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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

Rock Sun
・2019/07/20 ・5598字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

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「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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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。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。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。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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臺灣宇宙夢! 「太空科技長程發展計畫」30 周年
喀報CastNet_96
・2021/06/06 ・3125字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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科技部的「太空科技長程發展計畫」從 1991 年起以衛星為發展主軸,陸續進行了第一期、第二期的基礎性研究,以及福爾摩沙衛星一、二、三、五、七號計畫,直至 2019 年進入計畫第三期。總投入高達 251 億元,希望培育太空科技人才,建立自製衛星的實力,並且結合既有半導體、資通訊科技和精密機械等優勢產業,在後疫情時代建立台灣衛星產業供應鍊,進軍全球太空產業。

然而,在如此保守穩健的執行過程中,不只多數台灣民眾對太空發展仍不甚了解,許多懷抱熱忱的教授和學生們缺乏足夠資金、開放資訊和完備教育資源,連民間廠商晉陞太空科技公司自行研發製作的火箭「飛鼠一號」,也因沒有合適的法規依據與發射地點而引發「魚塭變火箭基地」的違法用地糾紛,發射最終黯然落幕。

本文以質化問卷調查形式,收集20 位來自陽明交大、成大、中央等機械與航太相關科系學生、研究生對台灣在此領域的現狀和前景的看法。面對各國日漸純熟的航太技術,以及 Space X、 Amazon 、和 Kymeta 等國際大廠紛紛搶進太空商機之下,第三期太空科技長程發展計畫的推動和現行教育,真的能幫助他們學以致用並實踐太空夢嗎?

同時也分別採訪政府端的福衛三號計畫主持人和研究員,以及結合學術端和產業端的國立陽明交通大學 ARRC 前瞻火箭研究中心(以下簡稱 ARRC )主任,期望透過此文為大眾塑造更完整的台灣太空科技近程,也點燃台灣每個人心中對未知探索的勇氣和一起離開地球表面的信心。

衛星和火箭為太空發展的兩大重要關鍵支柱,在政府「太空科技長程發展計畫」第一、二期的努力下,台灣已有衛星研製能力,可惜皆委外發射,須看外國臉色。
衛星和火箭為太空發展的兩大重要關鍵支柱,在政府「太空科技長程發展計畫」第一、二期的努力下,台灣已有衛星研製能力,可惜皆委外發射,須看外國臉色。圖/傅思瑜攝

政府積極帶頭,台灣前進太空

從調查問卷中可見 20 位學生對台灣發展航太產業的信心指數和前景看好度平均分為 5.5 分(滿分為 10 分 ),原因主要為:缺乏資金、社會氛圍不積極、政策步伐緩慢導致延宕的太空法規制定與發射場的土地問題。另外,成大航太系劉祐昇同學表示系上實際學程多以航空為主,太空方面的知識和師資相對不足,若對太空領域有興趣,需要接觸成大的太空學程,或到成大電機、物理、地科……等科系去學習相關課程。

去年五月新科技部長吳政忠上任後,積極推動立法並解決火箭試射場地問題,為這項產業打造友善的發展環境。初擬「科技部短期科研探空火箭發射場域作業指引」,確定由科技部擔任科研火箭的主管機關,並計畫屏東旭海為發射場。而「太空發展法」草案也已通過行政院審核階段,規劃提高科技部下國家實驗研究院太空中心的層級,將其獨立成為具備行政法人性質的「國家太空中心」,以協助推動國家發展航太產業必要。

頑固的太空夢不止

然而,在如此保守穩健的執行過程中,不只多數台灣民眾對太空發展仍不甚了解,許多懷抱熱忱的教授和學生們缺乏足夠資金、開放資訊和完備教育資源,連民間廠商晉陞太空科技公司自行研發製作的火箭「飛鼠一號」,也因沒有合適的法規依據與發射地點而引發「魚塭變火箭基地」的違法用地糾紛,發射最終黯然落幕。

