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物質世界和生活問題的解答,都藏在低溫世界裡!──專訪中研院物理所陳洋元

研之有物│中央研究院_96
・2018/11/28 ・6383字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|廖英凱、美術編輯|張語辰

為什麼要研究「低溫物理」?

低溫領域不只是比較冷的世界而已,接近絕對零度的低溫,可以讓科學家觀察到電子的特性而了解物質世界。而將液態氮用於工程與生物,更能設計出能解決湧水地質工程難題的解法、與對生態無毒無害的紅火蟻防治方法。

中研院物理所的陳洋元研究員,絕招像是《ONE PIECE》漫畫中,青雉的冷冷果實能力。從打造臺灣第一台低溫比熱系統開始、配合稀冷機,為低溫物理研究奠定了良好環境,更利用低溫的特性解決生活問題。
攝影│廖英凱

冰凍時刻:挖隧道工程

低溫的運用,可不只有在微觀世界的物理研究而已,陳洋元與團隊將他們對低溫技術的理解,運用到真實世界,解決生活中所發生的問題。

1988 年起,臺灣開始興建雪山隧道,由於隧道施工路徑,行經了多數斷層、剪裂帶與地下湧泉,導致施工過程中的全斷面隧道鑽掘機 (潛盾機) 多次遭遇大量湧水而受阻。1997 年 12 月,更有一部機組因隧道崩塌而損毀報廢,因此,在湧水環境下依然能有效率地施工,即成雪山隧道工程的關鍵。

在雪隧豎井開挖前,陳洋元團隊先在中研院區試驗。此時液態氮正由冷凍管(白色)在冷凍地盤中。 圖片來源│陳洋元提供

陳洋元得知施工過程的湧水阻礙後,想到百年前英國開挖海底隧道、以及俄國會特別利用冬天結冰期來施工的冰凍工法,便主動寫信建議當時的交通部部長,並提出構想簡報。1999 年,負責雪隧施工的榮工處,也提供了一個研究計畫,讓陳洋元與實驗室團隊利用液態氮試驗冰凍工法,在雪隧的豎井施工地點嘗試施工,並取得了成功凍土開挖的成果。

用液態氮將土壤整塊結凍後,就能順利開挖出坑道,環形為冷凍後開挖出之冰牆。
圖片來源│陳洋元提供

冰凍工法的原理相當簡單直觀,就是利用溫度僅 77 K (−195.79 °C)的液態氮,使土壤中的水分結冰。土壤結冰後變得如岩石一般堅硬,開挖的過程中就能避免土壤因含水量過多、土質鬆軟而坍塌。

但是,如何讓低溫的液態氮,可以準確冷凍到需要開挖的部位,並確保冷凍的強度,則是實踐冷凍工法的困難之處。對此,陳洋元自行設計了液態氮冷卻、排氣與監測的工程系統,並透過電腦模擬估算液態氮的冷凍時間,成功開發出能開挖豎井的冷凍工法。

 

陳洋元設計的土壤冷凍實驗配置圖。
圖片來源│陳洋元提供   圖說重製│張語辰

但很可惜的,由於雪隧施工過程的工程考量、工期壓力與學科分野後的本位主義,陳洋元團隊的冷凍工法,最終仍未被雪隧的施工單位所採用。陳洋元認為,這代表了學術研究和技術落實的差異。

學術研究雖然可以驗證新技術是否有成功的機會,但要讓技術開發完成,仍需要實務單位投入組織團隊與資源。

不過很快地,冷凍工法又得到了來自工地現場的呼喚。2006 年台北市開始大規模建設與更新地下汙水道,在地下汙水道的豎井興建工程中,遇到例如華江橋一帶地下水位較高的地方,豎井深處會有湧水而完全無法開挖。若停下來抽水排除障礙會嚴重延誤工期,而造成施工廠商的重大負擔。因此,陳洋元老師接受了施工廠商的委託,設計出能在豎井底層使用的冰凍工法,解決了地底水平開挖工程的湧水問題。

(左)在豎井內透過推進機,水平開挖出汙水下水道
(右)利用液態氮冰凍工法,將豎井周圍的土壤結凍,改善開挖過程的湧水問題
圖片來源│陳洋元提供

 回顧起運用知識投入解決工程問題的經驗,陳洋元認為臺灣的產學合作與技術轉移,仍有相當多傳統思維需要突破。像是中研院雖有開發冰凍工法的經驗,但近幾年一些政府重大工程施工時,寧可高價雇用日本冰凍工法的團隊,也不願學習並採用中研院的技術。

