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科學寶可夢2 #157 火爆獸:千萬別摸牠

Rock Sun
・2017/12/27 ・3063字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下(其實是我自我放逐~~~),R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。(y編按:已經富奸太久了!!!!!!)儘管寶可夢有點退燒了,但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界,對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎?

第二世代打頭陣的熱學謎團  #157 火爆獸

像最一開始一樣,我們先從某隻御三家開始說起。而由於菊草葉-月桂葉-大竺葵的介紹幾乎都是曬太陽、有香味、跟大自然互動等有關,老實說……感覺超無害的。然後當我看到火球鼠的最終進化型火爆獸時,整個反差就出來了。

「當牠生氣的時候,體溫會上升,任何碰到的東西都會立刻燒起來。」—金、紅寶石、藍寶石、葉綠、綠寶石、心金、X

「牠有一個大絕招……用力摩擦自己的毛產生爆炸。」–銀、火紅、魂銀、Y

這一看就知道不得了!![注1]

這裡有兩個現象需要驗證,一個就是火爆獸的身體能夠產生夠誇張的高溫,高到能夠讓牠碰到的東西立刻燒起來;二來是能藉由摩擦毛皮讓氣體膨脹,進而產生爆炸。

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雖然前者沒有詳細講產生高溫的方法,後者沒有說磨擦和爆炸之間是什麼關係[注2],但我們可以試著綜合一下這些現象之間的物理學~~

岩漿跟這次的重點一點關係都沒有,但很帥嘛~(圖/arkeis-pokemon – DeviantArt)

摩擦生熱~~聽起來很簡單嘛~

「生熱」的方式很多種,例如化學反應、吸收輻射、物理運動時正常的能量釋放……等,都會放出熱量,當然只要夠熱、能達到燃料的燃點並有氧氣,就可以生火,但再開放其他選項給火爆鼠之前,就先來研究一下它圖鑑中有指名道姓的摩擦生熱。

任何物體~我再重複一次~~任何物體 的表面都不是完全光滑的,就算是冰塊也一樣。微觀上,當你把兩個物體表面彼此接觸時,兩邊的分子、原子會開始吸引對方,產生一種暫時的鍵結,每當你摩擦、移動的時候這些鍵結就會被打斷,消耗你的一些力氣,但同時為了保持能量守恆,這些能量就會化為熱量釋放出來。

在日常生活中你對摩擦生熱一定也不陌生,在這篇文章出現的季節你可能不時會搓幾下手,只為了求得那短短一瞬間的溫暖,但從來沒聽說過有人因此而灼傷,或是手就然燒起來的[注3],事實上,光是雙手合十用力搓個幾分鐘就相當累了,而這裡卻有一個傢伙不只能讓自己覺得好溫暖、還能讓任何東西燒起來。

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「friction fire」的圖片搜尋結果
摩擦生熱。你夠厲害的話燒起來是可能的。

而要計算摩擦生熱的過程其實相當複雜,一言以闢之,它的公式長這樣。

簡單的說,這個公式就是計算每一分一寸火爆獸移動的毛都會產生一點熱量,然後沿著身形把這些熱都加起來,這個時候真的很希望真的有一隻現實存在的火爆獸能夠給我們測量表面積、毛皮密度和毛皮組成了[注4],但在自己估算這些東西真的有困難的情況下,只好先從簡、從讓一個物體燃燒的最低要求開始討論起。

可能是全世界最摸不得的寵物

燃燒有三要素:氧氣、燃料、溫度,其中氧氣無所不在,而且毛髮空隙中一定很多氧氣,所以這個條件就是為已經達成好了。至於要滿足剩下兩個條件,火爆獸有兩條路可以走,一是單純的把自己的身體加熱到滿足物體的自燃點;二是身體先產生火花,在燃燒任何碰到的東西。

自燃點指的是常壓下,只要外部沒有火花、火焰等火源點燃時,一個物體會自己燃燒的最低溫度。用這個方法最大的難題就是這需要火爆獸自己產生難以置信的高溫[注5],例如乾燥的木頭自燃點介於 300~400℃、煤的自燃點有 700℃、而有機氣體如烷烯炔則有高有低,高如甲烷有 537℃而庚烷則只有 215℃。

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所以要讓所有找的到的燃料自燃燒起來的話,火爆獸大概也要加溫到 800℃以上,但要靠摩擦產生這樣的高溫,火爆鼠的毛皮應該要像橡皮那樣具有高摩擦係數,而且在短小的空間內以驚人的速度來回移動,就算如此還不一定能有這種溫度呢~

