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我們的征途是星辰大海:回顧隼鳥二號的億里長征

EASY天文地科小站_96
・2021/01/22 ・4050字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

  • 文/林彥興(EASY 天文地科團隊總編輯,現就讀清大理學院學士班)、黃子權(EASY 天文地科團隊成員,現就讀台大地質系)

日本的小行星探測船「隼鳥二號 Hayabusa 2」於 2014 年搭乘 H-IIA 火箭升空後,經過四年的飛行與重力助推,在 2018 年抵達目的地「龍宮」小行星採集樣本。最終在 2020 年底帶著珍貴的樣本重返地球,完成它長達六年,橫跨數十億公里的星際旅程。

隼鳥二號想像圖。圖/Wikipedia

前輩「隼鳥號」的旅途

在細談隼鳥二號之前,讓我們先來簡單複習一下它的前輩「隼鳥號」的故事。隼鳥號是日本「宇宙航空研究開發機構 JAXA」旗下的無人小行星探測船,於 2003 年發射升空,目標是前往近地小行星「糸川 (25143 Itokawa)」採集樣本並返回地球。

然而,隼鳥號的旅途並不順利,路程中各種差錯與搶救有如電影般曲折離奇……噢不,是真的精采到有被改編成電影,片名就叫做《隼鳥號(はやぶさ/HAYABUSA)》。這些故事也可以在往期的 Pansci 文章中找到。

但無論過程如何,最後隼鳥號仍然排除萬難、成功在 2010 年返回地球。而隼鳥號的勵志故事,對日本各界產生了相當重大的影響,使原本默默無名的隼鳥二號計畫獲得了廣大的支持[註1, 1]。最終,隼鳥二號於 2014 年由 H-IIA 火箭發射升空,展開它前往小行星「龍宮(162173 Ryugu)」的旅程。

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隼鳥二號的設計與隼鳥號大同小異。其中最明顯的就是隼鳥二號將隼鳥一號上的碟型通訊天線,換成兩片盤狀的天線。此外,太陽能板、離子引擎與反應輪的設計也經過更新。
圖/DLR German Aerospace Center/JPL

飛向宇宙浩瀚無垠:隼鳥二號的精彩旅途

隼鳥二號任務的簡單回顧。影/DLR Youtube

相較於它命途多舛的前輩,隼鳥二號的旅程幾乎是一帆風順。發射升空四年後,隼鳥二號成功在 2018 年夏天抵達龍宮小行星,展開探測任務。龍宮小行星(162173 Ryugu)是一顆運行軌道與地球十分接近的阿波羅型近地小行星。也就是說,這顆小行星不只離地球近,而且軌道還與地球相交,有可能在遙遠的未來與地球相撞。這樣的危險鄰居,當然值得我們好好了解。

隼鳥二號首先從距離龍宮 20 公里處用它的相機與光達觀察小行星的表面,了解龍宮的大致性質與地形,為接下來的任務打下基礎。經過大半個月的觀察後,隼鳥二號進一步往龍宮靠近,直到距離僅剩 60 公尺處,像運輸機空投傘兵一樣釋放它第一項法寶:四輛「探測車 (Rover)」,分別是日本研發的「Rover 1A (HIBOU)」、「Rover 1B (OWL)」、「MINERVA-II-2」,以及德國航太中心開發的「MASCOT」。

很可惜,MINERVA-II-2 在隼鳥二號前往龍宮的半路就已經故障,因此沒有一起被投放。不過,其他三輛探測車都在投放之後順利降落在小行星表面,進行拍攝照片、分析表面物質組成等工作,讓科學家能夠近距離的觀察小行星的地表組成。

它們名為雖然被稱作是「探測車」,卻不像大家印象中的火星探測車一樣有一排輪子。相反的,HIBOU 和 OWL看起來就像兩個扁扁的圓柱體,MASCOT 更是一個徹底的方盒子。這樣要怎麼在小行星上移動?沒有辦法移動,又怎麼能叫做「探測車」呢?

原來,龍宮表面的重力非常微弱,如果像火星探測車一樣採用輪子的設計,當輪子轉動時,由於缺乏足夠的重力將探測車牢牢抓在地上,整輛探測車很容易因為反作用力而漂浮起來,無法好好的移動。因此科學家們在設計這幾個探測車時,選擇不採用輪子,而是以類似「跳躍」的方式讓它們在衛星的表面移動。這些小探測車為我們帶來數以百計的近距離小行星影像,以及地表溫度、磁場強度等珍貴數據。

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開炮!暴力的樣本採集!

