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登陸月球跟我們有什麼關係?阿波羅計畫留下的科技遺產

「這是一支太空筆,因為太空沒有重力,所以科學家設計了這支特別的原子筆。」

「教授,那他們為什麼不用鉛筆呢?」

這是來自於知名電影「三個傻瓜」的中的橋段,雖然在電影最後我們得到了為什麼不用鉛筆的答案,但是「太空筆」仍是在這部電影口碑爆棚的時候,成了大家耳熟能詳的太空科技⋯⋯但太空科技和我們之間的距離,難道只有筆嗎?

1962 年,美國甘迺迪總統在萊斯大學的登月演說中曾說「我們決定在這十年間登上月球並實現更多夢想,並非它們輕而易舉,而正是因為它們困難重重。(We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard)」你或許對這段話有些印象,但很少人會再記得下一句話:「因為這個目標將促使我們實現最佳的組織和挑戰現有的能力和技術(because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills)」於是我們也跟著仔細想想,在當時要完成這個目標的美國,需要多少的新技術呢?

從1950年代開始的太空競賽,可能是歷史上數一數二離我們最近、有大量新科技被研發的時代。就讓我們在登陸月球50週年之際,來從 NASA 科技交換及商業辦公室(NASA’s Office of Technology Transfer and Commercialization)的報告中,一起來認識這 17 樣你現在習以為常,但其實是因為阿波羅計畫而誕生或進步的科技吧!

太空科技讓體育相關用品變得更好

穿著太空人款的運動鞋追趕跑跳碰?

大家對登月最大的印象,可能就是留在月球上永恆的腳印(有趣的是~留下這個印子的嚴格來講是靴子的外套殼),但是這個腳印可得來不易。

登月太空人所穿的登月靴在當時是非常革命性的設計,因為要在只有1/6重力的月球上活動,太空人的鞋子需要比在地球上具有更好的穩定性和吸收衝擊的能力,不然在月球上走路會非常的難以控制,太空人輕輕一碰可能就會失足跌倒。

阿波羅11測試過程中,阿姆斯壯在練習穿著太空衣爬樓梯。(圖片來源:NASA)

一位叫Al Gross的NASA工程師想到了方法,他把靴子足弓和腳跟的材料,從原本的熱塑性塑膠換成了泡棉,大量的降低了走路時的反作用力,同時「吹氣成形」這個主要跟玻璃聯想在一起的技術,也開始用在製作鞋子外殼和太空衣上,打造出一體成形的裝備,去除太多零件可能會受力不均勻而損壞的風險。

之後很多的鞋子製造商採用這種類似的技術,為各種運動打造出適合的運動鞋。

NASA 開的天窗

你有沒有想過,那些天頂可以開闔的大型運動場館,天花板會不會很重?

在 NASA 研發的眾多太空衣全新技術中,有一種由Birdair 公司開發的聚酯纖維,特色是每平方公尺只重1.5公斤,比鋼鐵還強韌,除此之外纖維還是半透明的,具有反射部分光線的能力。

美國休士頓的信賴球場(現在的美式足球NRG體育館) 是全世界第一個運用了可開闔式天頂的美式足球運動場,天花板就是這種材質。(圖片來源:維基百科)

這種材料剛好適合用在這種大型天頂上,讓場地不只可以享有自然光,還能兼顧照顧草地,外層還能再加一層鐵氟龍塗料更進一步加強纖維對濕氣、高低溫的抗性,減緩屋頂被風化、裂解的速度,而且價格低廉又施工快速,可以撐20天以上,比同類型材料還要省30%,在歐美這些室外運動場林立的地方,如網球場、美式足球場,還有長期的半開放室外展覽會場一直到現在都大量使用這種纖維喔~

不靠魔法如何移動體育館內的7000個座椅?

