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太空科技只是貴族的遊戲嗎?且看 SpaceX 如何致力於人類成為星際種族的夢想!

科學月刊_96
・2019/09/23 ・2568字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 511 ・六年級
  • 文/火星軍情局局長,作家兼部落客,經營火星軍情局,關心未來的人類文明在宇宙中的地位。

近年來,隨著太空科技民營化,各家私人太空集團如雨後春筍冒出,如 SpaceX 、藍色起源 (Blue Origin) 、維珍銀河(Virgin Galactic) 、阿斯特里姆 (Astrium) 及畢格羅宇航 (Bigelow Aerospace) 等,也宣告民間太空探索的大航海時代來臨。近期,又以 SpaceX 成功發射福衛七號等衛星的 STP-2 任務最受矚目。

究竟探索太空的科技如何實現?本文將帶領讀者一窺新興公司如何航向浩瀚宇宙。

1958 年,第一顆人造衛星說穿了就只是一顆能發射電波的金屬籃球,但是短短 11 年後,人類竟然能登陸月球,其中的突飛猛進有如三級跳。活在當時的人們,一定會以為不久的將來太空旅行如家常便飯,甚至移民太空指日可待。登月前一年由庫柏力克 (Stanley Kubrick) 執導的經典科幻電影《2001太空漫遊》 (2001: A Space Odyssey),片中預測在 2001 年,人們只需買張機票就可以到軌道上的巨大環狀太空站洽公和度假,而且月球上有大型基地,也有載人太空船遨遊太陽系……

但 2019 年的現在,上述的一切都沒有發生。

《2001太空漫遊》是一部在科幻領域有重大意義與貢獻的電影巨作。圖/IMDb

因為發射火箭非常昂貴,只有幾個大國才玩得起,對口袋不深的國家、組織或公司,太空是一個高不可攀的門檻,更別提移民太空站了。

發射火箭有多貴呢?美國太空總署 (NASA) 當年估計用太空梭給國際太空站後勤補給的平均價碼是每公斤約 22000 美元,而外界的估計卻是 3 倍之多,也就是說, 350 公克的瓶裝礦泉水上到太空站就要 20000 美元,這價錢都可以買輛車了。

發射火箭太貴了,把火箭回收再利用吧!

也因如此,當年 SpaceX 創辦人馬斯克 (Elon Musk) 誓言要大幅降低發射成本,其秘訣是:多次回收,重複使用火箭。他曾表示, SpaceX 目的就是要讓人類變成星際民族。

要解釋可回收火箭如何降低成本,就要稍微說明傳統火箭的運作方式。多數的傳統火箭都有 2 節,第一節最大,負責把第二節火箭和酬載,例如衛星或太空站的補給船推上大氣層邊緣,燃料用盡後與第二節脫離,變成廢物落回地表。此時第二節火箭點火,把酬載送到預設的軌道後再與其分離。

因第二節火箭體積小速度快,通常會成為太空垃圾一段時間後返回大氣層內燒毀。看到這裡,讀者一定發現一個大問題:只有小小的酬載留下來,其他絕大多數的火箭部件全是一次性,用完就丟。想像坐飛機旅遊,落地後飛機就當廢鐵賣掉,這樣的機票當然十分昂貴。

如果把火箭想像成飛一次就馬上報銷的飛機……天哪!那該有多燒錢!?圖/Pixabay

所以,回收火箭便是一個好的主意。以 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭來說,發射總成本約 6120 萬美元,其第一節火箭佔總成本的 70% 、燃料成本則只有 30 萬美元,不到總成本 0.5% 。所以,即使回收後的火箭整理費用要 910 萬美元,每次發射分擔後的成本還是比用完就丟的火箭便宜太多。

不過,首創回收火箭的並不是 SpaceX ,太空梭基本上就是為此所做目的設計,其燃料箱兩側的助推火箭可回收,利用降落傘落在海中再以船隻拖回,但事後證明太空梭反而又貴又危險。