釋放了小探測車之後,重頭戲才正要開始。

小行星就像是活化石一般,保留著太陽系形成初期的狀態。因此科學家多年來前仆後繼地派出先進的探測船(比如隼鳥號、OSIRIS-REx 等等),希望帶回小行星的樣本仔細分析,了解太陽系的形成與演化。尤其位於小行星內部,不受太空惡劣環境所影響的樣本更是珍貴。而這,正是隼鳥二號最重要的任務。

隼鳥二號首先在 2019 年 2 月 22 日 第一次下降到小行星表面,像前輩隼鳥號一樣,用它的樣本採集器採集龍宮的表面樣本。但是,該怎麼讓探測器拿到小行星內部的樣本呢?

科學家想出了一個簡單暴力的方法:要不我們朝小行星開一砲,把內部物質炸出來再去採集呢?

恩,他們確實這樣做了。

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2019 年 4 月 5 日,隼鳥二號利用其搭載的「Small Carry-on Impactor (SCI)」向龍宮發射了一枚 2.5 公斤的銅製砲彈,在小行星的表面砸出了一個直徑十公尺的隕石坑。經過三個月分析後,選擇了最適合的降落地點,在 7 月 11日下降進行採集,珍貴的小行星內部樣本就這樣到手啦!

隼鳥二號投放 SCI (左圖圓柱狀物體) 以及用於拍攝的攝影機 (右圖圓柱狀物體) 之後,即飛到龍宮的另一側避難。當 SCI 發射結束,準鳥二號才會從安全區探出頭來,回去看看這一炮究竟對小行星造成了怎樣的影響。圖/JAXA
投放-躲避-撞擊-採集的示意動畫。GIF/DLR – German Aerospace Center

最後,在 2019 年 11月,隼鳥二號結束了它的科學觀測任務,帶著它採集的樣本,踏上了返回地球的旅途。經過一年的飛行,隼鳥二號於 2020 年 12 月 5 日,在距離地球 22 萬公里處將裝著珍貴樣本的返回艙往地球釋放,降落在澳大利亞。橫跨數億公里的樣本返回任務,圓滿成功。

成功降落在澳大利亞的樣本返回艙。圖/JAXA

拿了石頭回來要幹嘛?
小行星樣本的科學意義

不過,科學家千辛萬苦的花上好幾年的時光和數千萬美金的預算,從太空帶回這麼多俗投,到底有甚麼用呢?

幾個世紀以來,人類對這些遙遠小行星的研究都仰賴遙測:

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利用接收分析天體的電磁波了解天體的各式資訊。但遙測能取得的資訊有限,尤其在研究太陽系演化時,物體形成的時間是一個非常重要的資訊。現行的定年法中,幾乎沒有只透過遙測便能進行絕對定年的手段。想知道岩石的精確年齡,唯一的方法,是將樣本送進實驗室,利用各種儀器進行分析。此外,在能夠精確控制環境的實驗室中分析樣本,往往能得到比遙測更好的精確度。

為什麼要從太空帶石頭回來?圖/Dcard 梗圖

最具代表性的例子,當數 1970 年代的阿波羅系列登月任務。在阿波羅計畫六次成功的登月任務中,太空人除了留下腳印、插上國旗之外,還帶回了一共 381 公斤的月球樣本。利用這些樣本,科學家得以精確的定出月球表面的年代。有了月球表面的精確年代後,物理與地質學家喬治·韋瑟里爾在 1975 年以此為基礎,藉由比較月球與水星的隕石坑大小以及隕石坑密度分佈,推測出在太陽系形成一段時間之後,發生過一段隕石撞擊特別密集的時段,稱為「後期重轟炸期 Late Heavy Bombardment」,對太陽系的形成與演化理論是一大突破。

除了月球之外,1999 年發射的「星塵號探測器 Stardust」採集了 81P/Wild 彗星彗尾的塵埃樣本,讓我們知道這顆彗星中含有大量不同種類的有機物。兩年後,「起源號探測器 Genesis」則採集了太陽風粒子,可惜最後在重返大氣時故障,以失敗收場。

最近幾年,除了本次介紹的隼鳥二號(2014 年發射)以外,還有 OSIRIS-REx(2016 年發射)、嫦娥五號(2020 年發射-成功),以及毅力號(2020 年發射)等瞄準小行星、月球與火星的樣本採集任務。即使上太空如此昂貴,世界各國卻仍前仆後繼的送出探測器,可見樣本採集有多麼重要的科學價值啊!

