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下一站,行星!要進行太空移民會碰到哪些困難呢?──《人類大未來》

三采文化集團_96
・2018/11/16 ・3751字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

想移民外太空?先搞定太空船吧!

我們打造的太空船越快、力量越大,抵達其他星體的機會就越高,最終目標就是建造一艘能以接近光速的速度載著船員飛向太空的飛船。

這有兩個明顯的優點,第一點顯而易見,這段旅程會耗時較少,只需幾年就能到達附近的行星。第二個優點是,如果你航行的速度是光速的百分之九十九點五,根據愛因斯坦的相對論,時間本身就會變慢為原來的十分之一。所以在橫越一百光年的星際旅程中,太空人只會老十歲。但缺點就是,當他們回到地球時,他認識的每個人都老了一百歲。

像這樣的船隻需要力量強大到難以置信的推進引擎,也需要極其堅實的護盾來保護船身,承受小行星和太空垃圾的高速撞擊。從另一個角度看,與其努力變得更快,或許我們可以放慢腳步,好好利用這趟旅程的時間。假設太空船以百分之零點二的光速前進,便能在一萬年之間抵達好幾個行星,而人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。

人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。
圖/Pixar Wiki

世代飛船要載著數千位乘客撐過數千年嚴苛的太空生活,不僅要夠堅固,還得完全自給自足。所有人類賴以維生的能量、食物、空氣、水,以及值得信賴的電腦系統,完全由船上的「居民」來維護。船員以家庭為基本單位,孩子會在船上出生並受訓,準備有一天接手他們父母和祖父母的工作,維護並駕駛太空船。除了要克服硬體設備的技術問題,這些人同樣要面對重大的生物、社會和道德困境,尤其是關於自我價值的實現或規劃— 開創世代將無法活著看到自己的任務完成,中間世代則註定在過渡狀態下度過一生,死前無法看到努力的實際成果。在「中間世代」出生的孩子要如何感覺並面對自己被迫在這樣一艘船上生活的事實?

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要解決這個問題,也許另一個方法會是更好的選擇,那就是讓多數或所有船員在睡眠艙內進入冬眠或假死狀態。

這樣一來,所有人都能活到旅程的終點。或是設計某種攜帶胚胎的星際船,將冷凍或休眠狀態的人類胚胎或 DNA 運送到目的地。但是這個方法顯然有漏洞,抵達目的地之後,誰要來養育這些人類胚胎?所以果然還是航行時間與人類生命週期相當的太空船最恰當。

讓多數或所有船員在世代飛船的睡眠艙內進入冬眠或假死狀態,就能讓所有人都能活到旅程的終點。
圖/imgur

理論物理學家弗里曼.戴森 (Freeman Dyson) 就構想了這樣一艘船,他稱之為獵戶座計畫太空船 (Project Orionship),動力來自核融合或核分裂。或者,我們可以建造以太陽能為動力的太空船。由已逝世物理學家史蒂芬.霍金 (Stephen Hawking)、Facebook 創辦人馬克.祖克柏 (Mark Zuckerberg)、俄羅斯富商尤里.米爾納 (Yuri Milner) 與美國太空總署合作的「突破星擊」(Breakthrough Starshot) 任務,計畫打造一個由光能推動的迷你機器太空船原型機。

太空船的主體只有晶片大小,外接超薄太陽帆,速度可達光速的百分之二十,比現有的所有無人太空探測船都更快。研究團隊計畫在二十年內發射這艘太空船前往南門二星系,以這樣的速度來看,需要二十年才能抵達目的地。

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或許等待科技趕上我們對宇宙的渴望不是唯一的選擇。說不定科幻小說已經找到答案了?我們可以追隨《接觸未來》(Contact) 與《星際效應》(Interstellar) 這些電影的旅行思維,「只要」找到蟲洞就好了。無論這聽來多麼不可能,但我們都無法完全否認透過蟲洞通道隨意跳躍宇宙的理論可能性。然而,就算我們確實發現了一個蟲洞,目前仍沒有證據證明這個方法確實有用,或是對人類這樣脆弱的生命體算不算得上安全。