而且如果還要滿足「碰到任何東西都會立刻燒起來」……這怎麼可能……

所以你真的很棒~(圖/GIPHY)

燃燒、爆炸一次搞定的好方法

不過火爆獸也可以不需要這麼拼命的摩擦生熱,因為靠第二種方法,生理上或許可以容易一點,也可以達到圖鑑的第二條敘述,就是他自己可以先產生火花。

我們現實生活中就有個靠摩擦生熱而且起火相當輕鬆的實例,就是火柴。

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火柴頭是由一些相當易燃的物質製成的,例如氯酸鉀和硫磺,而用來摩擦的盒子表面是由紅磷、玻璃粉等物質組成的,當你不快也不慢一抹,火柴與磷皮接觸面可以達到大概200~300℃之間,這時候火柴就會燃燒。

而且現在的火柴這樣設計已經是因為安全目的了,如果不要命一點的話還可以改成其他物質,例如白磷,只要今天稍微熱一點……火爆獸就能自動燒起來喔~ 但如果繼續使用紅磷的話,只要火爆獸的毛有這些成分並能夠彼此摩擦就好了,而且剛剛好火球鼠一脈背上都有奇怪的紅色毛皮,難不成那些是產生爆炸的關鍵嗎?

爆炸,可以從物理和化學的方法來解決,其中化學比較直觀一些:其實只要火爆獸的毛有部分是火藥組成,然後他身上有能力產生火花,產生爆炸就不難了,不過前提是牠自己能撐過去[注6]。

稍微目測一下,那些斑點差不多是0.02平方公尺的圓形,大概有4塊這樣的毛皮,假設他們厚2公分,然後它們100%都是火藥構成的(反正只要有一點火花就好了,乾脆點),這樣差不多是00016立方公尺的火藥。

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如果牠每一次一點火,這麼多的火藥就爆炸,會有多少威力呢?

想必那個梳子來歷應該也不小…..(圖/GIPHY)

TNT的密度是1.654 g/cm³,經過計算之後,這幾塊毛差不多能提供大概約2.5公斤的炸藥,每一公斤的TNT能釋放400萬焦耳的能量,2.5公斤分量的話,這威力足以炸掉2台小轎車。

所以這下子組成火爆鼠的完美元素們都達成了,在博士和訓練師高興之餘,要記得不要在他生氣的時候用抱抱安撫他喔~ 要不然小心身首異處…..

編注:

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  1. 從火球鼠開始,這三隻寶可夢的介紹都是清一色的「生氣會捲起來」、「從背上噴火保護自己」、「越生氣火焰越強」、「會背對對手,用火焰攻擊」,老實說感覺好像都是同一個人寫的,火爆獸是唯一個相關描述比較明確的了。
  2. 單純的看「摩擦」和「爆炸」彼此真的沒有絕對的關係,像車子開久了,輪胎和馬路磨擦磨久了也不會爆炸,但如果考慮到溫度、壓力等就有可能,但單純字面上真的一點關聯都沒有。
  3. R編抱著好奇的心情搜尋了:「用手摩擦生熱世界紀錄」,還真的找到一位美國人,在2010年留下紀錄,靠著磨擦手增加6℃…..雖然我不知道花了多久,但感覺很真的很偉大啊 ~
  4. 這裡我原本想加上對火爆獸毛皮的推測,用物質之間摩擦係數的高低來判斷他的毛皮是用什麼做的。但發現線索真的不多,而且摩擦係數高的物質看起來都不向是生物身上長得出來的東西,所以就算了。
  5. 在跟之前火伊布、鴨嘴火龍、噴火龍相比,800℃真的是小菜一疊,所以我也不知道我在擔心什麼~延伸閱讀:科學寶可夢 #126、136 火伊布、鴨嘴火龍:燙也該有個限度
  6. 如果不顧人命和自身安危的話,可以使用白磷,自燃點只比30℃高一點,所以很容易就產生高溫,而且物質本身具有毒性,作為軍事武器很危險,所以國際已禁用,如果火爆獸真的用白磷的話,可能屬性還要多一個毒屬性。

資料來源:

  1. Engineer Toolbox
  2. Discovery: Mythbuster
  3. How Stuff Works
  4. Scientific pokedex
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文章難易度
Rock Sun
64 篇文章 ・ 966 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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E10 低碳汽油:台灣減碳新契機,為何我們應該接受?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/01/17 ・3468字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與美國穀物協會合作,泛科學企劃執行。

台灣將在 2040 年禁售燃油車。但別急,現在路上開的舊有車款不會馬上報廢消失,因為舊有的車輛會繼續開到年限結束。根據計算,當禁售燃油車的那一天來臨時,還有大約 60% 的車輛是燃油車。這時,在多數交通工具還是燃油的情況下,美國、歐盟等國已經開始使用酒精燃料來減少碳排放,那麼,台灣也能做到嗎?

