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後太空梭時代的開始

科學月刊_96
・2012/07/26 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

太空梭的退役揭開了太空探險春秋戰國篇,年輕的航太科技新秀如雨後春筍般的崛起,其革命性的創新將帶領人類進出太空更自如。

陳彥升

人類在20世紀歷經了航太科技突飛猛進的洗禮,如今進入太空從事各類科學實驗,或是進行商業探勘及通訊服務,似乎已是稀鬆平常的例行事務,然而在2011年7月美國太空梭最後一次昇空畫下句點之際,一個自1960年代以來一直挑戰著火箭科學家的老問題,正將由新一代的太空科技公司來提出解答,就如SpaceX(太空探索科技公司)的天龍號太空船(Dragon Capsule),在5月25日完成與國際太空站銜接後,安全返回地面,此創舉寫下了另一歷史新頁。

新一代發射載具

這裡所說的老問題是:「火箭發射載具為何不能既簡化又有效率?」其中的效率又有兩個面向,也就是經營成本方面,以及運載效率方面,當然這兩者通常也是相輔相成的。而簡化的訴求,主要是要使火箭系統的可靠度提昇,因而降低經營的成本。簡單的說就是,新一代的運載火箭,必須要更便宜、可靠又有效率,這也是美國結束太空梭橫跨30年飛行的主因之一。而尋求這個問題的重大突破,需要經過深思熟慮的重大政策決定,正如1960年代的甘迺迪總統支持太空計畫,歐巴馬總統在就職之初,即作出改變NASA及美國太空工業的決定,他們將扶植民間公司負責經營地球軌道火箭運載的任務,而讓NASA能集中精神,發展火星及外太空探索的前瞻任務。

圖一:太空梭與新一代發射載具的比較。依重量(左至右)與長度排列。其中NASA用以取代太空梭的發射載具為SLS(太空發射系統),設計與農神五號(Saturn V) 相近,可以將太空人運送到更遠的地方,並且做為人類太空探測的基石。而其他民營 太空公司(ATK 、SpaceX 、ULA 、Orbital)也陸續研發他們的發射載具。

 

圖二:2012年5月22日SpaceX研發的天龍號太空船,從佛羅里達州空軍基地發射,由「獵鷹9號」(Falcon 9)火箭搭載 升空。經3天的飛行,於25日與國際太空站成功對接,完成太空史上第一次民間太空船對國際太空站的補給任務。本次任務證明即便太空梭退役後,民營業者依然能夠啟動往返太空站的能力。

其實自1995年以來,一些美國太空工業的新秀,即陸續積極作準備加入戰場,且在21世紀初開始展露好成績。首先,軌道科學公司(Orbital Science Corporation, OSC)利用美空軍現有洲際飛彈所改裝的發射載具,完成商業衛星的發射服務。接著,由航太設計黑馬奇才之稱的魯坦(Burt Rutan)的公司Scaled Composites(縮尺複合材料公司),所領銜設計的SpaceShipOne(太空船一號)太空飛機於2004年9月間,運用安全又簡化的「混合式火箭技術」,完成連續兩週內運送人員進入太空,並安全返回地面,贏得了1000萬美元獎金的AnsariX-Prize,而他們公司現在正與維珍銀河公司(VirginGalactic)合作,繼續發展SpaceShipTwo(太空船二號)及SpaceShipThree(太空船三號),並已有可觀的太空旅行機票的銷售,自此太空旅行業正式成形。這裡提到的混合式火箭技術,即是使用液體氧化劑,加上固體燃料,以作為火箭燃燒推進的能源。

平地一聲雷— SpaceX 的崛起

太空旅行業的發展對於先前所說的簡化與效率問題,提供了部分的答案及新穎的想像,而另一個在火箭發射營運上較重大的突破,則是在2002年SpaceX公司問世之後,才漸漸被發現與證實。目前,規劃以完全民間的資源,來提供載人或無人的發射載具服務,往返地球軌道及國際太空站的公司,主要有SpaceX、OSC、ATK以及Blue Origin(藍源)等四家公司,其中ATK與BlueOrigin的火箭載具還在發展中,而以SpaceX的想法與規劃最具競爭力。他們如何作到的,值得我們進一步探討。