只要找到蟲洞,或許可以解決我們對宇宙的渴望。
圖/pixabay

時間還不是最磨人的:煎熬的太空船生活

除了科學技術的發展與巨額的花費,人類的太空探索計畫還有另一項挑戰,亦即人類脆弱的身體是否能承受如此漫長的旅程。假如未來的太空旅行者必須長期或甚至無期地在太空中滯留並且求生,我們就得了解太空旅行對人類的生理系統會造成什麼樣的影響和衝擊。這需要在實際狀態下測試,而實驗對象就是暫時住在國際太空站上的太空人。

在國際太空站上的太空人。source:wikipedia

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力,還需要厚實堅固的外殼抵禦宇宙輻射和直衝而來的小隕石及太空垃圾。儘管科幻小說描寫的太空站有堅固的旋轉結構能藉由離心效應來產生人造重力,但是這種太空船規模太大了,目前尚未能建造出來。所以,在太空中缺乏重力這件事,仍舊是太空人必須處理的首要健康問題。

人類身體對於失重狀態的適應能力其實相當不錯,但在太空中生活越久,失重對身體的影響就越深。在太空站上的太空人處於微重力 (Microgravity) 狀態,代表他們的身體不再需要努力對抗地球的重力,自然會變得放鬆,結果反而讓肌肉逐漸萎縮、鈣質隨著尿液流失而導致骨質疏鬆等。

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在太空中漂浮看來很輕鬆、很有趣,但如果太空旅行者只是成天飄浮的話,最終會虛弱而亡。他的脊椎會因為在太空生活而被拉長(平均可以長高二點五公分),還會因為體液逆流而出現臉部浮腫,甚至擠壓到眼睛而產生問題。幸虧一旦回到地球、腳踏實地之後,這些症狀多半都能恢復。不過,萬一在漫長甚至跨越世代的太空旅程中沒有這個選項,或是未來定居的行星重力比地球更小,該怎麼辦?

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力。圖/LAVANGUARDIA

另一項同樣重要的條件是心理健康。生活在宇宙中,第一個要面對的挑戰就是如何長時間生活在狹小的空間中。太空人要忍受孤獨、疏離、單調的作息、活動受限、睡眠受到干擾、個人衛生條件不佳,以及和同一群人每天面對面。個人空間和隱私在外太空可是很奢侈的。目前最佳也是唯一的典範就是國際太空站,其規模大概等於一間有五、六個臥室的房屋。要「關」在室內六個月或更久,不論心理或生理上都不容易調適。所以人們假設並且希望,未來任何長程太空任務所使用的飛船,都要比國際太空站的規模更大。太空生活每天都有風險,這樣的精神壓力可能造成憂鬱、失眠、焦慮、人際衝突,甚至精神疾病。然而太空人和跑遠洋的水手一樣,早已知道自己必須面對樣的情況,也會事先做些心理建設。

大家應該都能想像,一包包的脫水太空食物有多乏味,而且調味料只有胡椒。太空冰淇淋和真正的冰淇淋完全無法相比!糧食種類有限,每天吃的菜色都差不多,長期下來有可能導致太空人沒有胃口,食慾不振,攝取的熱量和營養太少,導致體重下降及營養不良。所以任何長程星際旅行都需要大量新鮮好吃的餐點選擇,這不僅僅是為了滿足口腹之慾而已。

太空人要面對的挑戰之一是如何長時間生活在狹小的空間中。
圖/LAVANGUARDIA

未來的居住地在哪裡?