為什麽自 2012 年起,吳宗信要四處演講倡議台灣發展火箭產業,並自行發射能夠載物的火箭? ARRC 主任──或大家更熟悉的五月天 MV <頑固>中的火箭阿伯吳宗信解釋:「要發射火箭,必須整合數學、機械、電機、資工、物理、化工、材料、航太···等技術,每一個產業都要拿出最頂尖的技術和人才。」吳宗信認為「太空」已從過去的戰略科技蛻變至今有高附加價值的「太空經濟」。火箭能成為一個火車頭,帶領台灣產業前進。如果台灣有能力自製火箭並將載物火箭射向天空,不僅證明台灣尖端科技的研發與系統整合的能力,也有機會讓所有產業升級!並指出陽明交大具有充沛的各領域教師和人才,但可惜散在不同學院和學系,因此倡導陽明交大未來能成立「航太系統工程研究所」( Institute of Aerospace System Engineering, IASE )整合無人機、衛星、火箭系統研發資源以培育跨領域人才,幫助台灣此產業推動。

火箭,不只是場煙火秀;太空,不只是場白日夢。六十年前始於美蘇的科技競賽,除了國家軍事的較勁,也推動了我們的科技發展並改善日常生活。至今,許多太空的知識已廣泛運用於我們日常中:透過衛星所獲得通訊資料、影像、數據提高氣象預報準度並有助防颱準備,運動鞋、消防設備、尿布,甚至是電腦、 GPS ,都是發展太空科技下的產物。因此,發展太空科技之必要,不僅在其有助於加強一個國家的自信心與認知度,更在於其整合各領域專業並帶動國家產業升級,回應社會需求並提升人民生活品質之效益。

問及探索太空、投入火箭的意義,吳教授說:「因為心中有台灣」,同時分享其JAP( Justice / Justification, Action, Plan with Preserverance)人格特質與理念,認為自己義比玉山,鼓勵學子對於「對的事」就去做,有計劃地採取行動並堅持目標。(圖片來源/傅思瑜攝)
問及探索太空、投入火箭的意義,吳教授說:「因為心中有台灣」,同時分享其JAP( Justice / Justification, Action, Plan with Perserverance )人格特質與理念,認為自己義比玉山,鼓勵學子對於「對的事」就去做,有計劃地採取行動並堅持目標。圖/傅思瑜攝

台灣,機會無限

儘管放眼追逐太空科技之際,台灣有許多不足,國家太空中心福三計畫主持人方振洲博士和林信嘉博士仍持樂觀態度與高度信心。他們指出台灣和中美等大國比較投資經費雖然落差巨大,資源相對稀少,但台灣在人才和技術上具優勢,熟稔的「備份」和「篩選」技術實現商業規格零件取代高昂的太空規格零件的可行性,也讓世界航太產業龍頭伊隆・馬斯克傾心並大量採用台灣商規零件「經濟上太空」。

就像電腦的發展,從教室大小進階到筆電,再到手機與智慧眼鏡的輕薄短小演進過程,衛星的演進也是如此。台灣善於「玩小」,建議台灣結合電子零組件與精密機械等兩大強項發展自己的特色,不比拚大衛星而比拚微型衛星,其中立方衛星就是台灣值得發展之處。

方博士認為各界應該秉持「開源」的正向發展模式,即技術公開分享、資訊共享,呼籲台灣人才不要只進台積電、做半導體,要做太空!(圖片來源/林泓君攝)
方博士認為各界應該秉持「開源」的正向發展模式,即技術公開分享、資訊共享,呼籲台灣人才不要只進台積電、做半導體,要做太空!圖/林泓君攝

飛向宇宙,浩瀚無垠

「心情一片平靜,覺得自己彷彿變成更好的人。」這是許多太空人回到地球之後的相同感受,心理學家把這種因為太空旅行在視覺和認知上對世界感到敬畏、驚奇,見證到世界的美,並想要保護地球及其生態和所有人類的認知轉變稱做「綜觀效應」。