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故事尚未落幕:隼鳥二號的未來

從 2014 年升空開始,隼鳥二號走過了數十億公里的星際旅程,經過看小行星、炸小行星、挖小行星的一系列過程,最終將珍貴的樣本平安送回地球。

於是,隼鳥二號的任務也就此畫下了完美的句點……嗎?

不不不,下一段精彩的故事才正要開始呢!

完成了龍宮小行星採樣任務之後的隼鳥二號,將會繼續它的星際之旅。預計在 2026 年飛掠它的下一個觀測目標「小行星 2001 CC21」,並最終在 2031 年抵達最終目標「小行星 1998 KY26」。沿路上,隼鳥二號還會藉由觀測黃道光,來了解太陽系中的塵埃分佈,並利用凌日法觀測系外行星。究竟展開事業第二春的隼鳥二號會再為我們帶來哪些驚人的科學發現呢?就讓我們繼續看下去吧!

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銘謝

感謝國家太空中心歐予恩協助校稿。

註解

  1. Preparing for HAYABUSA’s Successor

參考資料與延伸閱讀

  1. 台北星空 隼鳥二號的龍宮任務
  2. What Happens When You Shoot An Asteroid With An ‘Anti-Tank Weapon’
  3. The Power of Sample Return Missions – Stardust and Hayabusa

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EASY天文地科小站_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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小行星「龍宮」如何撞碎又重生,與隼鳥2號相遇?
果殼網_96
・2019/05/16 ・4165字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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小行星,是我們追溯太陽系歷史的「時光膠囊」。它們大多是太陽系行星形成時期的留下的碎片,很可能還保留著原始太陽系的成分和資訊。

但是,小行星的個頭太小了,自身又不發光,肉眼幾乎不可能看見(除了灶神星),即使在天文望遠鏡裡,也頂多不過是一個小亮點。想要瞭解小行星的秘密,人們就需要派出使者——探測器,去一探究竟了。

來自日本 JAXA 的隼鳥 2 號探測器,就擔負了這樣一個艱鉅的任務:探訪碳質小行星(C型小行星)——「龍宮」。

C 型小行星是小行星中數目最多,也最為原始的一類。它們被認為是落入地球上的碳質球粒隕石的母體,其中一些可能富含水和有機物。探測這樣的小行星,不但可以幫助我們瞭解太陽系早期的歷史和演化,沒准也能我們尋找地球生命起源提供線索。

2018 年 6 月,隼鳥 2 號抵達龍宮。經過了幾個月的探測之後,隼鳥 2 號團隊迎來了第一個收穫的季節——就在昨天(2019-03-20),《科學》雜誌一口氣刊登了三篇論文,介紹隼鳥 2 號團隊對小行星龍宮的初步探測成果[1-3]。

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從一個小亮點,到一整個世界

隼鳥 2 號在距離龍宮 133 萬公里處,首次拍到了它的身影——此時的龍宮還依然只是一個小亮點[4]。然而,隨著隼鳥 2 號一點一點飛近龍宮,隼鳥 2 號攜帶的「十八般兵器」漸漸為我們揭開龍宮的面紗。

隼鳥 2 號 2018 年 2 月 26 日首次拍到的小行星龍宮。來源:JAXA[4]
 

首先是出場的是相機。隼鳥 2 號攜帶了 3 個相機:1 個遠望相機 ONC-T 和兩個寬角相機 ONC-W1 和 ONC-W2,最高可以拍攝毫米級解析度的龍宮表面照片。

隼鳥2號的三個導航相機。來源:JAXA[5]
ONC相機告訴我們,這個直徑約 900 米的小傢伙形狀略扁(赤道半徑 502 米,兩極半徑只有 438 米),長得像個粽子陀螺,赤道有一圈明顯的隆起,這個環繞赤道一圈的隆起後來被命名為「龍王山脊」。龍宮的自轉週期約 7.6 小時,轉軸傾角 171.64°,幾乎就是逆行自轉(轉軸傾角 180°)。

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龍宮的東半球和西半球。來源:JAXA

又一個疏鬆的「亂石堆」

通過測量品質和體積,可以計算出龍宮的密度只有 1.19 克/立方釐米(實在是有點低),這並不是因為組成龍宮的石塊本身密度太低,而是因為這些石塊都是「松松」地靠在一起的,彼此之間有很大空隙。

當年,隼鳥 2 號的前輩隼鳥號探測的小行星「系川」就是這樣一顆典型的「亂石堆」(rubble pile)。這種由眾多大大小小的石塊通過自身引力聚集在一起形成的小行星,彼此之間的「粘合力」很弱,質地鬆散,孔隙率自然也很高。

