hTC上太空

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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文／黃正中｜國家太空中心研究員

福爾摩沙五號衛星在新竹科學園區的整合測試，已經接近尾聲，預定在今年五月運往美國加州，太平洋海岸邊的范登堡火箭發射場，進行發射前的健康檢查，然後搭乘由美國 Space X 公司所建造的獵鷹九號（Falcon 9）火箭升空。

福衛五號是我國自製的遙測衛星，搭載高解析度的彩色相機以外，以及中央大學研製的先進電離層探測儀（AIP）。國內已經有許多福衛五號的相關文章與報導，所以這一次我們把焦點放在即將與福衛五號搭乘同一班火箭升空的小夥伴們。

火箭也可以變成「公車」　衛星們在不同地方下站

此行升空的火箭搭載包括福衛五號在內，總計有88顆衛星一齊升空，可能創人類有史以來，最多衛星搭乘同一個火箭升空的紀錄。除此之外，還有許多創新技術，包括製造廠商 Space X 公司預計在火箭發射過程中，第一、二節火箭分離之後，回收第一節火箭；第一節火箭重新整理後可望再次使用，並降低商用火箭發射費用。

這一次獵鷹九號的整流罩裡面，有兩個主要的火箭酬載銜接環，樓上搭乘的是「福衛五號衛星」，樓下搭乘的是夏爾巴（SHERPA）銜接環。這是美國一間名為太空飛行公司（Spaceflight Inc.）發明衛星的衛星彈射設施，這種銜接環能提供大量奈米、微衛星安全的空間，以及抵達軌道以後將衛星彈射釋出到太空的「微衛星搭乘艙」。銜接環能提供火箭與衛星的電機控制介面，並且能監控衛星的健康狀態，回報控制中心，這種創新、低價格的發射服務，在市場上相當有競爭力。

SHERPA（夏爾巴）或稱為雪巴人，是一支散居在喜瑪拉雅山脈兩側的民族，堅忍耐勞，為挑戰喜瑪拉雅山的登山客提供登山嚮導、背負重物、紮營等服務。太空飛行公司在 2012 年以此命名運載衛星送上太空的酬載設施，它提供標準空間尺寸，給需要搭乘火箭到太空的衛星，或其他任務所使用。

5、4、3、2、1 發射！

伴隨著轟隆隆的聲音，福衛五號和其他衛星，以拋物線軌跡從美國西岸的范登堡升空，面對太平洋，朝著南半球飛行。火箭發射後 11.3 分鐘，距離發射場約 1100 海里，就抵達 723 公里高的太空任務軌道，這時福衛五號衛星與火箭分離，開始進行早期軌道操作。

• 編按：范登堡原誤植為東岸，經讀者提醒修改。2018/7/10

其餘搭乘同一火箭的 87 顆衛星，將隨著火箭上夏爾巴酬載設施持續飛行。大約在發射後 60 分鐘抵達地球另一邊，非洲蘇丹的上空，此時夏爾巴與火箭分離，逐漸釋出衛星，各自執行太空任務。預估將花 45 分鐘的時間，釋放出所酬載的剩下 87 顆微衛星和奈米衛星。

87 顆衛星們要去哪裡？要做什麼？

這次火箭發射引發的關注，不只是我們心心念念福衛五號衛星能否順利發射，其他搭乘的87顆微衛星、奈米衛星來自全球各地，也陪著我們緊張、焦慮和興奮。87 顆衛星中有 3 顆微衛星以及 84 顆奈米衛星，它們所要執行的任務也相當有趣，以下介紹其中幾個它們的「超級任務」：

1. 生醫衛星—大腸桿菌上太空

首先介紹「大腸桿菌抗菌衛星任務（E. coli AntiMicrobial Satellite (EcAMSat) mission）」，這是生醫奈米衛星的太空實驗，也是本次發射任務的亮點之一。本計畫是由美國太空總署與史丹佛大學醫學院共同合作，調查大腸桿菌在太空微重力下，會如何影響它對抗生素產生的抗藥性。

大腸桿菌是人類腸道中最著名的細菌，主要生存於大腸內，一般不會致病，而且還能合成對人體有益的維生素 B 和 K。然而無害的大腸桿菌，在少數的情況下也會導致疾病，例如離開腸道進入泌尿道會導致感染，或者某些特殊的菌株具有毒性會導致痢疾等等。

面對這些疾病，需要使用抗生素對抗在身體中作亂的大腸桿菌，但在使用抗生素一段時間後大腸桿菌可能會產生抗藥性，影響藥效。大腸桿菌在微重力下，是否會使它的抗藥性改變，而成為太空人健康的隱憂，特別在長時間執行任務下，太空人的免疫系統可能逐漸減弱，更需特別注意這些潛在的健康問題。EcAMSat 實驗的結果將有助於在未來規劃太空任務中提出有效的對策，保障這些長時間、持續執行太空飛行任務的太空人健康回地球。