圖三:由Scaled Composites公司所研發的SpaceShipOne, 於2004年9月間,運用安全又簡化的混合式火箭技術,完成連 續兩週內運送人員進入太空,並安全返回地面,贏得了1000萬 美元獎金的Ansari X-Prize 。

SpaceX在2002年成立後,即推出引人注目小巧的獵鷹一號(Falcon 1)發射載具,其總長21.34公尺,不及曾經運送太陽神太空人登月的農神五號(Saturn-V)火箭的五分之一,直徑1.67公尺,重3萬8555公斤。一般的運載火箭使用3或4節的設計,而此火箭僅用兩節,減少脫節分離的風險,因此大幅提昇了可靠度而降低成本。其使用的燃料是一種精製、且比一般加油站的汽油更經濟的煤油。通常大約只要10個工程師,就可進行這火箭的測試前點火檢驗。同樣的工作,一般的火箭則需百人才能完成。若觀看工程師們圍繞著如此小的火箭的忙碌情形,會令人反思其命名獵鷹實是言過其實,也許麻雀或山雀更適當些。

但是這不起眼的「次小型火箭」卻應允將可大量消減衛星發射入軌的費用,或則甚至使美國垂死的太空工業得以因此復甦(美國的航太公司曾經囊括了全世界約80%的發射服務,現在卻不到兩成)。這個在加州霍桑市的公司計畫提供以每次約650萬美元超低價的費用,舉昇670公斤的酬載入軌。其他航太公司能提供最低價的同樣服務可是需要約美金3000萬元。根據Falcon 1的發展成功,這公司目前已完成研製及開始出售下一階段的大型火箭Falcon9,且希望能以目前標準價錢的十分之一提供載人或無人的火箭發射服務。Falcon9總長69.2公尺,寬3.2公尺,重33萬3400公斤。SpaceX 的副總裁在2005年曾經說過:「我們很可能在十年內可達到登月的目標。」由此可以知道他們長遠的企圖心。

圖四:SpaceX研發的獵鷹號系列(Falcon)火箭,從Falcon1到Falcon9-S9,其中LEO為近地球軌道–有效載荷,而GTO為地球同步轉換軌道–有效載荷。

小公司,大目標

的確,以一間小公司來講,SpaceX的主管們是必須往大的目標去思考。馬斯克(Elon Musk)是這公司的董事長兼總裁。他是以他網路鉅子所得的財源來支撐這家火箭公司,而且一直是雄心勃勃。他在2005年時曾對媒體表示:「六十年前我們並沒有核子武器,能想像六十年後我們將會發明出什麼呢?」他且認為:「能在火星上建一個自給自足的第二個人類文明,是最重要的目標。因為,既然資料的備份儲存是必要的,備份儲存一個生物環境圈應該也是相同的重要。」由此可見他的眼光與NASA的相當。

圖五:蓄勢待發的獵鷹九號(Falcon 9),其長69.2公尺,寬3.2公尺,重33萬3400公斤。

馬斯克對這個位於洛杉磯南端工業大樓的1800人企業貫徹了他的大膽作風。他們極其認真地要挑戰波音和洛克西德瑪丁。他們很清楚,這些大公司雖然是民間企業,但是他們的作法卻是像到處官僚及冗員的政府計畫。SpaceX據此發動他們的攻勢,進行了一場革命。而這種看法與論點,也得到美國政府的重視與支持。然而,這到底還是困難的火箭科學。重力是一大負擔,大氣的阻力是顯著的,還有,就算簡單的火箭,還是有高爆炸性,這使得新成立的公司經常有火箭墜落燒燬的經驗。雖然2004年SpaceShipOne贏得X-Prize是一個創舉,但那只是一項次軌道的飛行,其所需能量僅是真正入軌飛行的2%而已。儘管SpaceX只是運送一個酬載入軌環繞地球——遠小於飛到火星上落腳的規模,且還端看許多不能掌握的因素,Falcon系列發射載具的成功將給這公司的老板莫大的鼓舞。

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》