你聽過 E3、E10 汽油嗎?

這是指在汽油中加入酒精,E3 代表有 3% 的汽油被酒精取代,而 E10 則是 10% 的汽油換成酒精。酒精是一種抗爆震性能更好的燃料,且比化石燃料更環保,因為它可以來自生質燃料,碳排放也較低。即便算上運輸和加工的碳足跡,用玉米製造的乙醇仍比傳統汽油的碳排放低了 43%。其實,在美國、歐洲、澳洲等地,E10 或更高比例的酒精汽油早已廣泛使用,這在我們之前的影片中也有提過。

現在,台灣有 14 間加油站可以加到 E3 汽油,而中油也正積極促使相關部門開放 E10 汽油的銷售。

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不過,在推動這項改變之前,仍有許多民眾對酒精汽油有疑慮。大家最關心的問題是,把不是汽油的燃料放到引擎中,到底會不會對車輛引擎造成不良影響?例如會不會影響引擎運行,甚至影響里程數?
其實,換燃料確實會對引擎有影響,因為不同燃料燃燒後所產生的能量與副產物都不一樣。但別擔心,根據我們之前的討論,2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。換句話說,除了少數舊車或特殊車型,約 95% 的汽機車都不需要擔心這個相容性問題。

2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。圖 / 美國穀物協會提供

E10 汽油在效能上的表現,會不會受到影響?

學過化學的人都知道,燃燒其實是一種氧化反應,可以用化學式表達。也就是只要汽缸的大小是固定的,就能算出空氣中能參與氧化反應的氧氣分子有多少,進而推算出每次汽缸燃燒時,應該搭配多少的燃料。

當引擎運作時,汽缸內的氧氣分子會與燃料反應,產生動力。為了最佳化效能,引擎的噴油嘴會精準控制每次的進油量,確保空氣和燃料的比例,稱為「空燃比」。接著調整噴油嘴的設定,讓出油量符合我們的需求。

每當空氣成分改變,燃料量或燃料的種類更換時,空燃比就會產生變化。在燃料相對空氣來說比較多時,我們通常稱為「富油」;相反的,如果燃料相比空氣來的少,就稱為「貧油」。如果我們把汽油換成百分之百的酒精,因為酒精每單位體積所需要的氧氣比較少,而且熱值比較低,因此會產生貧油現象,推力感受起來自然也會比較低。

要解決這個問題,方法其實不難,只要增加燃料量即可。而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。

而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。圖/美國穀物協會

這類交通工具被稱為彈性燃料引擎,顧名思義,能很彈性的使用汽油、E100 酒精汽油、或是任何比例的甲醇、乙醇、汽油的混合物。彈性燃料引擎跟一般引擎最大的差別,就是內建了「燃料成分感測器」。能透過判斷燃料的種類與比例,調整噴油嘴的出油量設定以及點火正時,讓引擎的輸出動力維持在最佳狀態,確保引擎效能不受影響。

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所謂的點火正時,指的是火星塞點火的時機。不同的燃料,化學反應的速度與膨脹的體積不同,當然會對應不同的點火時機。

但是 E100 其實也不是純酒精?

大家都知道,蒸餾酒需要經過多次反覆蒸餾,為什麼不能只蒸餾一次就好呢?原因在於,酒精與水的沸點雖然不同,但它們不完全互斥,會產生交互作用。在蒸餾過程中,即使酒精的沸點較低,水仍然會在加熱的過程中,隨著酒精部分蒸發進入容器中。

事實上,當酒精濃度達到 95.63% 時,不論再怎麼蒸餾,濃度也不會再上升。這是因為當酒精濃度接近這個比例時,酒精與水的沸點非常接近,這種現象稱為「共沸」,意思是酒精和水的混合物會一起沸騰,無法再進一步蒸餾分離。

共沸現象的結果,就是為什麼市面上銷售的藥用酒精,濃度最高都是 95%,而非 100%。因為更高濃度就必須使用脫水劑等方式處理,成本會提高,或是因為有添加物而不符合藥用標準。所以當然,E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。

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E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。 圖 / 美國穀物協會提供

解決迷思:酒精汽油是否容易因吸收水分,而產生油水分離?