龍宮上的坍塌和物質流動痕跡。(左)浦島坑中的坍塌,(右)黃色箭頭指示重力位從高到低的方向,與龍宮目前的物質流動方向一致。來源:參考文獻[3]
而如果我們假設組成龍宮的顆粒物質密度和碳質球粒隕石差不多的話(其中目前已知密度最低的是 Orgueil CI 隕石,密度 2.42±0.06 克/立方釐米[6]),那麼整個龍宮的平均孔隙率將大於 50%,比小行星系川孔隙率(44%)還要高。也就是說,龍宮也是一顆亂石堆型小行星。

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亂石堆型小行星系川和龍宮。來源:JAXA

另一個支持這個觀點的證據是:龍宮表面有許多大石塊。雖然撞擊作用也會產生石塊,但龍宮上的這些石塊不可能是撞擊濺射物,因為長於 20 米的石塊實在太多了(最大的一塊長度約 160 米),龍宮上最大的撞擊坑(直徑約 290 米的浦島坑)也不可能產生這麼大的石塊。

因此,龍宮很可能是一顆直徑約 100 公里的母天體被完全撞碎之後,碎片重新聚集形成的,而龍宮上的這些大石塊也不是龍宮形成之後才產生的,更可能是組成龍宮的原始碎片。

「陀螺」是怎麼形成的?

其實,陀螺狀的近地小行星倒也談不上罕見,天文學家們已經通過地基雷達發現過一些。畢竟,自轉引起的離心作用可以讓赤道區域產生一定的隆起,這也不奇怪(咱們的地球不也是「兩極稍扁,赤道略鼓」麼)。

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自轉週期短達 3.9 個小時的妊神星,就因為巨大的離心作用被整個「拉」扁了…快速旋轉的妊神星的假想圖,看得我都暈……來源:Wikimedia Commons

但是,相比於目前已知的其他陀螺狀的小行星,龍宮的自轉速度似乎太低了(7.63 小時),按理說,這樣的自轉速度似乎並不足以引起這麼明顯的赤道隆起。

JAXA 隼鳥 2 號探訪的龍宮,NASA冥王號探訪的貝努,以及歐空局曾經的小行星採樣返回計畫 MarcoPolo-R 想要造訪的小行星 2008 EV5 的大小、形狀和自轉週期,相比之下龍宮實在是轉得太慢了。圖片來源:JAXA、NASA

那麼,一個很自然的猜測就是:龍宮過去一定轉得很快,是後來減速到現在的自轉狀態的。

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為了證實這一點,隼鳥2號團隊分析了不同自轉速率下龍宮表面坡度(表面法線和重力等位面的夾角)的分佈。來源:參考文獻[1]
結果反映出,當龍宮的自轉速率是現在的兩倍多的時候,龍宮上會發生大規模「坍塌」,大量物質「流」向赤道區域,形成現在環繞赤道一圈的龍王山脊。然後,隨著自轉的減慢,如今的龍宮赤道上的物質也正重新「流」向中高緯區域。

有點「乾旱」的「龍宮」

「龍宮」這個名字來源於日本民間故事《浦島太郎》(うらしまたろう),故事裡的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮,在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待,回到人間的時候帶回了一個寶盒——寓意採樣返回的隼鳥 2 號也能從小行星帶回珍貴的信息。這個名字的另一個意義在於,C型(碳質)小行星中有幾個亞類可能含富含水,這也非常符合「海底龍宮」的意味。

ポプラ出版社(2018/3/6)童書《浦島太郎》的封面

那龍宮到底是不是這樣呢?隼鳥 2 號的另一件寶貝——近紅外光譜儀(NIRS3)告訴我們好像並不是。

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近紅外光譜儀的內部結構。來源:JAXA[5]
如果某個區域含有某種物質成分,那麼這個區域的反射光被光譜儀「分解」之後,就可能顯示出這種成分對應的 V型的特徵吸收。也就是說,光譜儀可以識別許多物質的「指紋」。

龍宮攜帶的近紅外光譜儀 NIRS3 覆蓋了 1.8-3.2 微米的波段範圍,在這個範圍裡,三種不同形式的水:羥基(OH)、液態水和水冰會體現出不同的吸收特徵——如果龍宮含水,就應該會被檢測到。

(左)羥基(OH)、水和水冰在3μm(3000 nm)附近有不同波段有不同的吸收特徵示例。來源:參考文獻[7](右)龍宮的近紅外波段光譜特徵。來源:參考文獻[2]
 

