美國發射輻射帶風暴探測器

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

1932 年的夏天，美國愛荷華衛斯理安學院（Iowa Wesleyan College）的學生莫不趁著暑假呼朋引伴大肆玩樂，唯獨大一新生范艾倫（James Van Allen, 1914－2006）帶著借來的磁力儀，跑遍所住的亨利郡，繪製各處的地磁圖。沉醉其中的范艾倫當然料想不到有一天，他將發現包圍整個地球的「范艾倫輻射帶」。

發現范艾倫輻射帶是個意外，而這個意外又源自許多意外。例如他高中畢業後即報考海軍學院，筆試成績名列前茅，原本志在必得，卻意外因扁平足而被刷下來，所以才念大學。又例如他原本專攻低能核子物理，但取得博士學位後，卻意外爆發二次世界大戰，他因此加入海軍，轉而研究利用雷達技術的飛彈雷管。戰後，他領導小組，利用德國的 V2 火箭研究高空大氣，等於繞了一圈又回到他原本的最愛──地球科學。

1950 年，幾位物理學家在范艾倫的家中聚會，大夥兒決定應該比照「國際極地年」（International Polar Year）的模式，也辦個「國際地理物理年」（International Geophysical Year），屏除國家利益與政治立場，各國科學家攜手合作，利用雷達、火箭、計算機等新技術觀測各種與我們息息相關的自然現象。活動日期就訂在 1957 年七月到 1958 年底，預估此時正是太陽黑子最活躍的時候。

美國政府於 1955 年宣布將在國際地理物理年期間發射衛星，作為美國的支持與貢獻。就在大家引頸期盼之際，沒想到一直默不吭聲的蘇俄竟然在 1957 年 10 月 4 日搶先發射了世上第一顆人造衛星「史普尼克一號」（Sputnik 1）。這可真是個大意外，美國無論是為了面子或裡子，都得趕緊追上，終於在 1958 年 1 月 31 日成功發射「探索者一號」（Explorer 1），裡頭放了范艾倫改良的蓋格計數器，用以偵測宇宙射線。

沒想到傳回來的資料顯示，蓋格計數器的讀數隨著高度增加而迅速提高，但後來竟降為零；兩個月後發射的探索者三號上的蓋格計數器也一樣。范艾倫猜測是因為宇宙射線過強導致儀器過載而失靈所致，於是他在探索者四號上的蓋格計數器前方多加一層鉛片，果然就得到完整的紀錄，證實范艾倫輻射帶的存在。

范艾倫輻射帶是來自太陽的帶電粒子被地球的磁場捕獲而形成，外層主要是高能電子，位於地球上方一萬三千公里至六萬公里處；內層則是高能質子，在一千公里至六千公里處。兩者都以南北極為軸，形成輪胎狀將地球圍在中間，像是防護罩擋住宇宙射線，使其無法到達地面，避免生物受到輻射傷害。

范艾倫輻射帶的發現對於往後的太空探索非常重要，無論是載人的太空任務或是衛星佈署才能採取必要的防護措施以避免傷害。此一發現不但出自范艾倫的儀器在 1958 年的偵測；也可說是始自他於 1950 年發起的國際地理物理年；又或是更早，源自 1932 年那位在烈日下努力繪製地磁圖的少年。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

自1960年代進入太空時代至今，太空任務絕大多數都會避開范艾倫輻射帶（van Allen Belts）。范艾倫輻射帶是地球周圍兩個甜甜圈狀的區域，其中充滿了「殺手電子（killer electrons）」、電漿波（plasma wave）和電流等，對人類或太空船都有一定的危險性，逗留在此絕對沒好事。

不過，人們總要勇於嘗試，不能一直被老觀念給限制住。RBSP任務科學家David Sibeck表示：雖然科學家知到范艾倫帶的存在已數十年了，但這個危險區域還是持續發生意料之外的殺手電子風暴和其他現象。因此美國航太總署（NASA）在2012年8月30日發射了2艘輻射帶風暴探測器（Radiation Belt Storm Probes，RBSP），直接進入並待在輻射帶中進行探測，每艘RBSP都攜有眾多感應器，得以偵測並計算高能粒子數量，測量電漿波，偵測電磁輻射強度等。任務時間預定為2年，希望試圖瞭解輻射帶的危險主要來源，以及為何無法預測何時會發生危險。

范艾倫輻射帶發現於1958年，當時造成許多科學家困惑不已。絕大部分的人認為地球周圍應該是空無一物的；美國的第一架衛星Explorer 1卻證明並非如此。Explorer 1上設有蓋格計數器（Geiger）可偵測並計算高能質子和電子的數量。當Explorer 1環繞地球時，發現地球周圍居然有大量帶電粒子，使得蓋格計數器絕大部分時間都處在超標狀態。