另外,以火箭本身的推力垂直降落也非 SpaceX 首創, 1990 年代時麥克唐納道格拉斯公司 (McDonnell Douglas) 的三角快船實驗火箭 (Delta Clipper Experimental, DC-X) 就為此測試過火箭的垂直起降,而 SpaceX 的競爭對手藍色起源更首度用火箭垂直降落後再回收使用。不過,讓 SpaceX 聲名大噪的是其火箭為真正上外太空、又成功地用於商業用途的首例。

STP-2 任務: 一場對 SpaceX 的資格考

SpaceX 於今 (2019) 年 6 月 25 日,搭載包括臺灣的福衛七號在內的 STP-2 發射任務,號稱是 SpaceX 史上最困難的任務。所謂的 STP 是指美國空軍的太空測試計畫 (Space Test Program) ,它可說是 SpaceX 的期中考,如果通過了, SpaceX 的回收技術就有資格執行美國國防相關任務。

任務艱難在於,除了要回收第一節的主火箭、兩側的助推火箭與整流罩外,還要酬載 24 顆來自不同客戶的衛星,且須部署在 3 個不同高度的軌道。

除了增加軍事部署的彈性,在商業上也有重要的意義。舉例來說,若有天要從臺北搭車前往高雄,有的車行因為專門為一人服務,因此所費不貲;有的車行報價較便宜,但要坐滿才開,所以必須慢慢等。而 SpaceX 就像一家新的車行,有獵鷹重型這樣的大車,還願意載到不同目的地,所以若是有要去臺南、高雄等地的旅客,也可輕易湊滿一輛車,隨時出發,車資也便宜得多。

下圖為本次發射任務的程序,火箭升空至 67 公里的高空後, 2 台助推火箭燃料燒盡後同步脫離主火箭並反轉逆向噴射,返回原發射場,在降落程序中運用柵格翼 (grid fin) 和火箭推力控制方向。助推火箭分離後的主火箭繼續推動到 128 公里的高空,因本次的酬載量大且有數個目的地,主火箭需攜帶更多燃料,與第二節火箭脫離後已經離發射場太遠,所以要降落在離發射場 1200 公里處等待的自動駕駛海上平台我當然還愛你號(Of Course I Still Love You)

另外,火箭鼻端的 2 片整流罩也分離,先後靠本身的空氣阻力和降落傘慢慢落下,由另一艘船樹女士(Ms. Tree)張著大網接住。 SpaceX 目前並沒有回收第二節火箭的計畫,但未來新一代火箭大獵鷹火箭 (Big Falcon Rocket, BFR) ,如同子彈外型的第二節火箭是可回收的。

STP-2任務最後的結果是:

酬載的衛星都順利部署, 2 台助推火箭漂亮地降落在發射場旁,第一節主火箭在最後墜毀在我當然還愛你號旁,樹女士也順利地接住整流罩,美國空軍看來相當滿意。

讓科幻變成真實吧!我們的征途是星辰大海

重複使用火箭與降低成本固然很好,但與文章開頭的科幻情節有什麼關係呢?

因價格會決定技術的普及性,而普及的技術會擴大經濟規模,進而又刺激技術發展。可惜火箭技術似乎沒有進入此良性循環,電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後,如今電腦已經進入每個人的口袋中,但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲,直到新興太空公司利用新技術改變原來死氣沉沉的太空科技,讓人們看見新希望。

或許不久的將來,上太空的門檻會低到一個程度,讓人們敢於嘗試新的商業模式。不論是觀光、通訊、開礦、移民或現在還想像不到的目標,都有機會從目前賠本生意變成發大財,那就是從科幻到真實的關鍵。

延伸閱讀

  1.  Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.
  2.  Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.
  3.  A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。
〈本文選自《科學月刊》 2019 年 9 月號〉在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

文章難易度
科學月刊_96
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護國神山老本還能吃多久?孵化顛覆創新,臺灣缺什麼?——專訪經濟部技術處邱求慧處長

