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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

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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Rock Sun
64 篇文章 ・ 952 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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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
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