在阿波羅計畫中,有很多麻煩的大東西需要到處移動,又要盡量減少碰撞,例如火箭引擎、太空艙、衛星……等等。不能單純的只靠卡車運送,所以 NASA 和通用汽車在阿波羅計畫之間針對如何移動大型物體做了很多的研究,包括利用簡單的氣墊就能把東西架高,輕鬆並安全的移動這主想法。

之後一間叫做 Rolair Systems 的公司靠著前通用汽車工程師,研發了一種稱作氣動升降技術,他們成功靠著氣墊技術輕鬆移動夏威夷體育場內將近7000個座椅,只要一次操作就可以輕鬆移動很多東西,而且也相當安全,或是例如以下倫敦體育館的影片,也是使用類似技術喔~

守護太空人的技術,也可以保護你和地球

以前的太空裝是現在防火衣

太空競賽中免不了失敗,記取慘痛的教訓,阿波羅1號的悲劇就是這麼一個例子。阿波羅1號於1967年1月27日的一次例行測試中指揮艙發生火花,因為當時艙內都是純氧的環境,所以火災一發不可收拾,造成3名太空人死亡。所以 NASA 暫停了載人計畫,決定先好好的加強一下自己,而如何應對火災是很重要的課題。

當時一間叫做孟山都的公司(對,就是那個孟山都XD)開發了一種完全防火的化學塗料纖維叫做 Durette;另外,有個和 NASA 與國家標準局共同執行的計畫,也產出了一系列輕便的飛行面具、繩索、氧氣瓶;而許多的儀器、設備則是改用鋁複合材料製作,大幅降低重量,而且設計邏輯是可以迅速拆卸。以上三個技術,全盤考慮到了太空衣、急救訓練器材、儀器設備、逃生⋯⋯等等功能,所以之後的消防員裝備都以這些技術、設計邏輯為藍本,不斷的進步

阿波羅太空人在接受太空漫步的指導(圖片來源:NASA)

保全措施罩得住

當年美蘇冷戰又太空競賽,使兩個國家把國安都當作最高要務;雖然不能公開打仗,但能勾心鬥角。

身為當時高科技中心,NASA 當然也必須具備當時最先進的防盜技術,其中一個,可能你現在會覺得很蠢,很像搞笑間諜電影的陷阱:是一種動態感測器,這種機關裝在一個不鏽鋼的管子內,設置在機密設施門口,每當有莫名人士踩到這個經過特殊設計的地磚,就會有警報通知保全,之後包括銀行、工廠、住家都能移植這種防盜機制,還有博物館業會安裝這種系統在展示櫃上,已防止有人偷拿展覽品。

當時要訪問太空人,連NASA自己的攝影師都要進行血液檢測,來確保沒有間諜(圖片來源:NASA)

食物

阿波羅太空人最好不要拉肚子,因為你和兩個隊友住在一個小小小房間裡長達8天,所以食物的消毒是一件非常重要的事。一間NASA的合約公司Caribbean Clear 開發了使用氯和溴消毒的方法,還可以依狀況替換化合物,而阿波羅計畫就是使用銀離子當做消毒系統的一部分,處理食物、殺菌、去除飲用水中的銅和藻類,讓太空人在任務中還能繼續享用高品質的飲用水。

模擬地震

其中一個 NASA 急需創新的範疇,就是包括所有的實驗儀器,因為阿波羅計畫有太多第一次了~~例如有史以來最強大的火箭農神五號,之前沒有任何設備能夠模擬它的影響,如果實驗設備震壞怎麼辦?地面承受不住呢?一間叫做Wyle-3S 的公司授命要打造出一個可以模擬火箭發射等級震動、衝擊的設備,來模擬農神五號發射時的狀況。這種設備後來變成了現在的地震實驗機,這還能怎麼衍生就無可限量了~ 現在所有公共交通,包括設計火車軌道、貨車、高速公路設計都需要做類似的實驗,還有就是防震建築的研究,來找出更有效率打造日常設施的方法。