鄭國威 Portnoy_96
・2022/01/13 ・5854字 ・閱讀時間約 12 分鐘

在特務電影中,通常有一位(或一組)科技專家與之搭配,用魔法般的發明,預料執行任務中可能遇到的各種問題,事先設計發明或炫目或低調的科技。得在垂直的高樓玻璃帷幕上攀爬?沒問題,這是一雙戴上就宛如壁虎的手套。需要變臉偽裝?沒問題,這是一臺可攜 3D 皮膚列印機。需要從飛機上跳下來?沒問題,這是一套可變身滑翔飛鼠裝的西裝……。

如果把臺灣比喻為特務,那麼經濟部技術處就是那位科技專家。或許這麼比喻讓你覺得牽強,但在貿易戰未休、半導體缺貨、疫情一波波、淨零碳中和各種趨勢與危機夾雜的此刻,臺灣的確愈顯重要,也更需要技術手段幫自己脫困突圍。

於 109 年 10 月接任經濟部技術處處長的邱求慧,肩負為臺灣孵化更多科技的關鍵任務。技術處「運用經濟部『科技研究發展專案計畫(簡稱科技專案)』,整合法人研究機構、產業界、學術界之研發能量與軟實力,促成國家創新系統成員間的科技創新連結,開發具前瞻性、關鍵性及跨領域之產業技術,並將研發成果多元移轉落實產業界應用,促進創新研發成果走向產業化與國際化,以厚實產業技術能量,提升產業創新效益。」

上頭這串介紹技術處的文字,引用自官網,也的確「官樣」。這正是邱求慧欲改變的其中一點。「我來之前就已經在變了,我來之後可能變本加厲!」身形高挑、身著合身西裝的他接受泛科學採訪,坦言希望政府的科技成果也能更科普,別老是艱澀又官樣感。「這樣政府做的很多事沒人知道,就很可惜啦。」他說。

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

我來,是為了發展 100 個故事

雖然網站上關於技術處的介紹不太親民,「技術新知快遞」、「產業技術知識+」等專欄的內容亦針對產業界撰寫,稱不上科普。但技術處早就整合了 20 多間研究機構(工研院、資策會、生技中心、金屬中心等),透過「解密科技寶藏」的網站、社群媒體跟實體展覽,積極地想讓這些成果「被看見」。

邱求慧說,雖然技術處與法人面對的廠商大多都很專業,但也不是專業性都那麼高。而且再怎麼專業,也得跨領域跟其他專業互動。同時作為政府一環,技術處也要對立法委員、一般民眾溝通,讓大家都能懂。因此他要求同仁未來產出的內容別再官樣,要更科普,讓技術處裡處外與民意代表都能懂。

在去(2021)年 10 月,行政院跨部會主辦之台灣創新技術博覽會(前身為台北國際發明暨技術交易展)期間,技術處展出約 80 件具前瞻性及產業效應的技術。身為領導人,邱求慧積極現身推廣,邀請吳淡如、路怡珍兩位各具影響力的 Podcaster/YouTuber 合作,用輕鬆、聊天的方式談展出的技術。

2021 創博會展出各種具前瞻性及產業效應的技術,如自動駕駛。圖/台灣創新技術博覽會

「例如路怡珍就問我,什麼是 WiFi 雷達?」說到 WiFi 大家都知道,但 WiFi 雷達其實是用來精準定位跟監測人體生理訊號,由工研院在技術處支持下開發成功。簡單來說,就是像蝙蝠的聲納。WiFi 雷達可以用在電廠鍋爐爐管檢測、提高人員作業安全;也可監測是否有粗心父母、飼主把小孩子或寵物遺忘在車上;由於能感應呼吸心跳、翻身次數,WiFi 雷達也可用來偵測睡眠品質。邱求慧表示,就是要透過不熟悉這些技術的網紅,來幫大家問出專業覺得稀鬆平常、但對非專業卻隔層山的問題。