NIRS3 的結果顯示,龍宮只在 2.72 微米處探測到了很窄的 V型吸收,而且遍佈全球——這是羥基(OH)的吸收特徵。也就是說,含羥基的礦物(水合礦物)在龍宮表面普遍存在[2]。然而,龍宮上羥基的特徵吸收很微弱,說明整個龍宮表面的羥基都不多——龍宮上雖然有水(羥基可以認為是結構水,但不同于液態水和水冰),但也沒有多少水。

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為什麼會有這麼少的水呢?可能的原因有很多。

  • 一種可能性是,龍宮本身作為一顆重組的亂石堆,很可能經歷過一些熱變質或者衝擊變質過程,類似於經歷過這些的碳質球粒隕石,那麼自然地,龍宮在這個過程中被加熱脫水了。
  • 另一種可能是,龍宮曾經的軌道近日點比現在離太陽更近,會受到更強的來自太陽的熱輻射,也會因為更強的太陽風作用而導致羥基的分崩離析。

總之,就是龍宮可能曾經有過很多水,然後水沒了。

另一種可能是,龍宮可能原本就沒有很多水:龍宮的母體小行星上就(因為種種原因)沒有很多水,所以龍宮先天缺水。隼鳥 2 號專案組更傾向於這種情況。

鄉關何處?

至於龍宮原本來自哪裡?它的母體小行星是什麼樣的?我們依然可以通過光譜特徵這把「指紋鑰匙」來推測,或者簡單來說,尋找什麼樣的小天體和龍宮更像。

以目前龍宮的光譜形態來看,和龍宮光譜特徵最相似的小行星是兩顆主帶小行星:波蘭星(Polana)和歐拉莉婭(Eulalia),從軌道特徵來看,龍宮也很可能是這兩顆小行星之一的碎片。

龍宮和波蘭星(Polana)、歐拉莉婭(Eulalia)的反射光譜。來源:參考文獻[3]
事實上,這兩顆小行星並不是「單打獨鬥」的,它們各自有一個龐大的家族——也就是說一系列軌道特徵相似,可能來自同一顆小行星母體的族群——波蘭星族(Polana family)和歐拉莉婭星族(Eulalia family)(歐拉莉婭星族本身也是波蘭星族的一個分支)。

也就是說,龍宮可能並不直接來源於這兩顆小行星之一的碎片,而可能是它們的二代、三代甚至 n 代碎片。

龍宮的坎坷一生

在隼鳥 2 號抽絲剝繭地偵查之下,龍宮歷經坎坷的一生逐漸浮出水面。

龍宮的母體小行星或許原本是有水的,但後來因為自身內部的放射性物質衰減加熱,或者因為隕石撞擊加熱,讓很大一部分水散失了。也或許是因為母體小行星的水蝕過程才剛剛開始,還沒有形成很多水。

總之,這顆略有點「乾旱」的母體小行星被另一顆飛來的撞擊體完全撞碎,這是太陽系中稀鬆平常的「慘劇」之一。

在這毀滅之中,也孕育著新生──那些撞擊產生的碎片,又聚集成了一個個新的小行星族群。因為碎片在這個撞擊和重組過程中,除了因為撞擊產生的有限的熱變質之外,並沒有發生很大的化學變化,所以它們幾乎還保留著來自母代小行星的「指紋」。

龍宮或許就是這樣的一顆小行星。又或許,那些子代小行星族群中的一顆,又再次被一顆飛來的撞擊體完全擊碎,這些碎片再次重組,成為了龍宮。

龍宮可能的形成過程。來源:參考文獻[3]
我們並不知道龍宮的一生,經歷了多少次俄羅斯套娃式的毀滅和重生。龍宮的這段歷史,也是建立在無數「可能」之上的推測——隨著隼鳥 2 號的進一步探索,我們一定會得到一段更加清晰的歷史,或許和現在的猜測非常不同。

但龍宮這樣的小行星,一定經歷過毀滅和新生交織的「坎坷人生」,或許也註定在某一次撞擊中被完全毀滅。

只是剛剛好在這樣一個時刻,龍宮也在,我們也在,然後我們看到了龍宮。

參考文獻:

  1. S. Watanabe, et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu—a spinning-top-shaped rubble pile. Science (2019).
  2. K. Kitazato et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy. Science (2019).
  3. S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science (2019).
  4. Hayabusa2 has detected Ryugu
  5. Hayabusa2 Science Data Archives
  6. P. Vernazza, et al. (2015). Interplanetary dust particles as samples of icy asteroids. The Astrophysical Journal, 806(2), 204.
  7. C. Pieters, et al. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

 

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