兩棘矛:紅火蟻防治

不只是工程上,陳洋元團隊也將液態氮運用於紅火蟻防治。2001 至 2002 年間,紅火蟻透過運輸的貨櫃入侵到臺灣,成為影響農業、生態與人類安全的外來入侵種。利用熱水、化學藥劑等防治方法效果均有限,且須留意藥劑對生態的副作用。2004 年,當時的中研院李遠哲院長在立法院備詢與記者提問時,提出可利用液態氮消滅紅火蟻的構想。會後,李遠哲院長委託陳洋元開發液態氮撲滅紅火蟻的技術。

陳洋元與中研院生物多樣性中心的馬堪津研究員合作,發現紅火蟻在低於 -17°C 的環境會完全死亡;陳洋元同時也委由中研院物理所精工室的技師,打造在紅火蟻巢灌注液態氮的金屬管路。試驗結果發現,撲滅成效可完全根除蟻巢內的紅火蟻群與蟻后,也毫無任何汙染與副作用。

利用液態氮冷凍紅火蟻蟻巢。
圖片來源│陳洋元提供 圖說重製│張語辰

除了進一步技轉、推廣液態氮防治技術,陳洋元也研究如何有效定位紅火蟻蟻巢的位置。團隊曾利用軍用級紅外線偵測儀,企圖偵測紅火蟻蟻巢的溫度來定位,原本想法是蟻巢的溫度可能高於一般土壤,但實際上因為蟻巢通風良好、溫度反而較低。由於紅外線偵測儀不易偵測出剛形成的較小蟻巢,陳洋元因而進一步開發更有效的「紅火蟻偵測犬」。

陳洋元後續將紅火蟻屍體樣本寄至屏科大與祁偉廉獸醫師合作,訓練出能有效定位紅火蟻位置的偵測犬。偵測犬搭配液態氮與其他防治工法,近年來持續套用到大學校園、桃園機場、松山機場、淡水輕軌、台北花博等地的紅火蟻防治,以免紅火蟻破壞重要的電線或飛航線路,並需搭配定期觀測追蹤。近年來,日韓等國也因有紅火蟻防治的需求,而尋求陳洋元團隊的技術協助。

自製低溫比熱系統,探究低溫世界

無論是冰凍工法、液態氮防治紅火蟻,這些應用都是基於對「低溫物理」的成熟了解。但時間回溯到更早之前,最初發展低溫物理的科學家,其實有他們好奇、想探究的現象。

例如,今日對於低溫超導體的興盛研究,肇始於 1911 年時,荷蘭科學家海克.卡末林.昂內斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 發現水銀在溫度 4.2K 時,電阻會完全消失、成為超導體。伴隨著低溫環境與低溫技術的出現,科學家開始發現在低溫狀態中,物質的特性有了超乎預期的現象。

從材料研究的觀點來看,微觀尺度的物質世界,其實就是原子與電子的交互作用。物質藉由不同的原子組成、排列,決定了物質的特性;藉由原子的震動,呈現出熱的現象;藉由電子的流動,則呈現出了電流。

伴隨量子力學的發展,物理學家利用「聲子」的概念,來理解原子的排列與震動,在過去七十年來,已累積了大量理論與實驗的成果,而造就了今日科學對晶體的理解。然而,對於「電子」性質的理解,卻因為聲子振動時的現象,會掩蓋電子的物理現象,使得對電子的研究明顯晚於聲子的研究進展。直到低溫技術的出現與變革:低溫環境不斷地改善、不斷地下探人類能創造的最低溫。

在低溫環境中,聲子如同結凍般,大幅減少了聲子振動所帶來的影響,而使得電子的特性,終於能開始被觀察研究。

1980 年代,正值低溫物理發展的高峰。1989 年,陳洋元從加州大學回到中研院物理所,建立了奈米材料與低溫物理實驗室,開始積極發展低溫技術。環顧當時臺灣沒有一台自製的比熱儀,而比熱的量測在凝態物理研究中是相當重要的元素,可以提供聲子、電子、磁性、相變等訊息,像是比熱對於超導材料的研究便不可或缺。