事實上,酒精和水是高度互溶的,這使得高比例的酒精在汽油中有更高的水分耐受性。簡單來說,進入油箱的水氣,會溶在酒精汽油中而不會產生油水分離。

根據美國國家可再生能源實驗室的研究,即使在高溫高濕的極端環境下,E10 酒精汽油也需要經過三個月才會出現明顯的油水分離。而三個月也是一般汽油建議最長的保存時間,因為汽油放太久就會氧化。

也就是說,酒精與水混和物的特性,不是把酒精和水的相加除以二那麼簡單,它們的交互作用更加複雜。

一篇刊登在《國際能源研究期刊》的研究指出,在可變壓縮比引擎中的實驗結果,加入酒精後,引擎的功率會逐漸升高,在 E10 酒精時為最佳比例效果。

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當然,實際情況和實驗室當然不能直接類比。大多數汽車和機車並未專門為酒精汽油做調整,那這樣會有多大影響呢?根據英國政府的官方結論,直接使用 E10 汽油與一般汽油相比,每公升的里程數大約會降低 1%,但在日常駕駛中,這個差異幾乎不會被察覺。實際上,載貨量和駕駛習慣對油耗的影響,遠遠大於是否使用 E10 汽油的影響。

更好的一點是,酒精其實是一種常見的工業用品,以每美國為例,在過去一年中,酒精的離岸價格實際上都比汽油還低,因此不用擔心酒精會讓油價變貴。

此外,經過調校的引擎也不必擔心推力問題。事實上,F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。

F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。圖/unsplash

最重要的是,使用 E10 燃料的好處明顯更多。由於酒精和烷類燃料的分子式不一樣,酒精分子式中多了一個氧原子,這使得燃燒過程中反應會更完全,能夠產生更多二氧化碳而非有毒的一氧化碳,同時降低一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物的產生。

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最關鍵的一點,酒精與化石燃料相比,能夠更快速地幫助減碳。只要確保使用永續農法、不與糧食競爭土地的前提下,所製造的玉米乙醇,碳排量就是比化石燃料還要低。

E10 低碳汽油是填補減碳缺口的最快方案,挑戰只在接受度

英國引入 E10 後,每年減碳 75 萬噸,相當於減少 35 萬輛汽車的碳排量。而台灣呢?目前根據政策規劃,台灣 2040 年起將新售的汽機車全面電動化。依照這個目標進程,在 2025 年將達成減碳 288.6 萬噸的目標。然而,這距離運輸部門須減少 487 萬噸碳排量目標,還差 198 萬噸。

如果燃油車全面改用 E10 低碳汽油,則能減碳 202 萬噸,幾乎能完全彌補缺口。這項方案的優勢在於,E10 與一般汽油性質相近,不需更換新的引擎設計或架設特規加油站,執行門檻低。

實際上,目前推動低碳汽油最大的瓶頸,大概就是民眾對於這個新燃料的接受度了吧!如果接受度提升,購買量上升,成本也有機會進一步再下降。

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鑑識故事系列:義大利煙火工廠爆炸
胡中行_96
・2023/08/10 ・1785字 ・閱讀時間約 3 分鐘

義大利南部每到新年,必要放煙火驅邪避凶。西西里島上,某家族經營的煙火工廠,隨著年關將近,如火如荼地籌措活動所需。2019 年 11 月 20 日,[1]突然發生巨大爆炸。[1, 2]該廠 20 年前的類似意外沒死人;這回可沒那麼幸運。[1]

2019 年義大利的某場新年煙火。圖/Marco Chilese on Unsplash

爆炸傷害

煙火以硝酸鉀(potassium nitrate)、煤粉(pulverised charcoal)及(sulphur)為主要成份。爆炸的時候,會壓縮空氣,並提高其壓力和溫度,產生殺傷力十足的爆炸波(blast wave)。[2]爆炸傷害大致可以分成 4 類:[2, 3]