讀到這裡,讓我們暫停腳步,體會一下人類朝著未知的未來至今已經走了多遠。

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自從一九六一年尤里.加加林 (Yuri Gagarin) 首次進入太空,我們接著將人類送往月亮,將探測機器人送往金星與火星;我們檢視了最大型的小行星,拍攝了木星與其巨大衛星的特寫照片,飛越了土星環和土衛二 (Enceladus) 的冰冷噴流;我們拍攝了天王星和海王星的詳細照片,終於揭露冥王星真實冰凍的美;我們甚至跳上了移動中的彗星一探究竟。

我們對太陽系的探索讓我們做好準備,開始認真考慮在地球之外建立一座自給自足的聚落。但根據我們目前的科技,不論在太陽系何處建立新基地都會是巨大挑戰。要想讓數百甚至數千人在充滿威脅的環境中存活,就需要克服這些挑戰。


作者簡介:露易莎.普瑞斯頓 (Louisa Preston)

英國太空署 (UK Space Agency) 極光研究員,在倫敦大學伯貝克學院 (Birkbeck, University Of London) 研究天體生物學。她曾參與美國、加拿大、歐洲及英國太空署的研究計畫,研究地球上的生命體如何在極端嚴苛的環境中生存,作為外人生命形式的藍圖並模擬可能的棲息條件。她曾受邀至 2013 年 TED 大會和大家談論如何尋找火星生命。她的第一本書籍創作為 Goldilocks and the Water Bears: The Search for Life in the Universe

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

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閱讀在生活中不曾改變, 它讓我們看見一句話的力量,足以撼動你我的人生。而產生一本書的力量,更足以改變全世界

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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造訪危險鄰居:歐西里斯的貝努採樣返回任務
EASY天文地科小站_96
・2023/09/23 ・3760字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 謝承安/現就讀臺大物理系,因喜愛動畫《戀愛小行星》而喜好小行星
  • 林彥興/現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

2016 年 9 月 8 日,歐西里斯探測器(OSIRIS-REx)由擎天神五號火箭發射升空,追隨著前輩們 ── 隼鳥號隼鳥二號 ── 的腳步,前往近地小行星貝努(101955 Bennu),執行人類史上第三次的小行星取樣任務。

經過兩年多的飛行,歐西里斯號於 2018 年底成功抵達貝努,並在幾個月後成功採集樣本,預計在今年 9 月 24 號返回地球。透過採集小行星上的原始樣本,科學家將能夠推論 46 億年來太陽系的演變歷史,但除此之外,歐西里斯探測器也在環繞貝努的過程中進行了眾多觀測,也為小行星研究貢獻許多,現在就讓我們回顧歐西里斯號的浩瀚之旅!

歐西里斯基本介紹

歐西里斯想像圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

要了解歐西里斯號的觀測目標,我們只需要把他的英文全名攤開來看:

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻譯作太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者。其縮寫歐西里斯,是埃及神話中的冥神。儘管你可能無法了解各個專有名詞,但在看過那麼長的名字後,應該也能知道歐西里斯探測器的任務可不僅是採集樣本而已。

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歐西里斯號的目標是小行星 101955 號「貝努」。

這是一顆於 1999 年由林肯近地小行星研究小組(LINEAR)發現的近地小行星。之所以選擇貝努作為觀測目標,是因為貝努的軌道與地球十分接近,有撞擊地球的潛在風險,另一方面距離近,也可以讓探測器在較短的時間內抵達。

值得一提的是,「貝努」這個名字源自古埃及神話的神鳥,同時也是引領前往冥界的諸神之嚮導。同時,貝努小行星上的各式地形或是地點,也都是以不同神話中的鳥類來命名。

貝努的表面地圖,圖中的地名皆與鳥類神話有關。如 Strix 來自羅馬神話中的條紋鳥、Simurgh 則來自波斯神話中的西摩格鳥。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在發射後過了兩年,2018 年,歐西里斯號逐漸接近貝努,並以相機模組中的 8 吋望遠鏡(Polycam)不斷進行觀測,直至十二月成功抵達貝努。

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而抵達後的第一項任務,就是詳細繪製全小行星的地圖,過去科學家曾經透過金石太陽系雷達來(GSSR)來探測貝努的模樣,但地面上的雷達雖然可以看到貝努的大致形狀,解析度卻仍不足以窺見小行星上詳細的地形起伏,也就無法事先決定採集樣本的地點但藉由探測器上攜帶的雷射測高儀(OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA),歐西里斯號得以透過發射雷射訊號與接收的時間差, 像是測量海底深度的聲納一樣,繪製全小行星的地形高度圖。另外其配載的高解析度相機(MapCam),也可以讓科學家一覽高解析度的貝努影像。