因此陳洋元決定發展臺灣自己的低溫比熱系統,此系統最關鍵的就是量測晶片、電子系統、與電腦程式。

陳洋元自行開發的低溫比熱系統。
圖片來源│陳洋元提供
2010 年開發的第五代比熱量測晶片,Ni-Cr 與 RuO2 薄膜由無塵室半導體製程完成。晶片由四條金線懸於真空中,與控溫之銅座相連接。
圖片來源│陳洋元提供
比熱量測晶片,中間的銀色方塊為樣品(重量約 1~15 mg)。
圖片來源│陳洋元提供

如上方的圖片所示,量測晶片上有加熱與溫度感測薄膜,懸吊於真空中,利用加熱、放熱時產生的溫度變化,可於溫度 0.3-300K、高壓、磁場的環境下,測量微小樣品的比熱,例如二鋁化鈰 (CeAl2) 在奈米尺寸會呈現與塊材不同的比熱。過去 30 多年運用此低溫比熱系統發表之論文含 Physical Review Letters (PRL)、Physical Review B (PRB)、Applied Physics Letters (APL) 等計 70 餘篇。

比熱量測案例:二鋁化鈰 (CeAl2) 80 nm 奈米樣品的低溫比熱與塊材截然不同,凸顯了奈米科技的獨特性。
圖片來源│陳洋元提供,取自 Size Dependence of Heavy Fermion Behavior in CeAl2

設置「稀冷機」,讓低溫更低溫

進行低溫物理研究時,若單純只使用液態氦,會受限於液態氦的沸點,難以繼續降至更低的溫度。對此,中研院於 1995-1996 年間,設置了臺灣第一台稀釋致冷機 (dilution refrigerator),利用不同比例 4He 與 3He 的蒸發,最終能達到 0.035K 的超低溫度。

我們可以簡單想像,在單純熱交換的世界中,例如將冰水與溫水混合,所能得到的最低溫,一定會高於冰水的溫度。因此,若無法取得比 4He 與 3He 沸點更低的物質,則實驗環境勢必無法低於 4He 與 3He 的沸點溫度。

因此,科學家運用「蒸氣壓」能影響「沸點」的特性,來取得更低的溫度。就像在高山上,氣壓較低時,水的沸點也會降低、而更容易煮沸。若將 4He 與 3He 置於更低表面蒸氣壓的環境中,則可以使兩者的沸點分別降至 1.5K 與 0.3K。

稀冷機,則更進一步運用物質在「相轉變」時,會帶走熱量的特性來降溫。

如下圖所示,稀冷機中的混合室 (mixing chamber)內有兩種由不同比例 4He 與 3He 所組成的液態相,形成相界 (phase boundary)明顯的兩相分離。混合室中 4He 較多、 3He 較少的部分,以管路連接一以 4He 為主的混合物容器 (still) ,當對 still 抽氣時,會使混合室中的 3He,先從 3He 較多的液相,跨越第一個相界至 3He 較少的液相,再跨越第二個相界至 still。

  1. mixing chamber 中有兩個不同 3HE 和 4HE 組成的液態相。
  2. 當對 still 抽氣時,mixing chamber 中濃相區(深藍色區塊)的 3HE 會被抽走,下層中稀相區(淺藍色區塊)中的 3HE 會穿越過兩相間的界面,補充上層濃相區被抽走的 3HE,此種類似蒸發的作用會帶走熱量。
  3. 3HE 再穿越至 still 區蒸發、將熱量帶走,而能降低溫度。
稀冷機的裝置示意圖。 資料來源│陳洋元 圖說重製│廖英凱、張語辰

兩次相界的跨越,就如同兩次蒸發帶走熱量一般,可使混合室的溫度降低至 10-3K 的溫度狀態。以此技術,目前的世界紀錄,更可達到 10-12K 的程度。

陳洋元笑稱,當年由於稀冷機技術相對複雜而多數學校無法設置,中研院的稀冷機與良好的低溫環境,就像是一個創造了一個「dilution 俱樂部」,吸引了許多低溫物理的人才來此研究。

不過,雖然可利用液態氦來達到低溫,但液態氦無法人工合成、所費不貲,是低溫研究的重大花費。因此,陳洋元在中研院物理所旁,建立了「氦氣液化系統」,此系統能回收物理所實驗室本來排放到大氣中的氦氣,並重新壓縮降溫與液化,從而回收氦氣循環使用,節省資源並降低研究花費。

氦氣液化系統:從物理所回收的氦氣,會先儲存在上方的氣球,再壓縮分裝到鋼瓶中儲存備用。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰
氦液化機室:回收的氦氣,經過這台機器液化後,再次用於物理所的低溫實驗。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰

