0

0
0

文字

分享

0
0
0

停班停課遠距工作,這波疫情如何影響全球的科學研究?

瑋絜
・2020/03/25 ・2491字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著 COVID-19(俗名:武漢肺炎)疫情在全球各地升溫,許多大學、研究機構都採取停課措施,以避免校園成為病毒傳播的溫床。在疫情的陰影之下,校內學生和教職員除了上課受到影響,諸多進行中的科學研究計畫也被迫停擺,導致各領域的研究發展都受到重挫。

許多研究人員表示,他們過去不曾經歷過如此大規模的研究工作受到中斷,疫情造成的損失更是難以數計;《Science》的主編 Holden Thorp 也說,如果實驗所需物品的供應和研究進度持續停滯,「我們將失去很多科學知識。」

研究人員在家工作,生物醫學研究停擺

上週,哈佛大學文理學院向教職員工生發布通知,要求大家在 3 月 18 日前逐步減少研究活動,接下來的 6 到 8 週則暫停前往實驗室。愛荷華大學、塔夫茨大學等學校也祭出類似措施,以防堵肺炎疫情擴散。

基於防疫考量,許多實驗室的例行性討論都改在線上進行。圖/pxfuel

考量到公共衛生與研究人員的健康,大部分的實驗室也都遵守學校及研究單位的規定,讓實驗室人員在家閱讀文獻、分析資料,例行性的實驗室會議也改為線上討論。

然而,生物醫學研究並非在家中書房內或是沙發上就可以完成,缺乏特殊裝備、儀器及實驗動物,研究幾乎完全停擺。哈佛研究員 Richard Lee 就表示,他所在的實驗室正在進行一項為期 4 至 6 個月的老鼠實驗,關閉實驗室意味著他們過去幾個月付出的時間和心血將付諸東流;此外,該實驗室正在進行的老人免疫系統 DNA 研究也暫時中止,復工之時遙遙無期。

大腸桿菌當然也不是可以在家培養的東西。

密西根州立大學的 Richard Lenski 自 1988 年起,致力於觀察微生物生長、演化的情形,至今已培養超過 73,000 代的大腸桿菌。為抵擋這波來勢洶洶的肺炎疫情,Richard Lenski 決定將大腸桿菌冷凍保存,中斷 32 年來從未停歇的實驗。

然而並非所有科學研究都能在家中完成,仍是有些研究內容仰賴實驗室的設備。圖/piqsels

為了降低損失,約翰霍普金斯大學則將校內正在進行的臨床研究實驗依據急迫性和重要性分為三等級:

  • 第一等級:為「非做不可 ( essential ) 」,包含和 COVID-19 有關的試驗,以及停止試驗將對患者生命有即刻威脅性的臨床研究,此類研究可以如常進行,也可以繼續招募新的受試者。
  • 第二等級:包含多項癌症試驗,研究者可在減少人與人面對面接觸的情況下繼續工作。
  • 第三等級:多為長期追蹤的世代研究,研究者僅能透過 e-mail 或是電話方式與受試者聯繫。

實驗動物缺乏照顧只能自生自滅?

實驗室關閉的另一大隱憂,是實驗動物的照顧問題。哈佛大學演化生物學家 Hopi Hoekstra 的實驗室中,飼養了許多用於觀察動物行為的老鼠,而這些特殊樣本都是研究團隊辛苦從野外蒐集回來的。若疫情持續延燒,將導致動物照護人力短缺,最壞的情況下,研究團隊可能需要撲殺實驗室內一半的動物。

由於照護人力短缺,實驗動物恐怕在疫情中受到影響。圖/needpix

不過,約翰霍普金斯大學及耶魯大學的動物資源中心主管受訪時表示,事情並沒有大家想像的那麼悲觀。他們讓動物照護人員採輪班制,減少彼此間的接觸,以降低整個團隊工作停擺的機會,且研究機構內有多個動物照護團隊,若不幸有工作人員染病或需隔離,可以由其他團隊人員替補,因此不用擔心實驗室內的動物無法得到必要的照顧。

約翰霍普金斯大學研究動物資源中心副主任 Eric Hutchinson 認為,即使疫情真的到了無法控制的地步,大部分的實驗動物都可以在僅供給食物和水、不清洗籠子的情況下,安穩存活 14 天。耶魯大學動物資源中心副主任 Peter Smith 則說,若真的不幸有一半的動物照護人員停工,他們仍可以進行基本的動物保健。

上至天文下至地理,各領域學者皆成受災戶

當然,除了生物醫學領域的科學研究之外,其他領域的科學研究也因為實驗室停工、全球各地的入境管制、經濟衝擊等改變而受到或大或小的影響。

受到疫情的影響,各領域的研究計畫被迫暫停。圖/pxhere

密西根大學物理學者 David Gerdes 見全球疫情嚴峻,因而取消了 4 月前往智利天文台觀測的計畫。不巧的是,NASA 的新視野號 ( New Horizons ) 目前正以每小時 3.6 萬英里的速度經過古柏帶 ( Kuiper belt ) 的中心,因此正是近距離觀察古柏帶物體的絕佳時機,若放棄了這次的觀測,未來 10 年內可能再也盼不到這麼好的機會。

而流行病學家 CamilaGonzález-Beiras 原本在巴布亞紐幾內亞內進行熱帶肉芽腫 ( yaws ) 抗生素研究,然而,武漢肺炎疫情在全球擴散之後,當地的衛生官員被調派至機場執行檢疫工作,資助此研究計畫的世界衛生組織及當地衛生單位也將經費挪至防疫用,以西班牙籍工作人員為主的工作團隊更因班機取消而無法前往巴布亞紐幾內亞。因此,此項攸關當地人民健康的研究被迫暫時停止。

就連美國國家航空暨太空總署 ( NASA ) 的 2024 年登月計畫也難逃武漢肺炎的攪局,位於紐澳良市的火箭裝配廠由於當地疫情升溫而關閉,原定 3 月 20 日進行的太空發射系統 ( Space Launch System ) 及獵戶座太空船 ( Orion ) 測試工作皆取消。這表示已經延宕多年的登月時程將再度推遲,NASA 重返月球的日子仍不明朗。

多數研究者只得 work from home,直到疫情獲得平息。圖/pixabay

雖然心血結晶可能在這波疫情之中成為泡影,但大部分的研究者為了將資源留給公共衛生,並照顧自己與研究夥伴的健康,多選擇乖乖待在家中,進行實驗數據的推算與分析,或是編寫未來的研究計畫。同時,他們也在心裡祈禱著疫情獲得平息,早日重返他們熱愛的科學研究與熟悉的實驗室。

參考資料

文章難易度
瑋絜
5 篇文章 ・ 0 位粉絲
高中時為了要學自然科學還是社會科學煩惱了很久,最終選了一個介於兩者之間的科系就讀。敬畏文字,期待有一天能用其力量把世界變得更溫柔、善良一點。

2

4
1

文字

分享

2
4
1

「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

所有討論 2
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策