2. 太空資源衛星—尋找太空船的加油站

成立於 2012 年的美國行星資源公司（Planetary Resources），是一個年輕又有野心的太空探險公司。他們提出一個相當有遠見、大膽的想法——「地球資源有限，太空資源無窮」。

在太陽系，天文學家已經發現了約 127 萬顆小行星，其中某些小行星是由氫氣和氧氣所組成，而這是火箭燃料的必要元素。以火星探險計畫為例，未來太空旅行時，這些小行星可以成為太空旅行中途的「加油站」，提供所需的燃料或能源。這家公司看到了商機，他們開始為太空船或衛星探勘，了解太空中哪些小行星有大量的燃料或能源，可以做為未來太空船中途加油的供應站，因而創造了這個價值數十億美元的行業。

另外，最近高科技的發展，使得傳統以及通訊產業，對於鉑金屬需求越來越大，從催化轉化器、珠寶首飾，到電子、醫療器材、玻璃和渦輪葉片等等都需要。鉑金屬的主要來源為南非和俄羅斯，但已越來越難開採。不過，未來太空中的小行星可能成為稀有金屬的來源，甚至，只要找到一個直徑為 500 公尺、富含鉑金屬的小行星，開採到的鉑金屬就可能超越人類歷史上所有已開採的數量。

瞄準太空中無限的商機，本次火箭發射，行星資源公司代號 Arkyd 6A 的奈米衛星將隨之升空。衛星搭載的酬載儀器是中波段的紅外成像系統（mid-wave infrared imaging system），可以用來偵測小行星的礦產以及水的含量，任務初期將先以瞄準地球特定區域探勘作為測試，這次任務若順利，未來才能實際運用在探勘小行星上。

3. 太陽帆衛星—太空船也能靠「風」航行

夜晚遙望蒼穹，激起人們挑戰太空，探索未知世界的雄心壯志，然而實際要探索太空需要攜帶大量的燃料，才能進行遠距離的太空旅行，所費不貲。科學家們為了解決這樣的困境，他們從風箏的飛行得到靈感，希望仿效「海上風帆」藉由風力這種外在動力，來達到在太空自由活動的想法。他們思考，若可以設計一個人造衛星，利用「太陽風」這種無窮盡的高速電粒子流來自由移動，降低對於燃料的依賴，是否可能成功呢？

這一次伴隨福衛五號升空的衛星中，有個名稱為「CNU 帆奈米衛星（CNUSail Cubesat）」的太空計畫。當火箭抵達太空以後，邊長約 13 公分的立方型奈米衛星，將在太空中展開約 300 公分長對角線的「太陽帆」，「太陽帆」是以超薄的薄膜材料所構成，利用控制衛星「太陽帆」與「太陽風」的夾角，進行變換衛星軌道高度的實驗。

傳統上，衛星所攜帶的燃料多寡，是衛星任務壽命的關鍵，假如「太陽帆」實驗成功，理論上除非衛星上的元件故障，衛星將可以長期運作不退休。

4. 雙星計畫—兩個衛星，一台望遠鏡

這次獵鷹九號火箭，搭載很特別的「雙星實驗」計畫，包含一大一小的兩顆名為 CANYVAL-X 奈米衛星，將發射到太空之中，研究靠近明亮的恆星系統旁邊的行星，或難以捉摸的日冕現象。

「雙星計畫」特別的點在於，這兩顆衛星——小的有反射光線的設施，大的帶有光學電子取向單元（Electric Unit）具有偵測的效果，當兩顆衛星進入太空以後，小顆的奈米衛星翻滾的過程，會使用偵測器找到並鎖定兩倍大體積的另一顆衛星，共同組成光學的虛擬望遠鏡。由於光學儀器無法直接觀察明亮的光源，因此這個計畫非常有創意的採用雙星位置的移動，達成「掩星」的條件，從而研究遠方行星的成分。另外也可以利用雙星相對運動，研究太陽的日冕大小。

5.鳳凰計畫—修復太空中壞掉的通訊衛星

即使再高價製作的人造衛星用久了、壞掉了，依然會變成太空垃圾，這時該怎麼辦呢？這一次，有一顆「喚醒微衛星（eXCITe microsatellite）」將伴隨福衛五號升空。這是「美國國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）」推出的計畫，目標是將太空中壞掉的通訊衛星改造修復。這個活化衛星的「鳳凰計畫」具有劃時代的意義。

這一次是鳳凰計劃的第一階段測試，主要的構想是使用太空機器手，組裝稱為「衛星模組（satlets）」的模組化零件。每個零件重約 6.8 公斤（15 磅），分別是主要的衛星次系統，例如電源，控制器和傳感器等等。一旦任務所需，能夠快速的反應，將所需要的次系統運送到太空軌道，快速提供零組件，用以佈署和維修損壞的衛星。

同一個火箭就有帶有這麼多不同任務的衛星，這代表太空還有許多新領域等著我們去探索！除了去了解和認識其他國家有什麼創意思考外，我們也可以想想台灣要如何在這場激烈的國際太空競賽中出奇致勝！