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《星際救援》的時代背景,和那仍未實現的黑科技「太空電梯」

Rock Sun
・2019/09/20 ・3338字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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本文由双喜電影贊助,泛科學企劃執行

「這部片講的不是未來,而是未來的一種可能性。這個故事不一定是我們想像中會發生的未來,更不是什麼預知電影,而是講述人類若是繼續探索太空和殖民月球、火星、甚至其他星球會發生什麼情況。」——《星際救援》編劇格羅斯(Paul Michael Gross)

在未來的幾十年,人類會如何朝太空發展呢?這問題一定在很多科學家、工程師和太空迷的心頭上打轉。仔細一想,玩法還真不少呢!

你想要以商業為優先,開發太空運載、旅遊、採礦嗎?
還是想以「尋找智慧生命」這個遠大的使命為目標?
又或是想坐地球望月球、坐月球望火星,慢慢地拓展人類居住的版圖呢?

這些願望都有可能在未來的太空探索當中被實現呢!而在近期上映的電影《星際救援》中,便對未來幾十年內的太空探索做了另一種解釋:既科幻又夢幻,而且還不失真實喔~

懼高症注意!這個高聳入太空的建築到底是什麼?

在《星際救援》預告中最讓人印象深刻、最標誌、最能夠標誌這是什麼神奇時代的景物:不是月球基地、不是太空船,而是那個謎樣的高聳建築物。在這個商業太空之旅已經不是夢的時代,這到底是什麼黑科技呢?

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沒錯!這其實就是你我都不陌生的太空電梯。在《星際救援》中,我們可以很難得的看到這個很常被提及、但是實際執行仍有困難的黑科技,以特效的方式出現在大家眼前;而且它還是主角的工作場所呢!

其實太空電梯的發想,早在1895年就已經出現了。俄羅斯著名科學家康斯坦丁.齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)是第一位提出類似概念的人。其最原始的構想是在地球同步軌道上建造一個「城堡」,與地球上一座像巴黎鐵塔的建築彼此相連。

之後在1960年,另一位俄羅斯著名工程師尤里.阿特蘇塔諾夫(Yuri Artsutanov)有了更接近現代太空電梯的想法:認為太空電梯應該要從太空船開始由上(太空)往下(地表)修建,顛覆了許多人的想像。這個方向雖然後續還是有些許討論但還是沒有太多的關注與研究;一直到1975年美國空軍的研究機構將這個概念納入報告中後,才開始有了各種材料的發想與科幻想像。

而後在1978年,英國的小說家阿瑟.克拉克(Arthur C. Clarke,如果你覺得他有點陌生,只要知道他也是《2001太空漫遊》的作者就對了。)的科幻小說《天堂的噴泉 Fountains of Paradise》中,最接近現代的太空電梯的雛形才出現。故事的設定是,未來的工程師們在斯里蘭卡某處的高山上用奈米碳管打造了了延伸到3萬6千公里的高空的太空電梯,以此取代了太空船。

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等等,這個高度也太實際了吧!為什麼太空電梯標高要3萬6千公里呢?這可是太空電梯不會垮下來的重要關鍵喔!!

太空電梯為何一定要在3萬6千公里?

簡化的描述太空電梯,它就是一個從地表延伸到太空的長長纜繩、加上電梯和其他像是實驗室等的設備;但這可不是能隨隨便便蓋到某個高度想喊停就喊停的喔!

太空電梯整個設備的質心,一定要在地球靜止軌道上:也就是離地3萬5786公里的地方。

地球靜止軌道有個特點:在軌道上衛星的運行方向和地球自轉方向一致,繞行地球運行一周的時間也和地球自轉周期相同。因此從地球人的角度來看,這上面的東西都是靜止不動的;如果太空電梯的質心不在這個軌道上,就會受到地球自轉和重力的影響,可能會因此而倒塌或支解。

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目前科學家腦海中的計畫大概長得像這樣:以50公里高的高塔在地球上作為基底,最好位處在赤道地區:除了地球靜止軌道就在赤道正上方之外,如此高聳的建築更要避開強風,而在赤道地區的話就不會有熱帶性低氣壓的肆虐。然後要有一顆位於同步軌道的衛星,降下具有超級延展性和強韌度的纜繩,同時作為機房設備;並且要在整個電梯的另外一端(超過地球靜止軌道的相反端)加上平衡的力學原理的機制。