雷射測高儀測量過程示意圖。圖/NASA/Goddard/University of Arizona
NASA 哥達德太空中心以歐西里斯號製作的貝努表面導覽。影/Youtube

除了解地形以外,決定採樣地點時,另一項重要的考量是採樣地礦物或化學組成。正如同地球上各處的岩石化學組成不盡相同,不論是含水量、顆粒粗細程度以及有機物的有無,皆是採樣任務執行時需要考量的情況。於是,歐西里斯號使用了三種方法來探測小行星表面上的礦物。

第一種方法是透過風化層 X 射線成像光譜儀(Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS)來觀測 X 射線光譜。讀者或許會想,X 射線多用來觀測高能天體的輻射,像是黑洞、超新星爆發等事件,並且小行星本身也不會發出 X 射線,為何要攜帶這樣的探測儀器?

事實上,當元素吸收到宇宙射線或太陽所發出的 X 射線時,內層的電子會吸收能量並游離,而外層的電子便會向下躍遷,補上原本內層電子的位置,更外層電子又再補上外層電子的位置。在這一連串的過程中,便會發出 X 射線。而由於每個元素的能階都是獨一無二的,藉由觀測X射線的光譜,我們便能了解小行星上各處的元素豐度。

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這樣的分析方式被稱作 X 射線螢光分析(X-ray fluorescence, XRF),是一種非破壞性的元素鑑定方式,地質考察、考古甚至是博物館文物鑑定都常利用此方式進行探測。

REXIS 儀器。圖/REXIS Team / The planetary society

另外,歐西里斯號上還配戴可見光與紅外線分光儀(OVIRS),也能夠獲取小行星可見光與紅外線波段的光譜來辨別來辨別礦物或是有機物的種類。並且由於不同礦物的熱導率差異,歐西里斯還可以藉由熱輻射光譜儀(OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES)掃描全小行星的熱輻射地圖來了解礦物與化學豐度。

熱輻射儀也可以更進一步用於研究小行星上的熱量傳輸問題。當小行星吸收太陽光後將以輻射的方式將能量釋放時,其光壓會給予小行星一個微小的作用力。在經年累月的作用下,便會對其軌道產生改變,此現象稱之為亞爾科夫斯基效應(Yarkovsky effect)。

由於亞爾科夫斯基效應的強弱會受到小行星的反照率、表面材質甚至是地形而影響,如果對小行星不夠了解,那預測小行星軌道的難度將大幅提升。因此歐西里斯號的近距離探測,對精準預測貝努的軌道非常重要。

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樣本採集:歐西里斯與貝努的零距離接觸

在近兩年的搜集數據後,歐西里斯號便開始執行此次任務的最終目標:採集樣本。

一開始,科學家們有四個候選地點:夜鷺(Nightingale),此處位於年輕的隕石坑上,且具有最細顆粒的礦物;翠鳥(Kingfisher)為新的隕石坑並具有豐富的含水量;魚鷹(Osprey)具有較低反照率的岩石樣本;鷸(Sandpiper)位於兩個隕石坑之間,可能含有水合礦物。

在科學家掙扎的選擇後,最終決定在名為「夜鷺」的地點進行採樣。因為此處較年輕的地質特性,能夠讓我們採集到貝努更原始的樣本,以此探討貝努在太陽系闖蕩時所遺留的痕跡,再加上較細的礦物也能讓執行任務時能有較高的成功率。至於其他候選地點,只能說後會有期了。

NASA所選定的四個樣本採集地點之照片。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2020年10月20號,歐西里斯號伸出他的機器手臂,名為 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism(TAGSAM),顧名思義便是碰一下小行星表面後便離開。其運作原理,是在碰觸到小行星表面時釋放加壓氮氣產生爆炸,再搜集飛散出來的碎屑樣本。

