藻類生質燃料（一）：前景與瓶頸

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

碳捕捉：把電廠排出來的二氧化碳再抓回去！

一九九〇年代，尚未開發出風能和太陽能，當時對氣候變遷的擔憂日益增加，因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳，如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣（flue gas）中的二氧化碳分離出來，然後再將其壓縮液化，泵入地下洞穴，例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術，不過前提是碳價要夠高，超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而，即使在龐大的歐盟市場，碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力，而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

即使如此，捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法，在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣，這還能用於加熱和製造燃料電池，或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性：直接從空氣抓？多種一點樹？

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性，因為目前我們所面對的現實非常危險，即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法，但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐，用於種植大豆、棕櫚油和其他作物，以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10％ 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

此外，封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一，需要超過六年，甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟，每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10％ 排放量。

而在成長期過後，還需要更換樹木，因為在建築中也會使用到木材。有人建議，可以燃燒林業的廢棄物來產生能量（熱或電），並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議，必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放，而不是增加碳的排放量。此外，這種方法尚在開發中，可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

不過，可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳，這種方法比生質能源更緻密、更可靠， 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司（Origen Power）正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合，這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法，是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀，形成碳酸鈣，然後將其加熱，釋放出二氧化碳，進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估，以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值，可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合（比方說以再生電力來電解水，製造出氫氣），這可用來合成低碳燃料，取代汽油、柴油或航空燃料，這樣一來，其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳，電力成本會增加約 60％，而使用再生能源來發電，成本則低得多。

然而，隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資，再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳，以及重新造林，預估到二〇五〇年時，碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10％。

到二〇五〇年，再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90％，透過碳捕捉，全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力，電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數，因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課｜再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。