太空狗英雌「萊卡」和牠有去無回的宇宙之旅

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 撰文／陳子翔、林彥興

全新的太空時代已經揭開序幕，不同於上一次太空競賽時期，如今的太空發展不再是大國政府限定專利，隨者商業潛力的成長近年民間太空產業蓬勃發展，成為吸引創新思維和專業技能的重要領域。在太空產業充滿機會的新時代，RunSpace 太空創新無限挑戰也在去年正式開辦，為台灣太空新創注入能量！

RunSpace 是經濟部產業發展署太空計畫的一環，是一項沒有參賽資格限制，不限專業領域背景，不論是學生還是社會人士都可以報名參加的太空提案競賽。參加者除了提案參與競賽之外，也會在主辦單位舉辦的 Space Bootcamp 訓練營中提升實力，並與其他團隊互相交流。

邁入第二屆的 RunSpace，這次收到了比去年更多優秀且富有創意的提案。最終，三支團隊從決賽脫穎而出，冠軍與亞軍分別由「3Q」與「太空藥局」團隊奪得，而「Project Subsidium」則同時獲得季軍與企業最愛獎。

冠軍隊伍「3Q」提出以電子膠帶實現智慧溫控，降低衛星開發成本

電子紙是一種耗電極低且不需背光的顯示器技術，常見的應用包括電子書閱讀器、公車站牌到站資訊等等。但你有想過，這樣的技術居然也可以應用在太空中嗎？本次冠軍團隊「3Q」，提出名為「ASTRID」的可變色電子膠帶。利用電子墨水技術，它能像是烏賊的身體一樣根據環境改變顏色，調整衛星表面的吸熱放熱效率，從而實現衛星的智慧溫控。

團隊負責人蘇惟思指出，衛星在太空中運行時，其中一面會受到高溫陽光照射，另一面又面向寒冷太空，同時內部的儀器自身也會產熱，因此唯有做好熱控系統，才能維持衛星運作，而散熱器（Radiator）正是衛星熱控系統中重要的一環。傳統上，衛星製造商往往要根據每個衛星的大小、運行軌道與內部儀器的需求，去設計出不一樣的散射器以滿足溫控需求。但若使用 ASTRID 電子膠帶，即可不用針對每個任務重新設計散熱器的形狀、大小與位置，而是透過改變散熱器表面的顏色，去滿足不同熱控需求，如此一來就能大幅降低衛星開發的時間與金錢成本。

蘇惟思表示，ASTRID 技術的構想與測在他大學就讀太空工程系時就已經開始，今年初他以這項技術在美國成立新創公司 SQUID3 Space，目前也正積極的進行募資與尋找潛在客戶，這次參與 RunSpace 競賽獲獎，也對投資者來說有一些加分效果。

最後，蘇惟思分享了寶貴經驗，為未來有志投身太空創新創的人提供建議。首先，他強調不要害怕在競賽中失利，或是被投資者、客戶回絕。去年他也有參與第一屆 RunSpace，而當時連前三名都沒有拿到，但不放棄繼續嘗試才有機會有好的成果。他還分享了曾有人告訴他：「如果創業期間，一週內沒有被客戶或投資者拒絕超過一次，就代表你不夠努力。」

他也提到在創業過程中，許多工程師容易犯一個錯誤，即先開發產品，然後再尋找客戶。在做專題或研究時，開發自己想做的產品，解決自己有興趣的問題是可行的方向，但是在​​創業上不要只埋頭於自己的專案，而沒有先暸解市場的需求。

冠軍得主3Q團隊，在展覽攤位上以遠距視訊的方式與參展者互動，介紹 ASTRID 的相關資訊。

亞軍團隊「太空藥局」提出太空方舟製藥，期望開拓太空市場新藍海

RunSpace 是太空主題的競賽，但這並不意味只有航太與工程背景的團隊才能參加。亞軍團隊「太空藥局」就是來自生技產業，他們提出名為「太空方舟」概念，希望未來只要攜帶簡易的裝置和材料，就能在太空中生產人類生存所需營養素與藥品，滿足長時間太空旅行的需求。

團隊說明，太空方舟的構想是將人體所需的營養或藥物基因保存在經設計過的細胞中，並在需要時使用這些細胞來生產這些營養素與藥物。這樣一來，在資源與空間有限的太空旅行中，可以用很小的空間與循環資源實現永續生產，太空旅行所需的營養素將不再需要全都從地球發射升空，而是在太空船上實現自給自足。

這次 RunSpace 的提案中，太空藥局以蝦紅素為例，團隊指出蝦紅素是天然超級抗氧化劑，對於太空中長時間逗留的太空人有助於抵抗輻射、保護皮膚、減緩老化和降低罹癌風險。目前傳統蝦紅素的取得方式主要仰賴捕撈磷蝦，或是透過大量土地面積養殖藻類取得，但這兩種方式都需要使用地球上的資源，無法在太空生產，而且也容易對生態造成破壞。

因此，太空方舟成了理想的解決方案，既實現太空環境下永續生產，也提供一個耗費資源更少、更環保的生產方式。同時太空方舟的技術還可以用於保存重要的營養與藥物生產基因迴路，提供資源安全性的策略，應對氣候變遷和戰爭等風險。

同時隊長也分享了團隊進入太空產業的想法，他指出太空旅行需在有限的空間與資源下，循環生產足夠人類長時間生存的物資，而台灣的環境其實也與太空旅行有相似之處。台灣沒有廣大的土地與豐富的天然資源，也因此太空方舟不僅是針對太空旅行的藥品、營養品的生產方案，也是未來台灣可以採用的永續生產方式。

