱血;雙臂因注射而皮下出血。電腦斷層掃描顯示肺水腫,且周邊輕微氣腫。從解剖可見心臟裡的血液呈深紅,無血塊;腦部水腫;肺臟及其他諸多內臟鬱血;[3]而負責氣體交換的肺實質出血。[3, 4]另外,有些胃部的食物殘渣,跑進她的細支氣管。[3]

女子的右臂注射處。圖/參考資料 3,Figure 1a(CC BY 4.0)

法醫團隊採集了多種體液送驗,其中心臟左邊血液的白血球介素-6(interleukin-6);以及心包液和腦脊髓液的兒茶酚胺(catecholamine)濃度超標。前者意味早期系統性發炎;後者表示藥物中毒。此外,大量尼古丁(nicotine)遍佈大腦等諸多內臟、某些體液,還有注射處一帶;而其代謝物可替寧(cotinine),主要是在肌肉、內臟和注射處附近,測量得到。至於血液等各種體液裡的過氧化氫(hydrogen peroxide;H2O2),即雙氧水有效成份,濃度均未超出正常範圍。[3]

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死因

尼古丁能經由呼吸道、消化道或血管等途徑,進入人體。[註2]女子的胃裡,沒驗到太多。抽菸的話,血液中的濃度,幾分鐘內便能上升至 10 ng/mL。不過,檢驗結果遠超過該數字,所以應該是注射所致。隨血液流動的尼古丁,會率先湧向腦部,因為該處佈滿菸鹼型乙醯膽鹼受體(nicotinic acetylcholine receptors),之後才去其他器官。當肝臟代謝尼古丁,短短 1 小時內產生的可替寧,濃度即能達到尼古丁的 2 至 4 倍。尼古丁的半衰期為 20 分鐘到 2 小時;而可替寧則是 20 個鐘頭,它會在體內停留較長的時間,才經腎臟代謝,然後跟著尿液排出。由於這名女子的所有檢體中,尼古丁的含量皆高過可替寧,因此可以推測她注射不久便死亡。[3]

判刑

男子經亡妻的家屬同意,於日本火化遺體後返鄉。韓國警方則請國際刑警組織幫忙,從日本取得驗屍報告;並於男子住處找到籌劃謀殺的日記。[5]2018 年 3 月 28 日,世宗市的警察逮捕男子,指控他毒死妻子,好詐領 1.5 億韓圓(美金 14 萬零 187 元)的保險金。[2]事實上,這不是他第一次以此手法殺人。警察發現男子曾於 2016 年 12 月 20 日,將尼古丁摻入飲料給當時的女友喝。所幸後者覺得味道奇怪,沒喝完而逃過一劫。[5]2018 年 8 月 30 日,大田市的法庭駁回其協助妻子自殺的說法,認為男子的行為「破壞了社會基本價值」,判處他無期徒刑,以儆效尤。[2]

  

備註

  1. 原個案報告的摘要,說警察還找到尼古丁菸油;描述事件的段落,卻只提及針筒和雙氧水,而且沒講針筒裡有無菸油。[3]
  2. 儘管注射處的尼古丁濃度甚高,法醫團隊依舊在論文中,分析食用和吸入的假設性情形。不過,沒有解釋如何排除尼古丁貼片等,經皮膚吸收的可能。

參考資料

  1. Lim CW. (28 MAR 2018) ‘Man arrested for killing newly-married wife with nicotine for death benefit’. Aju Korea Daily (아주경제).
  2. Lim CW. (31 AUG 2018) ‘Husband sentenced to life for killing wife with lethal dose of nicotine’. Aju Korea Daily (아주경제).
  3. Aoki Y, Ikeda T, Tani N, et al. (2020) ‘Evaluation of the distribution of nicotine intravenous injection: an adult autopsy case report with a review of literature’. International Journal of Legal Medicine, 134, 243–249.
  4. Chaudhry R, Bordoni B. (25 JUL 2022) ‘Anatomy, Thorax, Lungs’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  5. Chung C. (28 MAR 2018) ‘Man investigated for killing newlywed wife with nicotine’. The Korea Herald (코리아헤럴드).
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胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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