這幾間實驗室啊,還有隔壁的那兩間工廠……是當年我規畫蓋出來的啊

走在中研院物理所建物之間,陳洋元悠悠地這麼說。從低溫儀器的開發,到低溫物理的基礎研究;從實驗室裡的學術環境,到工地與蟲害的實際應用,陳洋元是少數投入如此廣泛與多樣領域的研究者。

回顧過往,這也許和陳洋元與團隊從 1989 年開始,長期耕耘中研院物理所的基礎建設有關,包含建立氦氣液化系統,協助建立精工室、以及位於物理所地下室的磁性實驗室和 X 光實驗室。

如同基礎研究之於整體學術發展的重要,基礎研究環境的興建與營運,可以帶來前端研究的成果;而立於基礎知識之上,我們更能發現複雜生活問題的解決方法。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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越南車廠將撼動特斯拉電動車地位!?誰能在電池戰中獲勝?
PanSci_96
・2023/02/26 ・2723字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2022 年 12 月,來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港,敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast,眾多車廠像是通用汽車(General Motors)或是來自中國的比亞迪等,都拿起籌碼坐上桌,準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼,就是自家生產的電池。

氫與鋰,都幾?

在電動車產業中,要掌握電動車,就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35~40% 的成本,選擇不同種類的電池,更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得,在十幾年前,與電動車角逐未來「環保車」位置的,還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生,它們排在元素週期表最前面,原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克,比水還要輕,代表在相同的重量下,可以放入更多的原子,攜帶更多的電量,這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小,在燃料電池中的能量轉換效率也不錯,因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是,就現在技術成熟度來說,明顯是鋰離子電池獲勝,不論是手機、電動車還是大型儲電設備,到處都見得到鋰離子電池的身影。

手機也是使用鋰離子電池。圖/Envato Elements

鋰離子電池

1970 年代,英國化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)發明了第一個可以充放電的鋰離子電池,其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中,金屬鋰會在負極丟下電子,以鋰離子的狀態移動到正極,並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉,電路中的電子則會從負極流往正極,完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰,因此,在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中,會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚(Lithium Dendrite),當晶鬚因為反覆充放電變的更長,甚至會戳破電池的保護層,導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫(John B. Goodenough)與日本的吉野彰(Akira Yoshino),分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物,負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料;整顆電池不再有純金屬鋰,只有鋰離子在電解液中移動,確保了安全性,讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰,在 2019 年抱回諾貝爾化學獎,實至名歸。

2019 年諾貝爾化學獎,頒給了孕育出鋰離子電池的三位科學家。圖/The Nobel Prize

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後,至今沒有太大的變化,鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上,我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名,例如:將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物,則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在,陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池,也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外,加進了鎳、鈷、錳三種元素,具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外,材料學家發現,如果提高鎳含量,可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池,其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280~300瓦時(280~300 Wh/kg),相較之下,馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時(140~150 Wh/kg),僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢?就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外,只需要常見的鐵跟磷,完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷,在俄烏戰爭爆發之初,由於俄羅斯是鎳的生產大國,導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%,大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外,相對三元電池,磷酸鐵鋰電池不僅成本低,安全性也較高。

除了特斯拉,在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛!比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池,並且透過物理結構的改良,在不過多改變材料的情況下,增加相同體積中的電容量。

特斯拉電動車用的是磷酸鐵鋰電池。圖/Wikipedia

次世代電池,Taiwan can help?

科學家預估,鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時,三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離,因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時,鋰離子電池的 40 倍!

先別失望!隨著科技進步,鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月,Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表,將在 2024 年導入固態鋰電池,用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半,去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險;更重要的是,固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時,是三元鋰電池的兩倍,車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待,除了 Gogoro 以外,輝能科技也宣布結盟 VinFast,可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息,超越固態電池,能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬,正極則替換為氧氣或二氧化碳,成為鋰氧氣電池(Li–O2 Battery),或是鋰二氧化碳電池(Li–CO2 Battery);用氣體取代了原先沉重的金屬正極,大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發,一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題;但至少在過去 20 年,鋰電池遇到的困難已經多次被解決,電化學儲能的方式大有可為。

電動車的發展持續受到關注。圖/Envato Elements

不論是市場上電動車的銷量年年攀升,還是各國政府、車廠的全力投入,電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車,甚至是全新型態的交通工具,都令人期待。而在工業製程與材料改革中,「電動車是否真的有比較環保」這個問題,也希望能有個解答。