此外，團隊認為生物科技本來就是台灣的強項，非常有潛力可以應用在太空需求，且在太空產業中，生醫領域相對於火箭或是衛星領域還是個藍海，有很多商業與技術發展潛力，值得台灣投入。

季軍隊伍「Project Subsidium」提出太空無人機 EVAid，打造太空漫步萬能助手

本屆季軍得主則是 Project Subsidium，團隊的兩位成員皆是台科大在學學生，並分別來自電機系與建築系。他們提出了名為 EVAid 的小型太空無人機，旨在成為太空漫步的萬能助手，協助太空人太空漫步的工作進行與活動紀錄拍攝。除了奪下季軍之外，這項提案也獲得了本屆中華電信企業最愛獎的肯定。

Project Subsidium 團隊表示，這個特殊的團隊名稱取名靈感來自 NASA 的太空探索任務，因 NASA 多採用與任務內容或精神有關的一個英文單字為太空任務取名。團隊也笑著說，在斟酌要使用哪個英文單字後，他們覺得使用拉丁文感覺更酷更有趣一些，而＂subsidium＂則是拉丁文協助的意思，呼應 EVAid 太空無人機能提供太空漫步協助的目標。

EVAid 外觀呈現四面體，每個端點裝有離子引擎，並在表面設有太陽能板。EVAid 的一大特色是模組化的設計，讓它可根據不同的需求，去設計不同模組安裝在擴充接點上。比如裝設攝影機、燈光、工具架甚至是機械手臂，滿足太空人艙外活動時拍攝、照明、放置工具的需求。由於其自帶推進器，因此 EVAid 也可以成為太空人的移動工具，或是接上太空站的艙體協助移動太空站組件。

即便成員都不是航太背景，Project Subsidium 團隊認為，太空產業要深入可以非常專業，但在網路資源豐富的現代，一些涉及範圍比較廣的題目，只要有心其實也是每個人也都可以嘗試，也會有自己的專業派上用場的地方。例如在控制系統和無人機相關知識，就與電機系所學相關，而建築系的專長則在設計圖繪製會模型製作上派上了用場。

團隊也分享了以學生身份參加 RunSpace 過程中遇到的一些小挑戰，像是在參賽過程中還是要顧及學校課程與考試，成果發表與頒獎的時間也很不巧的正好是期中考週。另外他們也提到，暑期團隊成員分隔兩地，也有遠距工作與溝通的問題需要克服。

最後，Project Subsidium 團隊分享了這兩年參與 RunSpace 學到的寶貴經驗，他們表示不需要一次就試圖做規模龐大，想要＂Do Everythig＂的專案，而是要考量商業可行性。在類似 RunSpace 的競賽中，明確的目標和可行性分析至關重要。

季軍得主 Project Subsidium 的作品 EVAid 模型展示，端點為離子引擎的噴嘴，中間的圓形處則是與其他模組相接的接點。

2023 RunSpace 太空創新無限挑戰圓滿落幕，而下一屆的 RunSpace 預計將邀請更多國際上的太空科研單位與業界團隊加入策略夥伴，同時讓更多國際上的團隊報名參賽，共同推動太空創新，也讓 RunSpace 成為更加國際化，主題多元的太空盛事！

1957年的今天，一具蘇聯的火箭悄悄發射升空，成功將一顆約莫海灘球大小（直徑58公分），有著四根細長天線的小圓球送上五百多公里高的軌道，為夜空增添一顆閃爍的星星。它就是第一顆人造衛星──史普尼克一號（Sputnik 1）

史普尼克的俄文原義是「旅程中的同伴」。

多恰當的名字，它就像地球在宇宙時空旅行中的同伴，每一個半小時就繞行地球一圈，並以無線電波不停地向地球發射訊號──像不像你散步時，不停繞著你轉圈圈，還興奮地對你輕吠的小狗？啊，說到小狗，一個月後發射的史普尼克二號，還真的載了一隻名為萊卡（Laika）的三歲小狗上太空（漆黑的宇宙中牠那閃閃發亮的眼珠是望向牠來自的藍色地球，還是遠方的點點繁星？牠會不會想念那寒冷卻可自由流浪的街頭？）。

當然，大吃一驚的美國不會將史普尼克一號視為友善的小狗，那可是冷戰時期啊！無論是考慮面子問題或國防威脅，絕對無法接受敵人獨佔太空，於是為了迎頭趕上，美國迅速投入大量資源於太空計畫。不過蘇聯也沒原地踏步，1959年分別完成第一次繞月飛行與第一艘太空船降落月球；1961年將第一位太空人加加林（Yuri Gagarin）送上太空；1965年列昂諾夫（Alexey Leonov）完成人類第一次太空漫步；連續十幾年都由蘇聯在太空競賽中拔得頭籌，直到1969年美國才超越蘇聯，阿姆斯壯成為第一位踏上月球的人類。

而史普尼克一號早已不在天空。1958年初，在繞行地球1,440圈、完成七千萬公里的飛行後，史普尼克於墜落地球時燒毀於大氣層中，結束它短短三個月的壽命。但它帶來的影響卻相當深遠；除了為美蘇間的太空競賽揭開序幕，也因而促成往後人造衛星用於各種民生用途與科學研究，包括廣播、通訊、導航、氣象、遙測、太空望遠鏡、……等等。喔，對了，還帶給村上春樹靈感，在世紀末寫出《史普尼克的情人》（中譯《人造衛星情人》）。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。