福衛七號在美國的實況報導（上）：升空前人造衛星要經過哪些測試？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

北極星黎明：開創商業太空漫步的新紀元

2024 年 9 月 10 日，載人航太任務迎來了歷史性的突破。由美國富豪賈里德·艾薩克曼率領的四名太空人，乘坐 SpaceX 的獵鷹九號（Falcon 9）火箭和龍飛船（Crew Dragon），開始了為期五天的「北極星黎明 Polaris Dawn」任務。這次任務實現了人類首次商業太空漫步，並打破了過去五十年人類距離地球最遠的紀錄。這也是美國四十多年來首次推出的新設計太空衣，進行了「人體測試」。

這次任務的成果不僅僅令人振奮，還為未來的商業航太業開啟了新的篇章。為了解這次突破的意義，我們先一起來體驗「北極星黎明」任務的精彩旅程。

這位賈里德是何許人也？

賈里德·艾薩克曼，現年 4 1歲，是一位白手起家的美國富豪，擁有零售支付公司的成功經歷。他還是一名充滿冒險精神的飛行家，駕駛輕型飛機創下環球飛行的紀錄，並且會操縱戰鬥機與進行特技飛行。他甚至創辦了「私人空軍」公司德拉肯國際，為美軍訓練飛行員。

賈里德對飛行的熱愛讓他不斷追求新的高度，最終使他與 SpaceX 合作，共同邁向更遙遠的天空。2021 年，他啟動了「靈感四號 Inspiration 4」任務，選擇了三名來自不同背景的一般人，與他一同踏上三天的太空旅程。這次任務向世界展示，普通人也有機會踏上太空，而不僅僅是經過嚴苛訓練的專業太空人。

然而，賈里德並不滿足於此。他希望飛得更高、更遠，甚至挑戰從太空船內走向船外，完成首次商業太空漫步。這便是「北極星黎明」任務的起源。

太空漫步的挑戰

太空漫步並非簡單地穿上太空衣、打開艙門便能完成。以國際太空站為例，太空人在漫步之前需要進入氣閘艙（Airlock），一個介於太空站內部和太空之間的小房間。在氣閘艙中，太空人需要進行數小時的「預呼吸（Pre Breath）」過程，以降低大氣壓力，適應太空衣中的低壓環境，並避免潛水時常見的減壓病風險。

然而，SpaceX 的龍飛船並未設計氣閘艙，這意味著要讓太空人進行漫步，就必須將整個太空艙降壓至真空狀態，再在太空漫步結束後重新加壓。因此，團隊對龍飛船進行了大幅改造，增強了生命維持系統，並安裝了更多氮氣與氧氣槽。

此外，SpaceX 原先設計的太空衣是艙內使用的（IVA Suit），僅用於緊急情況下保護太空人，並不適合太空漫步。為了這次任務，SpaceX 不得不設計一款全新的艙外太空衣（EVA Suit），這是美國自四十年前以來首次設計新型艙外太空衣。

北極星黎明任務的突破

在完成了艱鉅的準備工作後，「北極星黎明」任務終於在 2024 年 9 月 10 日順利升空。這五天的旅程充滿挑戰與創舉，為商業航太寫下了新的篇章。

任務的前兩天，重點是進入 1400 公里高的軌道，這是自 1972 年阿波羅 17 號以來人類距離地球最遠的記錄。此外，兩名任務專家莎拉·吉利斯（Sarah Gillis）和安娜·梅農（Anna Menon）也成為飛得最高的女性。

在完成軌道調整後，第三天的重頭戲——商業太空漫步正式開始。龍飛船內部的氣體被排空後，賈里德和莎拉輪流將身體探出艙外，進行了一系列新太空衣的測試，而其餘兩名組員則留在艙內監控系統。這次太空漫步雖然並未像電影中那樣「漫步」在太空，但其意義非凡，因為這是由私人資金支持的商業艙外活動。

科學研究與未來展望

除了太空漫步之外，任務組員還進行了多項科學實驗和技術測試，包括微重力對人體各器官的影響研究，這些研究對於人類未來長時間在太空生活至關重要。此外，團隊還測試了星鏈（Starlink）雷射通訊技術，以提高太空中數據傳輸的效率。

在任務期間，任務專家莎拉·吉利斯還在太空中用小提琴演奏了《雷伊主題曲》，並通過星鏈技術將影片傳送回地球，與全球音樂家合作完成了一場跨越時空的演出。

任務的最後一天，龍飛船安全返回地球，成功在墨西哥灣降落，為這次史無前例的太空任務畫上了圓滿的句號。

北極星黎明的意義

對於熟悉太空史的朋友來說，這次的太空漫步似乎並不如 1960 年代的雙子星任務那樣驚險。然而，真正的突破在於「商業」二字。這次任務由賈里德自掏腰包資助，展示了商業公司在航太探索中的潛力，就像 SpaceX 在過去二十年所取得的成就。

任務中進行的大量技術測試和科學研究，證明了這不僅僅是富豪的太空旅遊，而是一次充滿挑戰的科學與技術驗證任務。這些經驗和技術將成為未來挑戰月球與火星的重要基石。

「北極星黎明」任務雖然已經結束，但賈里德的太空夢還在繼續。這只是「北極星計畫」的第一步，未來還有至少兩次任務正在籌備中，其中第三次任務將搭乘 SpaceX 的星艦（Starship），進行首次載人飛行。

隨著技術的進步和更多私人資金的投入，還可以期待人類接下來在商業航太領域能取得更多突破。在未來，要來趟真正的太空之旅，看來除了熱愛科學，還需要努力賺錢了。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定每一個科學大事件！

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

衛星的製造和發射成本相當高，普及程度也有限，那麼，你認為「人人都能使用衛星通信」是遙遠的未來，還是即將實現的夢想呢？

如果你近年來有密切關注這個領域，你可能會發現，過去天上的衛星並不多，但最近幾年似乎有了顯著增加。根據 Statista 的數據，2010 年時活躍衛星還不到 1000 顆，2018 年突破了 2000 顆，而到了 2022 年，這個數字已經逼近 7000 顆。

那麼，為什麼我們需要這麼多衛星呢？

科技的進步當然是主要因素之一，但更重要的是「衛星種類的多樣化」。根據運行高度，衛星可以分為四種類型：高橢圓軌道衛星、同步衛星、中軌道衛星與低軌道衛星。這些不同種類的衛星各有其特定的用途和優勢，使得衛星通信變得更為普及和高效。

摩斯當年靠電報解決了地球上的通信問題，但在宇宙尺度上，我們還有很多需要努力的地方。

隨著衛星技術的發展，衛星通信正逐步走進我們的日常生活，並成為可期待的商業服務。然而，我們還面臨許多挑戰，例如低軌衛星可能影響天文觀測，衛星相撞風險增加，以及太空垃圾的問題。但也許在不久的將來，我們每個人都能輕鬆使用衛星通信。讓我們一起展望這個充滿潛力的未來吧！

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

參考資料

• Large LEO satellite constellations: Will it be different this time? 
• Number of active satellites from 1957 to 2022
• Who cares about latency in 5G?
• NASA Back In Touch With Voyager 2 After ‘Interstellar Shout’ 
• A Graph-Based Customizable Handover Framework for LEO Satellite Networks 
• 一閃一閃亮晶晶，滿天都是人造衛星 https://pansci.asia/archives/318404