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說起來雖然簡單,但降落在微小重力的且未知內部構造的小行星上其實非常困難,科學家們需要考量到所有可能影響的作用力,甚至是太陽光所造成的輻射壓都必須考慮進去。

現在,想像你是個科學家,坐在任務的控制室中,透過相機模組中的 SamCam,望著歐西里斯號逐漸靠近小行星,3,2,1⋯⋯,碰!(狀聲詞,事實上,太空中是沒有聲音的。)

Touch-And-Go任務的執行過程。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

採集任務看似十分成功,歐西里斯號將 TAGSAM 的頂端放入樣品返回艙(Sample Return Capsule, SRC)中,SRC 也使用了眾多隔板將散落在太空中的碎屑放入其中,兩天後,歐西里斯號回傳了樣本採集艙的影像,確認歐西里斯號已搜集足夠的樣本,但此時卻發現了些意外,由於採集的樣本太大顆,艙門無法完全緊閉,導致有部分樣本散逸至太空中,還好這不影響任務的完成,算是有驚無險。

小行星的樣本從樣品返回艙中散逸。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2021 年 4 月 7 日,歐西里斯號展開他的最後一次飛越任務,此次他以超近距離(約 3.5 公里)觀測「夜鷺」在採集後的模樣,可以清楚看見採樣任務前後的區別,中心區域產生了一個深度超過45公分的凹痕! 周圍的岩石也因此錯位。

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過去天文學家們透過眾多觀測數據推論,大多數的小行星比起堅硬的石頭,更像是散亂的碎石堆。後來科學家們也透過此次採樣任務確認貝努表面並非像是地殼般的堅硬固體,而比較像是流體般,才產生如此大的凹痕。

「夜鷺」在採樣任務前後的差異。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在做完惜別任務後,2021 年 5 月 10 號,歐西里斯號啟動了他的主引擎,開始返回地球的旅程。預計在今(2023)年 9 月 24 號,裝載著貝努樣本的樣本返回艙將與歐西里斯號脫離,並以秒速 12 公里的高速衝入地球大氣層,並著陸於猶他州的沙漠中,由研究人員回收後取出樣本進行更近一步的分析。

然而歐西里斯號的旅程仍尚未結束。

接下來它將在 2029 年對另一個有潛在撞擊地球風險的小行星 99942 阿波菲斯(APophis)進行觀測。就讓我們歡迎冥神與他所攜帶的樣本歸來,以及期待未來科學上的重大發現吧!

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國際太空站與它的繼承者們——淺談近地軌道商業服務的歷史
EASY天文地科小站_96
・2022/02/17 ・3898字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 文/林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底,美國政府宣布再次延長國際太空站(ISS)的服役年限,讓它繼續運作到 2030 年,續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時,NASA 的「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)也正如火如荼地展開,旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室:國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造,ISS 的質量約 450 公噸,大小相當於一座美式足球場,是歷史上最大最重的人造衛星,二十多年來以約 7.6 km/s 的高速,在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人,負責維護太空站的運作,並且在這獨一無二的微重力環境下,進行各式各樣的科學研究。

2021 年 12 月 9 日,從載人版天龍號太空船(Crew Dragon)拍攝的國際太空站。圖/NASA Johnson

這樣一個龐然大物,世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造,是一次一個地把艙段發射到軌道上,然後讓它在茫茫太空中,精準地與之前發射的其他艙段對接,像拼樂高一樣,一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年,多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射,才完成 ISS 的建造。

國際太空站從 1998 至 2011 的主要組裝過程縮時。整體而言 ISS 自 2011 之後並沒有太多大規模的改動,但仍有新增新的艙段(如 BEAM、Nauka、Prichal)、更換電池(如 HTV-6 帶上去的鋰離子電池)與太陽能板(如 iROSA)等設備。影/YouTube