1950年代那時，輻射帶對一般人的影響非常小；但時至今日，輻射帶對高科技社會卻至關重要。現有數百架從氣象衛星、GPS到電視轉播等不同用途的人造衛星，常常得掠過輻射帶，使它們處在輻射帶中高能粒子衝擊的狀態下，有可能讓衛星的太陽能板損壞，或讓敏感度高的電子零件短路。尤其是在太陽活動比較活躍時，當發生電磁暴，輻射帶範圍往往會隨之擴張，更多衛星淪陷險境，衝擊地球人們依靠科技產品的日常生活。

關於輻射帶最大的謎題之一就是它們對太陽風暴的瘋狂反應—幾乎任何事都有可能在此發生。當來自太陽風暴的電漿雲衝擊到輻射帶食，輻射帶的反應往往超乎科學家的預期。一個可能的後果就是輻射待充滿了高能粒子，例如：讓太空任務規劃者最畏懼的殺手電子。然而，同樣是太陽風暴襲擊之下，卻也可能讓輻射帶中的殺手電子驟減，使得輻射帶反而變成安全地帶。事情只有二選一嗎？並不是，還有第三種情況就是：同樣在太陽風暴襲擊之下，有時可能什麼事都沒發生！完全無法預測何時會發生哪種情形，讓科學家為之氣結。

更麻煩的是，科學家對於什麼是輻射帶中最重要的現象，意見不一；如果有100個科學家參與討論，每個問題都將會得出100種不同的答案。例如：殺手電子的能量為何這麼高？有的科學家認為是電漿波造成的，有的認為是太陽風衝擊所致，有的則認為是物質擴散（diffusion）的結果，還有其他一長串的理由呢。

不過，RBSP任務的主要目的就是要縮減各個問題可能性的範圍。在太陽風暴期間，RBSP會取得輻射帶中的電磁場狀況，計算高能粒子數量，偵測各種頻率的電漿波，至少要掀開范艾倫帶神秘之書的封皮，取得可以讓各種理論模型利用的資料。如此一來，未來才能預測何時進入輻射帶是安全的，何時能履行太空漫步，或何時適合操作靈敏的電子儀器等。

資料來源：The Radiation Belt Storm Probes. NASA [August 30, 2012]

轉載自 網路天文館

美國研究人員發現，採用氮氧化矽（SiON）閘極介電層的單壁式奈米碳管（single-walled carbon nanotube, SWCNT）電晶體可以抵抗劑量高達2 Mrad的伽瑪射線（gamma radiation），因此可能適合在惡劣的太空游離環境中使用。

一般的SWCNT薄膜電晶體和矽基場效電晶體都容易受到游離輻射（ionizing radiation）的影響，原因是元件中的二氧化矽閘極介電層會捕捉電洞。為克服這個問題，美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory）的Cory Cress等人研發出抗輻射（radiation-hardened）SWCNT薄膜電晶體，他們採用氮氧化矽做為閘極介電層，該材料一來捕獲的載子較少，二來傾向捕捉等量的電子與電洞，由於無淨電荷累積，因此比較不受輻射影響。

地球磁場將高能帶電粒子侷限在兩道環形輻射帶中，稱為范艾倫輻射帶（Van Allen belt）。太空船繞行地球時，會重複經過這些輻射帶並且暴露於高劑量的高能電子與質子游離輻射中。Cress表示，這些輻射的能譜與入射角度相當均勻，因此可以藉由鈷六十（Co-60）在實驗室中模擬此劑量。

伽瑪射線會迅速激發碳管的電子，然後快速鬆弛，因此不至損傷碳管。不過當受激電子的能量超過碳管的位移閥值（displacement threshold, 約為90-120 keV）時，碳原子便可能脫離晶格，造成碳管的晶格結構受損。然而實驗結果顯示，他們的元件在2 Mrad的輻射劑量下發生這些情形的機率極為微小。

大部分的多數載子電子元件暴露於輻射環境時，閘極介電層及絕緣層會捕捉電荷載子，造成元件效能下降。而他們研發的抗輻射SWCNT薄膜電晶體卻不受影響，原因是該元件是以擴散傳輸方式運作，電荷載子會因鄰近缺陷而成倍數散射，這些缺陷包含碳管晶格缺陷、碳管邊界及聲子等，都會影響電荷傳輸以及奈米碳管元件對輻射的反應。

未來SWCNT場效電晶體將具有短通道，載子在元件內將呈彈道式傳輸，因此碳管-金屬接觸間的性質在元件效能上將扮演著更重要的角色，值得更進一步的研究。該團隊未來的研究重點將放在操作於彈道傳輸區域的電晶體元件。詳見Electronics ｜doi:10.3390/electronics1010023。

資料來源：Lift off for nanotube transistors. NanoTechWeb [Sep 28, 2012]

譯者:莫偉呈（茂迪太陽能）
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網