除了帶來外部流量,邱求慧也強化內部賦能。例如在為研究機構(法人)辦的講座,邱求慧請來《TVBS 一步一腳印》的主持人詹怡宜與暢銷作家/故事教練許榮哲對教科技人「怎樣把科技的故事講好」,「技術如何服務社會」。

「以前的技術處長可能是來發展 100 個技術,我來這邊,是為了發展 100 個讓人記得的故事。」他以身作則,親自訪談技術處企業創新研發專案補助的案例,挖掘故事。他說得很直白:「我看官樣的影片、文章,馬上就略過了啦!所以我來了以後就跟同仁商量,能不能換個方式,把過程中的故事擷取出來。」

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

補助是沃土植花,非錦上添花

在受訪前一天,技術處剛發表一則微電影「那些足球教我的事」,講的是聯發科獲得技術處「A+企業創新研發淬鍊計畫」的故事。邱求慧記得剛到技術處述職,就被質疑:「聯發科已經是傑出的廠商,為何還要靠政府補助?」由於這是他來之前的決策,一開始他也無法回答。

後來與聯發科總經理黃合淇交流,他才了解其中來龍去脈。黃合淇對他說:「你不要看我們聯發科現在很風光,股價破千,但我在申請的時候股價才 200 多。」由於在 4G 階段,聯發科進度發展落後,與競爭對手高通的距離拉大,現金流短缺,研發經費只有高通的 ⅓ ,這時迎來 5G 競爭,明顯居於弱勢。

5G 以頻段區分,可分成 6 GHz 以下的 Sub-6 與 24GHz 以上的 mmWave 毫米波。高通選擇發展 Sub-6 GHz 與 mmWave 毫米波整合晶片,聯發科卻只發展 Sub-6 窄頻晶片,這在當時是個風險極高的大賭注。然而後來由於各國市場考量成本與產業生態鏈,率先採用 Sub-6,反而讓聯發科獲得先發優勢,恢復元氣,成為現在的破千股王。邱求慧表示,回到那個時間點,聯發科面臨的挑戰極為嚴峻,畢竟 5G 若再失敗,遑論 6G。

聯發科以 Sub-6 窄頻晶片,在 5G 市場上取得先發優勢。圖/Pexels

雖然經濟部破紀錄補助了 7 億,但聯發科自己投了 300 億。「我問他說:7 億跟兩三百億差那麼多,還要花時間寫報告給政府,何必呢?他說那是一個信心,代表政府願意跟他站在一起,去幫他背書。雖然聯發科在台灣很大,但在國際上的競爭對手更大。」

邱求慧笑著說,成功之後,人們才說現在股價那麼高,怎麼還拿政府補助?但誰想起 4 年前那場豪賭?於是他決定邀請導演,將這故事透過微電影演繹。

「作為處長,資源怎麼分配是很大的難題。」邱求慧語氣慎重地說,如今台灣大型科技企業每年研發經費至少 6000-7000 億,但技術處的 A+ 計畫補助一年才 20 億,補助對象還包括外國企業,如 A+計劃下的「全球研發創新夥伴計畫」邀請與我國企業有互補互利關係之外國企業在國內共同研發,補足研發升級之缺口。他另外補充表示,經濟部工業局的產業升級創新平台輔導計畫(TIIP)每年也才 10 億多,與 6000-7000 億的企業研發經費根本不同規模。

「40 年前,台積電可能可以靠政府全力支持站起來,但現在企業已經發展得很強了,不可能一體適用。我們只能挑有潛力、要起步的新創,幫助他們越過死亡之谷,或是挺現有企業挑戰極為困難的課題。」邱求慧說。

因此他認為政府的補助就算是雪中送炭,也只能送給有潛力的哪些。如何看懂、挑中潛力者,帶回千百倍的效益,就是他與技術處的挑戰。他強調:只要企業迎向挑戰,面臨巨大風險,政府會幫一把。「我是在他需要的時候支持他,不是在他好的時候。」