  • 第一類:爆炸波直接傷害充滿氣體的臟器,例如:肺部、腸胃道或中耳等。[2, 3]若是太靠近源頭,或是爆炸的力道過強,則實心的內臟,像是肝臟與脾臟,也會受傷。[2]
  • 第二類:爆裂物本身或其他碎片造成的穿刺傷。[2, 3]比第一類的傷害來得普遍,而且是爆炸事件中,最常見的死因。[3]
  • 第三類:爆炸波使人體位移而撞上東西,或者遭毀壞的建物結構壓到,導致鈍器損傷、腦震盪、穿刺傷和各類骨折等。[2, 3]
  • 第四類:吸入有害氣體、燒傷、輻射,或其他間接的環境傷害,以及心理衝擊。[2, 3]

煙火工廠的死傷

西西里這家煙火工廠有16棟建物,編號 6 和 7 全毀;鄰近的8號著火;其他的所有建物,也遭到向周邊擴散的爆炸波衝擊,輕微損壞。7 名現場人員的創傷,涵蓋上述所有類型;其中死亡的 5 人,皆有至少 2 到 3 度燒傷。[2]以下死傷摘要,整理自新聞報導,以及現場鑑識、解剖驗屍和 3D 電腦斷層等結果:[1, 2](請慎入超連結附圖。)

  • 受害者 1:36 歲,男性;肺、肝、脾臟撕裂;肺部出血性水腫、急性肺氣腫;顱骨碎裂,右邊肋骨卡了建物碎屑,全身多處骨折;死於建物 6 和 7 附近。(照片[2]
  • 受害者 2:23 歲,男性;多處骨折;建物碎屑侵入左顳頂骨、前腹壁及各處的皮下組織;頭、頸、腹部撕裂;四肢瘀青且燒傷;死於建物6和7附近。(照片 [2]
  • 受害者 3:34 歲,男性;顱骨碎裂,內臟全毀,屍塊四散,遠過建物8。[2]
  • 受害者 4:71 歲,女性,即工廠老闆娘;[1, 2]急性肺氣腫、急性支氣管腺泡出血;多處骨折,塑膠物嵌入左頂骨;在建物8旁,幾乎完全燒成焦屍。[2]
  • 受害者 5:39歲,男性;全身多處撕裂及燒傷,肺部出血性水腫、急性局部肺氣腫,右脛骨開放性骨折;[註]送醫途中死亡。[2]
  • 受害者 6:工廠少東;[1, 2]嚴重燒傷,輕微骨折,兩側耳膜穿孔,治療後出院。[2]
  • 受害者 7:嚴重燒傷,輕微骨折,治療後出院。[2]

炸得面目全非,屍塊殘破的受害者 3,是所有死者中最難辨識的。於此情況下,DNA、指紋或牙齒都派得上用場。這個案件的鑑識團隊,靠死者父母提供的 DNA,比對身份。[2]

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a. 該煙火工廠的衛星空照圖;b.和c.分別為建物 7 與 8。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

還原事件

火災調查單位經過一番努力,還原事發過程:建物 6 到 8 的功能,分別是堆放成品、儲存染料與製造煙火。受害者 1、2、3 和 5,於建物 6 及 7 一帶,裝設新的拉門;其中受害者 3 在建物 7,焊接門軌的鐵製支撐結構。受害者 4,即工廠老闆娘,則從建物 8 的方向前來。另外,受害者 6 跟 7,也就是少東與一名工人,應該也在附近。 [2]

除了少數自殺案件,當事人把煙火塞進自己嘴裡;多數的煙火爆炸事故,起因於工作人員未受訓練,或者操作時沒遵守安全規定。[2]正確的焊接環境,必須保持通風,移除或隔絕可燃物。[4]這家煙火工廠依照相關法規施工,然而焊接的火花,卻還是引發爆炸,釀成5死2傷。也難怪司法單位一度懷疑,是勞資糾紛導致的惡意縱火,不過最後證據都指向意外。[2]

  

備註

原個案報告在文章中,描述受害者 4 右脛骨骨折;但是根據其表格 1 和 2,那應該是受害者 5 的創傷。[2]

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  1. Deadly fireworks explosion rocks Sicily’. (20 NOV 2019) Deutsche Welle, Germany.
  2. Baldino G, Stassi C, Mondello C, et al. (2021) ‘Forensic investigative issues in a fireworks production factory explosion’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1647–1654.
  3. Jorolemon MR, Lopez RA, Krywko DM. (18 JUL 2022) ‘Blast Injuries’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  4. Welding processes – Code of Practice’. (JUL 2020) Safe Work Australia.
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