這樣看起來,太空電梯的結構就像鏈球那樣,只是繩子中間多了好幾個上下跑的磁浮盒子,並且在不同的高度停下來,提供不同的服務,例如運送人力物力來往地球和太空之間,維修、部屬衛星可能也會變得很方便。

不過商用太空飛行不都已經能實現了嗎?還需要蓋太空電梯嗎?與火箭相比,太空電梯的運輸成本較為低廉:NASA估算使用太空電梯把貨物從地球表面送到軌道上,每一公斤只需要花費1.5塊美金;這樣換算下來,運送一個帶著行李的旅客成本可能只需要不到100美金。相較之下,現在的獵鷹9號火箭要載1公斤還是需要大概1700美金的成本。

但既使概念和誘因都有了,也不代表太空電梯的實現就近了。想建造太空電梯,還有很多的難關要克服:第一個就是纜繩,這也是推動現在奈米技術、石磨稀等材料科學前進的動力之一,因為我們需要超高強度和延展性的材料;再來我們不只安裝纜繩,還要能夠像電梯一樣有效的操控它;除此之外地表上的高塔結構可能需要比現在任何建築都還要高,才能提供必要的防護和支援。最後,還有一個最最最重要的難關要克服:就是我們為什麼要建造並使用這個太空電梯的動機。畢竟誰都不想花好大一筆錢打造一個沒有人想用的設備,變成蚊子館對吧~

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《星際救援》所在的,是個超越月球和火星的時代

太空電梯要出現在大家面前,除了技術之外,需要滿足一個非常商業的條件:有大量需求、有明確使用目的,這些目的可能包括需要頻繁的更換衛星零件、運載貨物和人員往返太空和其他有人類居住的地方、直接在太空中開始太空旅行、監測更遙遠的宇宙⋯⋯之類的。簡單的說,它必須要跟我們現在使用電梯那樣地頻繁,打造太空電梯才能值回票價。

那麼有著太空電梯這樣高科技產物的《星際救援》,究竟身處在怎樣的時代呢?最簡單的猜測,它可能是在人類開始長居月球、火星之後。

如果NASA和其他各國際計畫沒有延宕的話,我們最快可以在2025年左右看到人類重返月球,在2035年左右看到人類踏上火星。在這之間可能又會有更多的中繼太空站產生,接下來10~20年內,人類開始習慣在宇宙中來去,太空居民開始出現,資源開始互通⋯⋯

假如說有一天,你發現需要更快速的方式從月球基地前往地球表面探望自己的家人,或是從地球前往地球軌道開一場重要的會議,這時候就是太空電梯登場的時候了。相信在這個時間點技術應該已經可以解決各種問題了,對吧?

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《星際救援》就是一個在這樣時空背景誕生的世界,比現階段殖民月球和火星更之後的世界。在這個時代,土生土長的火星人可能稀鬆平常;月球雖受制於太空法不被任何人擁有,但也是海盜橫行之地;前往遙遠的深空尋找生命也已經可能發生,但是人類又能撐過整趟旅程嗎?這些問題,都令人充滿遐想呢~

R編空想病吐槽發作:

預告片中卻有一個讓我很納悶的地方⋯⋯就是當主角從太空電梯上因爆炸摔下來這個過程。這也掉得太乾脆了吧!

如果大家好奇的話可以想想,當你從離地300多公里的國際太空站上「掉」下來,你需要大概2.5小時才能著地;而且你也不會是垂直向下掉,而是會伴隨著國際太空站本身的速度進入軌道,再一點一點的接近地球。

但是預告中我們看到主角非常直接像跳樓一樣摔下來了,所以他離地也沒有很遠是嗎?但又是怎麼看到那麼美麗的地球弧線呢?這我也很好奇啊~

參考資料:

  1. Audacious & Outrageous: Space Elevators
  2. The International Space Elevator Consortium (ISEC)
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文章難易度
Rock Sun
64 篇文章 ・ 964 位粉絲
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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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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