科技要有社會影響力

另外一部技術處近期上傳的影片「我的黑手阿爸」,則是傳統機械工廠的數位轉型故事。在技術處支持下,工研院開發了「智慧機械雲」,這是一套簡易的傳產數位轉型方案,透過數位機上盒收集機台資訊,讓資料透通,還可進一步客製化,基本的 ERP、進銷存、物流管理等服務都有,進階 App 如「射出機通訊模組」、「幾何公差標注模組」、「工具機剛攻性能評價」等熱門項目,皆可免費下載。

邱求慧說,要黑手老闆花 200 萬導入科技專案很難,要把 200 萬賺回來也很難,因此政府直接提供解決方案。為了推廣,技術處做了田野調查,找到一對父子,爸爸是黑手,兒子則在工研院服務,想用智慧機械雲幫忙,但卻被父親痛斥,覺得是在否定自己把孩子拉拔長大的技術。當然,父子後來互相諒解,攜手合作,按照數據反饋調整機台,提升良率。拍成微電影後,很多老闆看了,對機械雲興致大增,很快會員數就破千家。

結合新科技,傳統工廠也可以很先進。圖/Pexels

以身作則說故事之外,邱求慧更進一步改變法人的績效指標,加入一個評量重點:社會知曉程度。他表示以前的指標不外乎專利數量、技轉金金額、成立公司家數……「但以後還要看有多少外界的人知道、在乎我們在做什麼」。

顯然,單向說故事並不夠。邱求慧要求技術處與旗下法人要重視社會影響力,以實際行動改變偏鄉、弱勢處境,解決問題。「政府存在,本來就是要照顧弱勢,解決市場失靈的問題。」以南投縣仁愛鄉的科技食農驗證場域為例,由於近年來山區缺水,導致作物收成不理想,技術處透過科技專案,導入工研院的農工整合技術,例如環境感測精準滴灌,能節省工時與一半以上的用水。或是針對當地特色作物「大和當歸」做 DNA 鑑定,採取「多重壓差萃取技術」,分析其含有豐富植物多酚、黃酮素等高抗氧化物,再加工開發「大和當歸薰香」、「大和當歸複方多醣體養生飲品」、「護手護足精萃」等產品,做到全株利用零廢棄。

「我們用經濟部技術處的品牌來跟通路洽談,跟農委會與交通部一起合作,打造伴手禮跟智慧旅運。例如一個小農要載貨到鄉公所,但沒有車,就可以用在地專用的叫車服務來集客、隨選駕駛。」邱求慧表示,技術處整合這些科技,帶來觀光客、讓物暢其流,也為地方創生打下基礎。本身熱愛登山跟歷史的他更興奮地表示,離仁愛鄉公所不遠,就是當年莫那魯道逃亡的路線,富有傳奇色彩與歷史意義,很期待當地能逐步整合這些特色。

接地氣還要接未來

介紹專案,邱求慧興致勃勃,談臺灣科技的下一步,他則戰戰兢兢。

他表示,技術處「永遠都有選題的問題」。淨零碳排、美中貿易戰、後疫情時代都是重要趨勢,但與其見風轉舵,他更在乎法人的創新力。

「法人的角色,在台積電成立後,偏向幫現有廠商解決技轉問題。做前瞻技術,成為新創的,比例不到 1%。」他稱這些都是「累加性的改良」,而不是「顛覆性的技術」,是在既有的神山上堆石頭,而不是另一場恢宏的造山運動。

他坦言「新的技術進到既有公司,有董事會、營收壓力,反而會壓抑突破性的創新。」新創公司的時間感則不同,比養在內部的團隊更有機會點燃創新。即使這兩年台灣半導體備受全球關注,他亦不諱言這是臺灣吃了 40 年的老本。韓國有 Naver、Kakao,中國、美國更不用講,臺灣呢?