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世上最貴的藥——血友病基因療法
PanSci_96
・2023/02/25 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

對有些人來說,凝固止血是辦不到的事。凝血功能異常的大魔王就是血友病,患者生活不輕鬆,治療用的藥物更是天價。

美國食品藥物管理局在 2022 年 11 月批准的血友病新藥 Hemgenix 。每次治療的藥價高達 350 萬美元,一躍成了世界上最昂貴的藥品。

血友病的藥怎麼會貴成這樣?為何那麼難治癒?在討論這些問題之前,首先我們要面對一個很複雜但意想不到的身體現象——凝血。

血是怎麼凝固的

當血管出血時,會先收縮血管,降低血流量。血小板接著形成臨時的血小板栓堵住血管,然後啟動凝血機轉,形成更加穩固的纖維蛋白,使血管完全堵塞,形成凝塊堵住傷口。整個過程要跟時間賽跑,凝血太慢,臨時的血栓就會被血流沖垮;因此在血友病等疾病影響下,凝血因子數量不足或失去正常功能,就會造成異常的出血症狀。

其中「凝血機轉」(Coagulation cascade)是關鍵的一步,Cascade 指的是眾多凝血因子(coagulation factors)瀑布式的級聯機制,在一連串繁複的生化反應下,在血流中快速建立起穩固的纖維蛋白來堵住傷口。這些凝血因子都是絲氨酸蛋白酶,能加速另一種蛋白質分解,每一個被啟動的凝血因子,會啟動下一個凝血因子,最終形成血塊。

凝血因子的命名是依照歷史上發現的先後順序,訂下編號 1 到 13。當我們需要凝血因子開始工作時,就會將其活化;被活化的凝血因子,會在各自的羅馬數字後面加上 active 的“a”來表示,例如,因子 V 活化之後就變成因子 Va。

凝血因子的命名為編號 1 到 13; “a” 則為被活化的。圖/維基百科

凝血機轉的關鍵在於:不斷讓因子活化成因子 a,因子 a 再去活化下一個因子,直到形成血塊。

在整個過程中,有個因子 IIa 特別重要,又稱為凝血酶 Thrombin,它不僅能活化血小板,讓原本圓圓小小的血小板長出觸手,跟其他血小板勾勾纏在一起。此外,它還能活化內源途徑中的因子 VIII、將共同途徑中的 XIII 活化成 XIIIa、以及將纖維蛋白原因子 I 聚合成不溶於水的纖維蛋白 Ia。

被活化的 Ia、XIIIa 就是凝血機轉關鍵的最後一步,它們會和鈣離子形成互相交聯的纖維蛋白網,讓血塊穩定下來。

血友病成因

既然凝血過程那麼複雜,而我們又要追求凝血速度,那麼要是在哪個環節出了差錯,不就止不了血了嗎?沒錯,這就是血友病的成因。

血友病是一種遺傳性的凝血障礙,通常是由於基因缺陷所導致;然而,儘管是遺傳疾病,但仍有 1/3 左右的病例沒有家族史,代表可能是自己身上產生了突變。血友病分成兩種類型:A 型與 B 型,A 型則是由於凝血因子 VIII 缺乏或缺陷造成的,B 型是凝血因子 IX;兩種血友病的臨床表現很相似,需經過檢驗才能區分。

依用患者血液中特定凝血因子與正常人平均值的比較,來分為重度(1% 以下)、中度(1%~5%)、跟輕度(6%~40%)。成年 B 型血友病患者在 40,000 人當中就有 1 人,其中大多數為男性,台灣約有 200 多位患者。

患者的關節內特別容易出血,造成腫脹、疼痛、無法活動,長期會造成軟骨磨損、關節滑膜充血增生、硬骨骨質流失及骨刺,若是發生不可逆的損傷,就算注射凝血因子也無法恢復;因此,若是罹患重度血友病,最好從小開始預防性定期施打凝血因子,維持濃度,讓關節出血的機會盡量降低。

此外,在正常的初級止血過程中,活化的血小板和內皮細胞會釋放一種叫做 Von Willebrand 因子的蛋白質,如果因子 VIII 沒辦法與其結合,就會在血液中被迅速降解;因此,若 Von Willebrand 因子缺乏或出問題,也會有類似血友病的症狀,在台灣稱為「類血友病」或「溫韋伯氏疾病」(von Willebrand disease, VWD)。