農神五號第一級火箭@NASA 斯坦尼斯航天中心(圖片來源:NASA)

為了去太空,地球上的醫藥得更進步

心律調節、即時檢測、隨時保護太空人

整個太空人計畫中,如何了解太空人的身體健康,並即使在幾萬公里外也能發動救援,是很重要的一件事。NASA 與許多的醫療器材公司聯合開發了各種不同的儀器,包括迷你版的心肺復甦裝置,能夠檢測心跳、並在需要的時候給予電擊;還有新型的心律調節器,一反之前只有固定頻率的設計,現在可以自由調整,來檢測太空人的狀況。

電腦斷層掃描(圖片來源:NASA)

去除人體內有害物質

其中一個大家對於太空人生活的印象可能是要喝自己的尿⋯⋯過濾回收後製成的水。其實這原本是由 NASA 和 Marquardt Corporation 合作開發的一個技術,目的很簡單,就是要從液體中移除有害物質。

而之後整個透析技術發展成了現代的洗腎、過濾系統。

冷酷的好點子

阿波羅計畫中,測試、火箭發射時都有可能會有高溫、甚至發生火災的狀況,為了讓太空人能夠應對並且取得時間逃離,NASA 研發出了一套水冷式服裝系統,之後發展成了裝甲車駕駛、消防員、和賽車手的標準配備。

水冷式衣服甚至還有醫療價值,包括輔助多發性硬化症、先天沒有汗腺或是對太陽光過敏的病患,還有研發出了協助檢測癌症的水冷式胸罩。更有趣的是~一樣的技術還可以加強了賽馬的表現,使用的冷卻墊可以讓馬匹降溫4~6度,讓牠們更好發揮實力。

阿波羅11號的後備組員吉姆·洛維爾和弗萊德·海斯正要僅行高度測試(圖片來源:NASA)

不多不少、準確使用藥物

去太空,一公克都是累贅,燃料能省要則省。在最早期的太空計畫中 NASA 就注意到這點,與 Parker Hannifin Corporation 共同研發了一種儀器,可以更準確的控制農神火箭的燃料使用,之後太空梭計畫也是一樣他們設計的閥門來控制外燃料艙,因為這種閥門體積極小,所以取名為花生閥門。

但這跟醫療有什麼關係呢?之後 NASA 又與 Parker 開發了一個同樣邏輯,但功能完全不一樣的系統,拿來餵藥用的~靠著電腦控制、可以不斷提共如胰島素的藥物,或多或少剛剛好,不會有過量的問題。現在這種閥門也能夠在汽車內找到,功用就是回歸原始的控制燃料。

在回到地球之後,三位太空人在黃蜂號軍艦中與尼克森總統見面,但是需要待在隔離艙之內。(圖片來源:NASA)

居家阿波羅,多少日常可以追朔到登月時代?

無線設備

在太空任務中,有很多的東西需要傳遞,例如物質和訊號,但是在空間、設備複雜度有限的情況下,有些東西你其實可以不用上線路傳遞,其中首當其衝就是訊號。

根據NASA在這段時間內的技術,一間叫做 Black & Decker 的公司開發了一種無線、輕盈、攜帶式的溫度計,讓醫生作業有更大的自由度。當然還有工具,例如馬力足夠又是攜帶式的電鑽之類的工具,而沒有這些技術,國際太空站也不會出現。

無線的電熨斗(圖片來源:NASA)

石~~~鐘

你知道嗎?阿波羅11號抵達月球的時間,只比預計的的晚了幾秒鐘。

整個太空計畫都是在跟縝密的時間賽跑,一分鐘都是很大的誤差,為了這個任務,General Time公司研發了一台電子脈衝的石英鐘,一秒內石英震動4百多萬次,一年只會有一分鐘的誤差,給整個任務當作時間基準,也讓全世界的轉播都幾乎在同一個時間點上,之後校準時間變得更簡單了。