相信台灣能在實踐太空夢的路上愈變愈好,因為或許,我們與生俱來地將太空當成一個目標追尋的堅持,不只是為了展現國力或提升生活品質,還為了馳騁好奇、揮灑熱忱,一起離開地球表面,透過幾光年外的另一個角度引領我們對熟悉家園的更多思考,思考這份由浩瀚太空揭櫫的感動的同時,我們的承諾──好好永續這份美的義務和責任。

重量約為1至10公斤的立方衛星與動輒1,000公斤以上的大衛星相比體積小、重量輕,更重要的是設計和製造的成本都低。(圖片來源/傅思瑜攝)
重量約為 1 至 10 公斤的立方衛星與動輒 1,000 公斤以上的大衛星相比體積小、重量輕,更重要的是設計和製造的成本都低。圖/傅思瑜攝
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喀報CastNet_96
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國立陽明交通大學傳播與科技學系大三學生自媒體,文章撰寫類目含括科技新知、藝文評論、人物特寫、社會議題和專題新聞,以大學生的觀點出發撰寫與自身和社會相關的文章,內容豐富。 喀報CastNet網站:https://castnet.nctu.edu.tw/

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登月不只是登月: 阿波羅計畫的科學貢獻
htlee
・2019/11/09 ・1172字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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2019 年 7 月 20 日是人類登陸月球 50 週年,大部分的眼光都集中在人類在另一個星球留下腳印這件事,不過阿波羅計畫其實包括了許多科學實驗,讓我們對地球最近的鄰居,有更清楚、正確的認識。

阿波羅太空人在月球上不只是留下腳印而已,他們還對月球研究做了許多貢獻。影像來源NASA。

月球怎麼來的?

數千年來,月亮一直是墨人騷客創作的題材,不過我們對月球起源的了解,卻是最近一、兩百年的事。

1898 年喬治·達爾文(George Darwin)提出「分裂說」,他認為月球是地球愈轉愈快,地球受離心力的作用下分裂、甩出來的。分裂說提出後廣受歡迎,甚至被編入美國中學教科書裡。但是分裂說有一個缺點,它無法解釋為何地球會愈轉愈快,而且快到把一部分的物質甩出來。一般的情況下,天體的自轉速度不會有太大的變化,除非受到外力的影響。

1950 年代時另一個月球起源的學說「撞擊說」被提出,這個理論認為地球早期受一顆火星般大的天體劇烈撞擊,撞擊後的物質從地球表面飛濺到地球軌道,這些地球軌道上的物質在重力作用下凝聚形成月球。

阿波羅太空人採集月球土壤和岩石,帶回地球後,科學家分析月球氧同位素比例,發現月球氧同位素比例和地球表面上一樣。這項證據支持撞擊說,因為劇烈撞擊會把撞擊天體和地球表面物質混合,這會讓月球和地球氧的同位素比例非常接近。撞擊說是目前最被科學家接受的月球形成學說。

我們與月的距離

月球是離我們最近的天體,即使如此,我們也不能用尺來量測月球與地球的距離。最精準的量測方法是用雷射,從地球上打一道雷射光到月球,雷射光被月球反射後再回到地球的接收站,只要量測雷射光從發射、反射到接受的時間,把這個時間的一半乘上光速,就可以得到準確的地月距離。

這個原理簡單的方法實際上並不簡單,因為月球表面的反射率不高,無法把地球發射的雷射光有效地反射回地球。這個方法要等到阿波羅太空人把反射鏡送上月球表面後才能真正運作。科學家長期量測地球與月球距離後,發現月球以每年 3.8 公分的速度遠離地球,這是地球和月球之間潮汐力相互作用的結果。

阿波羅太空人在月球上留下的用來反射雷射光的儀器。影像來源:NASA。

月球上也有地震!?