血友病的成因為,在凝血過程中出了差錯。圖/Envato Elements

血友病為何無法徹底治癒

在治療血友病的歷史中,從石灰、明膠、骨髓到蛇毒都曾被用上,不過最主要還是透過輸入大量血漿。

自 1965 年史丹佛大學 Judith Pool 博士發現解凍血漿留下的沈澱物富含因子 VIII,到 1990 年代基因工程培養細胞產生凝血因子;補充因子的治療方法雖可大幅改善患者生活品質,但還是有一些關鍵問題。除了終身都要持續、頻繁地從靜脈注射凝血因子外,療法非常昂貴,且只有不到一半的患者可達到零關節出血的目標。

另外,由於病患沒有因子 VIII 或 IX,他們的免疫系統就有可能把補充進來的凝血因子當成外來的病原,因而產生抗體;儘管這種現象通常只出現在重度患者身上且比例不高,但要是遇上這種情況就非常棘手,病患出血頻率會較高、也更容易關節損壞。通常醫生會使用繞徑藥物(bypassing agent),繞過需要 VIII 跟 IX 因子的凝血路徑來止血,但效果並不如直接補充凝血因子。

在治療血友病的歷史中,最主要還是透過輸入大量血漿。圖/Envato Elements

既然抗體是問題,那把抗體消除不就行了?這的確有可能,曾有醫師發現,若刻意頻繁且大量地給予凝血因子,可以讓病患體內因外來凝血因子而產生的抗體消失,但這起碼要執行超過一年,而且注射劑量得是一般劑量的兩倍以上,才能有較高的成功率。

這種療法稱為免疫耐受引導治療(immune tolerance induction, ITI),執行起來非常辛苦、藥物耗費也多,而且要在很小,大概兩三歲的時候就盡快開始執行,要是長大了才做,成功率就會大幅降低,實在很不划算。

350萬美元其實並不貴?

現有的療法昂貴、耗時、效果有限、而且還得忍受一輩子。於是新療法出現了!

美國食品藥物管理局(US Food and Drug Administration)在 2022 年 11 月批准了一種治療血友病的新藥——Hemgenix:為一種基因療法,透過改造過的腺相關病毒 AAV,將基因運送到患者的肝臟細胞後,就能靠自己製造出凝血因子 IX,讓中重度 B 型血友病患者恢復凝血功能,同時兼顧安全性跟有效性。

基於對 54 名患者的臨床實驗資料,在一次性的靜脈注射後,7~8 個月左右,幾乎所有病患體內的因子 IX 水平都穩定了,預估效果起碼能維持八年以上,甚至更長。即使臨床實驗裡,有患者製造的因子 IX 比較低,但都達到足以避免自發性出血的程度。注射後的副作用很輕微,例如常見的頭痛或輕微的感冒症狀,而追蹤 24 個月之後,跟治療有關的不良反應則是零。

生產商 CSL Behring 將藥價定為每次治療 350 萬美元,對患者來說,若有機會接受新療法,當然是好消息,但是這價格實在驚人。不過,以美國的情況來說,CSL Behring 認為每一位接受新療法的患者,可以替美國健保系統省下 500 至 580 萬美元的費用,患者能夠獲得確實有效而且再也不用頻繁地注射因子 IX,省下每年大約 60 萬到 80 萬美元的治療開支。

Hemgenix 每次治療為 350 萬美元,對多數患者來說,這價格實在驚人。圖/Envato Elements

臺大醫院血液科主治醫師周聖傑表示,台灣成年 B 型血友病患者,每年大約要花台幣 400~500 萬注射因子 IX;不過目前還不知道新的基因療法在台灣價格會是多少。

周聖傑醫師對新療法審慎樂觀,但也提醒,肝臟未發育成熟的兒童、或是肝功能不好的的血友病患者,仍無法使用基因療法;此外也得看患者是否對腺相關病毒已經有抗體,因此療法的適用性仍要視個別狀況考慮。

然而,不論是新的基因療法或是新型長效因子注射療法,對在發展中國家、全球 80% 的血友病患者來說,都是無法負擔的天價。未來若要讓更多患者能受惠,需要各方面共同努力。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

這集,我們討論了地熱發電的原理,以及臺灣是否適合地熱發電,下一集將討論地熱發電的成本,與開發上需要考量的細節,並回顧台灣地熱發電的發展歷史。