如何在月球上大興土木

你覺得阿波羅太空人從月球帶回來的岩石是地面撿的嗎?其實不只喔~ 他們還需要在上面鑽一個將近3公尺的洞,取得月球部分的表面。

為了這個實驗,太空人需要一個可以攜帶又方便操作的鑽孔機。 一樣由Black & Decker開發的鑽孔機靠著全新的技術最佳化電力消耗和馬力,猜猜看這技術後來用在哪裡呢? 這變成了手持式吸塵器的前身,一樣要轉、一樣要輕便,之後如果我們還要去火星的話,這個技術一定會在更加進步,期待之後工具越來越小。

艾德林在月球表面上準備安裝兩個實驗設備(圖片來源:NASA)

跨領域的科技,什麼都可能發生

太空數位化

為了處理阿波羅計畫中傳送的影片和照片,當時在影像分析的技術上有很大的進步,數位影像的處理讓我們可以更清楚的觀察太空人在月球上的活動細節和設備反應。

這種技術後來不只用在影像,還有MRI、電腦斷層、顯微鏡,Estee Lauder公司還衍生出了一種新用法:利用這些光影分析,來判斷保養品在皮膚上是否有效。

從月球看地球BY阿波羅11號(圖片來源:NASA)

特殊的金屬處理

太空旅行有一個東西很致命、破壞性極強的東西很常會被遺忘,那就是輻射,為了保護太空人和儀器不被輻射影響,NASA開發了一種絕緣填充物:由鋁鉑和杜邦公司的麥拉聚酯薄膜構成。

這種絕緣又具有反射功能的材料在之後很多的汽車、住家、廚房都找的到,通常被縫在金屬被毯內⋯⋯現在就是你很常看到的戶外用品材質,可以保暖、防曬甚至急救,汽車的話你可能會在引擎或排氣系統內找到它。 

NASA工程師正準備組裝農神火箭(圖片來源:NASA)

這是一隻間諜母豬

在一個豬舍中,通常15~25%的小豬在斷奶前就會夭折,造成豬農很大的損失,有時候母豬甚至會不小心把小豬壓死或是直接拒絕餵養某一隻。為了解決這個問題,一間農業機具公司Farmatic Inc 研發了一種機械豬媽媽,這個設備可以預存母奶、加熱再餵養小豬,甚至還會發出類似豬媽媽的聲音,讓豬農可以減少損失,但是這又跟NASA有什麼關係呢?看起來很不太空啊?

其實這一整套技術最一開始是阿波羅太空船內的循環系統,讓太空艙內保持正常的溫度和濕度,誰會想的到之後竟然變成豬農的好幫手呢?

母豬模擬器(圖片來源:NASA)

這些大概就是50年前,人類設下一個大目標後得到的科技,默默地爬進了我們的生活、產業中。

讓我不禁想問~ 那麼50年後~會有什麼太空科技來到我們身邊呢?50年後我們又會慶祝什麼呢?我們這些科學家、工程師們有能怎麼站到這個科技前緣上呢?

 

參考資料:

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登月失敗者大會(誤):《阿波羅13號》觀影會+映後座談

在哪裡跌倒就在哪裡躺一下,然後站起來就好!(?

在地球是這樣,在月球也是如此。但如果不是跌倒,而是火箭發射後出了些狀況呢?只說了句「休士頓,我們有麻煩了」可是回不了地球的,
讓我們在登月50週年之際,不只談談成功的登月,更要一起重溫《阿波羅13號》,來看看勵志的登月失敗案例!(無誤)

活動包含觀賞《阿波羅13號》放映、映後座談,以及最重要的是:爆米花和含糖飲料(冰)。名額有限,還不快速速報名:https://lihi1.com/hO5PX

 

 

關於作者

前泛科學的實習編輯,曾經就讀台大生物環境系統工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但這些現在已經不重要了。除了環境外,也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章,可能是因為自己也喜歡胡思亂想。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。

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