阿波羅太空人攜帶一些科學儀器到月球,其中比較比較著名的是月震儀。月震儀和地球上的地震儀相似,只是月震儀用來量測月球上的地震。

月震儀除了量測月球的地震外,還可以用月震來研究月球內部的構造。科學家透過月震儀發現月球有一個核心,地殼和核心之間有地函。

太空人艾德林在月球上放置月震儀。影像來源:NASA。

最近(2019年5月)科學家用舊有的阿波羅月震儀資料做新的分析,他們發現有一些月震發生在斷層附近,這個斷層可能是月球冷卻收縮的結果,這項結果顯示月球目前依舊有地殼活動的現象!

htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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幫太空船寫程式的人:阿波羅計畫的工程師瑪格麗特・漢彌爾頓 ——《重返阿波羅》
PanSci_96
・2019/08/17 ・1229字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

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解決問題是她最喜歡的事情

瑪格麗特・漢彌爾頓(Margaret Hamilton) 開始寫電腦程式時,還沒有「軟體工程師」一詞。漢彌爾頓 1936 年出生於美國印第安納州,1958 年畢業於厄爾罕學院(Earlham College),兩年後獲得在麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)寫電腦程式的工作。

在 MIT,漢彌爾頓開啟了後來延續整個職業生涯的興趣:修正程式設計錯誤。在程式設計初萌芽的時代,她和同儕從實作中學習工程和故障排除,用充滿創意的方法面對自己的工作。有時候他們可以透過大型電腦製造出來的背景噪音,分辨自己的軟體是否順暢運作。

瑪格麗特・漢彌爾頓。圖/Wiki

1963 年,漢彌爾頓正準備進入布倫戴斯大學(Brandeis University)的研究所攻讀抽象數學的學位時,MIT 取得 NASA 的合約,為阿波羅太空船設計導引和導航電腦(AGC)。

漢彌爾頓不想錯過這個機會, 聯繫計畫辦公室,分別和兩名計畫主持人進行面談。兩位主持人都當場決定雇用她,她建議兩人應該丟銅板決定她要去誰的團隊工作。

接下來幾年之內,漢彌爾頓成為 MIT 儀控實驗室(MIT Instrumentation Lab)軟體工程組(Software EngineeringDivision)的主持人,也是 AGC 背後的主要設計者之一。

為阿波羅導引電腦設計軟體時,漢彌爾頓和她的團隊必須創造新的軟體系統,以引導和控制阿波羅任務太空船前進月球。

「除了作為開路先鋒,別無選擇……找不到問題的答案時,我們只能創造答案。」

她後來回顧。

瑪格麗特・漢彌爾頓把她自己和麻省理工學院的工程師團隊為阿波羅任務的導引和導航軟體所寫的原始碼列表堆疊起來。圖/Wiki

團隊中充滿「天不怕地不怕的二十多歲年輕人」,他們有自由(也有壓力)來對付太空導航的挑戰。使用漢彌爾頓軟體的阿波羅計畫和太空實驗室(Skylab)計畫期間,從沒發生過嚴重故障。

然而漢彌爾頓的女兒蘿倫(Lauren)卻預示了一次最嚴重的錯誤。那時四歲的蘿倫在漢彌爾頓的辦公室玩著顯示器和鍵盤(DSKY),在模擬器的飛行途中,輸入了發射前使用的程式 P01,導致嚴重錯誤。

漢彌爾頓因此建議加入一行程式碼,以避免這種情況發生。但 NASA 告訴她,沒有任何太空人會犯下這種錯誤。

在阿波羅 8 號任務時,吉姆・洛維爾意外刪除了指揮和服務艙的導航數據,導致與漢彌爾頓女兒所造成的相同狀況。幸好電腦的設計很穩健,漢彌爾頓和她的團隊才能夠找到方法,在幾小時內從地面修正問題, 見證任務圓滿完成。

漢米爾頓後來為 NASA 發展太空梭使用的軟體。她也成立了兩間公司,專門設計可靠的軟體,並因為她為阿波羅計畫做出的貢獻,在 2016 年獲頒美國總統自由勳章(Presidential Medal of Freedom)。

她一直是工作場域裡少數的女性之一,在締造阿波羅計畫的成功、幫助推動電腦在外太空的運算上,她都是一位卓越的人物。

 

本文摘自 大石國際文化重返阿波羅

 

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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
Rock Sun
・2019/07/20 ・5598字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

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「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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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。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。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。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者