然而,光是「建造」太空站是不夠的,為了維持太空站的運作,太空站上必須要有太空人常駐,因此每隔幾個月,多國團隊就得發射載人任務,把新一批太空人送上太空站,並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時,為確保這些太空人能在太空正常生活,它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船,為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底,已發射了超過 66 批「遠征隊」(expeditions)輪班駐守 ISS,並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後,都要耗費數億美金的火箭發射成本,及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等,這個計畫的規模之宏大可見一斑。

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自由市場的力量:商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴,即使是全世界資源最豐富的太空機構:NASA,要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因,在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭(STS)。太空梭不僅操作危險,成本也非常昂貴。面對這種情況,NASA 想到:「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始,培養一批民間太空公司,等它們的成長茁壯之後,就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下,這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來,NASA 省了錢,又培育了國內的航太科技實力,豈不是一舉兩得?

於是,2006 年,NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」(COTS)計畫,讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下,自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑,就可以拿到相當可觀的資助,進行下一階段的開發,由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭,最終由老牌太空公司「軌道科學」(Orbital Science)與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利,取得「商業補給服務」(CRS)合約。時至今日,雙方的「天鵝座」(Cygnus)與「天龍號」(Dragon)系列貨運太空船,仍是補給國際太空站的主力。

SpaceX 的 Cargo Dragon 2 太空船(左)與 NG 的 Cygnus 太空船(右)是如今 ISS 補給任務的兩大主力。嚴格來說,這兩艘太空船和其搭配的火箭已經改良多次,與 2008 年奪得 CRS 合約時的設計早已大不相同。Orbital Science 在 2015 年與 Alliant Techsystems 合併為 Orbital ATK,又在 2018 年被諾斯洛普.格魯曼(NG)買下。科技產品與市場環境的高速變化,有時候實在是讓筆者很難一句話把事情講清楚。圖/NASANASA

有了 CRS 的成功經驗,NASA 決定打鐵趁熱,在 2011 年啟動「商業載人服務」(CCP),讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭,這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而,命途多舛的波音「CST-100 星際航線」(Starliner)太空船頻頻發生問題,至今(2022 年 2 月)仍未成功執行任務。另一邊,SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多,不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS,更將 Crew Dragon 用於太空旅遊,在「靈感 4 號」(Inspiration 4)任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行,並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船,其實有著巨大的商業潛力。

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朝陽下,裝載於獵鷹九號火箭頂端等待發射的 Crew Dragon。圖/SpaceX
比起太空梭等上個世紀設計的太空船,Crew Dragon 的控制面板採用大面積的觸控螢幕,整體設計簡約而現代。圖/SpaceX

商業近地軌道太空站:打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝,歲月如梭,國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言,太空站的狀態還算良好,但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此,即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年,尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此,NASA 故技重施,啟動了「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)計畫。這次不只運貨、載人,而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選,目前有 3 組團隊獲選,它們分別是:

  1. Orbital Reef,此為藍色起源(Blue Origin)與內華達太空公司(Sierra Space)、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口,能夠支持 6 名太空人的生活,無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。
  1. Starlab,此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)組成的聯合團隊提出的方案,特色是使用了一個巨大的充氣式艙段,讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道,不需要多次發射再對接。
  1. 第三個是諾斯洛普.格魯曼提出的太空站計畫,不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案,諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險,避免計畫延宕,但就顯得缺乏亮點,商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後,當廠商們的技術發展成熟(預計是在 2025 年以後),NASA 就會從指導者變成客戶,付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外,還有另一組人馬——Axiom Space,也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家,Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約,而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利,應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

Axiom Space 的太空站建造動畫。多個艙段將首先被安裝在 ISS 上,直到最後整個太空站建成之後,再脫離成為獨立的商業太空站。影/Axiom Space

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶,是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷,這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是,得益於 15 年來商業太空領域的高速發展,民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船,乃至於太空站的開發與運營技術,讓太空不再是政府機關的專利,也讓 ISS 不怕後繼無人。

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隨著資源與人力的不斷投入,一個生機勃勃的近地軌道經濟圈,也許並沒有我們想像的那麼遙遠!

參考資料與延伸閱讀

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EASY天文地科小站_96
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