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在蓋離岸風電之前,先讓海洋地質探勘船「大地能源號」來幫海床把個脈

趙軒翎
・2017/12/29 ・3198字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

在蓋房子之前,得先幫建地來個地質身家調查:土質鬆軟還是結實、有沒有土壤液化的可能……等。那當我們要在海上蓋離岸風力發電的「大風車」,為了不要讓它們轉一轉反而隨風倒下,了解海底下的地質狀況也是興建之前首要的任務。

讓我們隨著大地能源號出航吧! 圖/環球測繪公司提供

這次要接下這個任務出航的勇士,是台灣第一艘自有的海洋地質探勘船「大地能源號」(Geo Energy)。它最主要的任務就是到風機預定架設的位置,沒有偏差、非常精準地鑽探到海底,取得這個區域的土壤樣本。專業人員靠著它取回的樣本以及當地的海床資料,來分析這架風機該如何架設,才能安全又穩固。

要做到這一點,絕對不只有把船開過去、鑽頭放下去這麼簡單。

絕對不能挖錯洞!動態定位系統 On

先說說定位吧!為了要精準的在風機預定架設的位置鑽探,船的定位相當關鍵,透過 GPS 衛星定位將船開到預定地點只是第一關,第二關則是得讓船在鑽探的這幾天中都不能動。你總不希望在鑽探取樣的時候,你的船還跟著盧廣仲的魚仔游來游去、搖來搖去吧!

在風、海浪、洋流的各種「騷擾」下,船要能固定在同一個位置,一般是依靠錨來固定,而且大多不只一個。不過在大地能源號上,並不是用錨來固定船隻,而是用動態定位系統(Dynamic Positioning System),讓整艘船在鑽探過程中不受到風浪因素而偏移。這個動態定位系統可以根據儀器所測到的風速和風向,即時修正船隻位置,讓船保持固定。

大地能源號的動態定位系統(DP 系統)操作台,真正作業的時候這個位子屬於 DP 手,讓船可以抵抗海流不偏移。 圖/Emilee Hsieh

動態定位系統有如此的能力,在於它掌控了四個引擎。大地能源號的主人家、環球測繪公司地工技術總監黃宗宸解釋,這個系統會分析海流的流向、流速,並去預測下一秒的海流狀況,讓引擎朝反方向產生推力,使得探勘船能固定在原處。「這四顆引擎是 24 小時不間斷在燒油,一天就要燒掉 15 噸的油。」黃宗宸說。(我相信老闆心裡在淌血……)

雖然燒油花錢,不過好處是省下拋錨的時間。你會問拋錨需要多久?拋四個錨固定探勘船就要花六個小時,而動態定位系統只需要 10 分鐘。更別說錨的定位精準度完全比不上動態定位系統啊!

大地能源號的主要鑽台井架,也是負責鑽探的主要結構。 圖/Emilee Hsieh
大地能源號鳥瞰照。 圖/環球測繪公司提供

在定位沒有問題之後,船上的鑽探作業小組才會將海床框架與鑽探導板下放到海床,啟動鑽頭來切割海床地層。一般在雲林與彰濱外海以沉積層為主之地盤,離岸風力發電廠址的鑽探調查,會依據設計之需要鑽 80 到 100 公尺,並取得樣本供海床地質分析。

而鑽一個孔要多久呢?從事鑽探工作超過 35 年的環球測繪公司董事長黃新志說,鑽一個孔的作業時間取決於海床的地質,一般的砂土層只要兩天半到三天,然而台灣竹南以北的海床礫石較多,一個孔可能就要鑽八天!如果臨時遇到天候不好,船員們也只能收回鑽管、包袱款款回陸地避難,這一個孔就得下次回來重新再鑽一次。

在大地能源號來到台灣之前……

既然直到今年(2017)才有了這艘鑽探船,那以前需要鑽探的任務都怎麼辦呢?黃新志說,以往的探勘船來自國外,不過將船從國外調到台灣使用,需要多支付動員費,這筆費用相當高。從陸上鑽探工做起家的他,非常不服氣,決定自己來做。

環球測繪董事長黃新志剛出社會即踏入陸上鑽探工作,直到中年轉跨入海上鑽探領域。他所擁有的油壓式平台和探勘船,將成為離岸風電風場探勘的重要工具。 圖/Emilee Hsieh攝影