「我們過去太成功了,在金融風暴時也太成功了,卡在成功的路徑上,覺得這樣很好。但我覺得台灣若再吃老本,也吃不了十年。」因此邱求慧鼓勵技術處與法人從選題開始,就要設想 10 年後,跨大步創新。他的目標是提高法人研發技術衍伸新創公司的比例,從1%提高到 20%。他說,生技公司莫德納(Moderna)的 mRNA 技術,10 年前也被看成笑話,臺灣要有投資 10 年後甚至更長遠的想法,不然只會原地打轉。

他坦言,法人被 KPI 導向思維綁住,待在舒適圈太久。「有哪個專案 KPI 會達不成?久了法人都把 KPI 設定得容易達成,但有產生真正的大效益嗎?」

為了替法人注入衝刺、挑戰的文化,得先移除對失敗的恐懼。邱求慧表示之前法人計畫若沒達成會扣款,但他認為失敗是正常的,失敗不該直接連結懲罰,反要鼓勵失敗繼續衝。因此他甘冒風險,推出一個關鍵改革:法人的研發成果收入上繳,從原本只收現金,改成現金或股票皆可。

他表示法人機構長年下來,已能精算上繳金額跟成長率,但「每年都成長 0.5%」。「我覺得『幹嘛呢?』每年都成長 0.5 %,10 年後也只不過是打平,這樣台灣怎麼會進步?」

雖然股票可能會成為壁紙,但也可能上市,如台積電那樣,成為臺灣下一個 30 年的護國神山。開放法人上繳股票,就是鼓勵法人把技術變新創。「我們就讓他一年成長 10%、20%、30%!當然,也可能後年降 5% ,但平均年成長率可以是 5%-10%。」

他說有人可能罵:為什麼你當處長,法人上繳的金額下降?「但我讓你罵嘛!大家要看長。你會發現,法人過了下一個 10 年,成長率是高的,而不是停滯的。」他滿懷信心,但也認真強調要讓法人去衝。當然,創新也要有風險概念,但「你的風險我幫你承擔,我的風險我想辦法承擔。頂不住我就不會戀棧。」

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

法人每年拿很多國內外獎項,有如 KPI 達成之外的加分題,但他認為若要真正彰顯得獎價值,要盡量「把獎項當工具,去為新創募資」,而不是把得獎當成最終目的。

技術處支持工研院研發的「智慧倉庫解決方案」,在 2021 年 4 月得到美國愛迪生獎人工智慧類別金獎,讓工研院連續五年獲得愛迪生獎。邱求慧說,有人質疑工研院怎麼做得過亞馬遜,關鍵在於臺灣地小人稠,才會發展出立體倉儲方案。他期待像這樣的軟體創新能夠更多,成為一股造山力量,畢竟臺灣不能只靠硬體神山。

為臺灣打造科技新神山,是邱求慧的任務,但臺灣的山巒以及此間的古老故事,卻是邱求慧的精神棲地。

「我雖然是工程人,但在生活上都看人文、歷史的書。」他自陳從小就對人文有興趣,雖然由於社會、家庭的期許走上工程之路(還走得非常好),但他始終覺得自己是個「被耽誤的歷史學家」。在工作之餘,人文歷史的探究、山巒林間的縱走,幫他紓解了壓力,讓大腦切換再啟動。

「投入另一個領域,幫自己找到方向,可以 refresh 自己。最重要的是本身有興趣。」他時常在個人臉書上發表自己對古代文獻的研究心得,樂此不疲。

為了寫一篇文章,他要收集百篇文獻,釐清脈絡、時間。去年(2021)10 月,他登新竹五指山,還解開一宗清朝兇殺命案。為了寫這篇,他分析了林爽文事件前幾年,臺灣民眾對政府的不信任,為的是看出歷史事件代表的意義。

「有時候不是科學難懂,而是人們不相信政府。那要做什麼大家才會相信?」做為經濟部技術處處長,愛講故事的邱求慧一方面從歷史學教訓,也要培育科技與創新,讓台灣有值得傳誦到未來的新故事。

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鄭國威 Portnoy_96
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是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。