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》

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

• 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 ── 隼鳥號與隼鳥二號 ── 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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。）

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。

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。

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。

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！

延伸閱讀

• 夜空中的守望者－ 望遠鏡如何保衛地球? – 科學月刊Science Monthly
• What Would Happen If Asteroid Bennu Hit Earth?
• NASA’s OSIRIS REx Mission Ends Up With More Than It Expected

• 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。

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。

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。

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。

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。

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。

2. 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。

3. 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。

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。

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

• Biden-Harris Administration Extends Space Station Operations Through 2030
• Spacewalkers Complete Multi-Year Station Battery Upgrades | NASA
• International Space Station Facts and Figures | NASA
• Visiting Vehicle Launches, Arrivals and Departures | NASA
• NASA Selects Companies to Develop Commercial Destinations in Space | NASA
• Commercial LEO Destinations (CLD) | NASA
• Three Winners for Commercial LEO Destinations Awards – SpacePolicyOnline.com
• How 20 Years of Life On The ISS Began With Expedition One
• The Story of How NASA Went From Space Shuttles To SpaceX & Commercial Rockets
• Every Spacecraft Which Has Visited The Space Station
• NASA & Axiom Space Designing Commercial Expansion Of Space Station
• Axiom Commercial Space Station（內有已建成的艙段零件照片）
• 輕鬆認識太空運載火箭
• 【貨運太空船系列】COTS 與 CRS
• 太空站故障 NASA 緊急進行太空漫步

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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。

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。