他從添購小型的油壓固定式工作平台開始,從陸地跨入海洋鑽探的工作。這種油壓平台得依靠拖船,將平台放到要鑽探的位置才能使用。平台的四隻腳會插入海底固定,再開始進行鑽探工作。有別於鑽探船,平台不需要像船一樣一直消耗油料,需要的人員也較少。不過缺點就是只能在較淺的區域使用,因為水越深,支撐的四隻腳就要加長,當腳長過長時,會因細長比過大,在受到較大之洋流與測向之風力作用時,對平台之穩定性會有相當大之影響。而且在遭遇天候變化時,平台較無法快速撤離。

油壓固定式工作平台適用於水深較淺的區域。 圖/環球測繪公司提供

近年來由於離岸風力發電開發的需求大增,也讓黃新志與合作夥伴們下定決心要自己買探勘船。風機預定設置點的地質探勘,不同於其他例如石油探勘等,需要精準的定位。「大地能源號」是我國目前的第一艘,接下來幾年也預定再投入其他艘船,來因應需求。目前這艘船已執行過彰濱工業區、雲林、桃園外海等風場的探勘任務。

鑽探起來的土壤樣本要做什麼?

不管是探勘船或平台取得的土壤樣本,都得經過專業人員的分析,才能決定這個位置適不適合蓋風機,或是適合蓋什麼類型的風機。黃宗宸說,這些樣本取出後,會先在船上判斷土壤的種類、初步了解它的物理特性,例如單位重、含水量等基本資訊,以作為安排後續試驗之依據。其他的樣本會封存在取樣管中,這個管內的樣品是不擾動的樣本,盡量保持該地地質原始的樣貌,然後送往專業的認證實驗室進行進一步的試驗與分析。

地質取樣管(圖左下方)。 圖/Emilee Hsieh攝影

在實驗室中,除了像是健康檢查一樣,要測試土壤的物理特性(如單位重、材料組成、含水量等),再由它的力學特性來提供風機基礎設計之參考依據。此外,靜的看完,動的也不能放過。風機設置之後,風機本身和土壤緊密貼合會相互影響,台灣處於環太平洋地震帶上,時常發生大大小小的地震,反覆的震動會讓土壤的顆粒相互推擠,有可能造成土壤液化的現象,使土壤瞬間失去支撐基礎的能力,就會讓風機傾倒。在了解各深度土層的動態特性後,若知道有相關的風險,就得考慮是否改變基樁形式或針對地盤狀況進行處理。

探勘船不只能鑽探,還可以找炸彈

這麼看起來,似乎這艘船只能在風機建設之前能發揮作用?

大地能源號因為具備動態定位系統,讓它能跨足不同的工作。在離岸風機建造的過程中,可以協助在打基樁時進行氣泡帷幕工法,減低工程噪音;也能在風機運作期間執行維護作業。非得用上這種有動態定位系統的船,原因無它,就是避免在作業過程中船不小心撞上很貴的風機,那可就得不償失了。

除了離岸風機相關的工程,搭配上磁力儀,還也可以成為海上行動金屬探測器,能夠協助尋找海底的未爆彈,或是墜海的飛機。

大地能源號內部。圖/環球測繪公司提供

有了船,還需要能操作的人

現在大地能源號上船員仍多半是外籍人士,目前正在申請將此船更改為台灣籍,在這之後船上將至少有三分之二為台灣的船員。國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權說,探勘船比起商船需要更精準地操作,定位上有差異。

但他期望有興趣的學生可以挑戰,並擁有海洋測量或海事工程的能力,就能勝任探勘船的工作。

國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權,本身就曾是一名船員,後來投入海洋地球物理領域。 圖/Emilee Hsieh攝影

對於一艘擁有動態定位系統的探勘船而言,船上的重要人物除了船長之外,就是操作動態定位系統的 DP 手。「我已經教了十年書,但我們台灣還沒有自己的 DP 手(船隻動力定位系統操作員,Dynamic Positioning Operater)。」國立高雄海洋科技大學航海系副教授許華智說。他提到 DP 手的訓練困難在於它的師徒制,必須有一個具有證照的 DP 手帶領,才有資格取得證照。「現在的困難是,我們一個都沒有。」許華智也期許,大地能源號能夠幫助國內訓練相關人才。

「(希望)我們的學生可以做的不是只是跑船而已,還能有更好的出路。」許華智說。


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趙軒翎
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在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:scimonth.chao@gmail.com


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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