【Gene思書齋】石油和新能源的未來－能源大探索（The Quest）

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？

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。

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。

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。

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。

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！

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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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歐美地區審判巫師的情況在 18 世紀已經看不到，但今日仍有許多國家（尤其在開發中地區）還有指控巫師與獵巫的事。例如非洲南撒哈拉沙漠地區，就指控巫師散布愛滋病毒使人病亡。崇信巫師與殘殺巫師是古今中外的普同現象。

研究歐美巫師的文獻非常豐富，只要在亞馬遜書店（Amazon.com）打入 witchcraft（巫師），就可以找到讀不完的著作。孔復禮（Philip Kuhn）的名著《叫魂》（Soulstealers，1990）研究乾隆盛世的妖術大恐慌。歐洲現在較可追溯的事件是 13 世紀由宗教機構（尤其是天主教法庭）執行的巫師審判，但到了中世紀晚期，就少見到教會介入，審判巫師的事件減少許多。

有人提出不同的解釋，說明為何巫師人數會減少，其中一種說法是：專業男性醫師出現後，女助產士和女性民俗療者（女巫）的活動空間就少了。

景氣愈差，獵巫愈盛

大多數對巫師的研究，都屬於某個地區的某些案例或某類行為，屬於微觀層面的分析。哈佛經濟系的女博士生艾蜜莉．奧斯特（Emily Oster）2004 年發表一篇宏觀性、跨地區性的報告，檢討為什麼文藝復興時期的歐洲會出現大規模的巫師審判。

奧斯特採取不同的切入點，認為主要是經濟性的因素：氣候轉入小冰期，農穫減少，在糧食短缺的壓力下，必須去除生產力最低的窮人、老人、寡婦，這些邊際人口的罪名就是巫師。

為什麼會有這種奇特的見解？

因為審判巫師活動最盛的時期，正好都是平均氣溫較低的階段，也就是氣象史上的小冰期。這會導致農作物歉收，海水太冷也會影響漁獲，這對歐洲北部的食物供應產生嚴重衝擊。巫師審判增加、氣候變冷、經濟成長下滑，這三者間應該不是單純的相關，而是有因果關聯。

為什麼要用指控巫師的方式來消除邊際人口？

因為巫師的陰森形象，最容易引起民眾驚恐排斥。歐洲的宗教勢力龐大，擁有現成的教會組織網路，方便利用制度殺人。以天主教為例，驅魔是教廷正式許可的作為，教宗保祿二世曾替少女驅魔但未成功。

如果 21 世紀初期的歐洲尚能接受教宗驅魔，我們對文藝復興時期的獵巫就不必驚訝了。幾乎所有的宗教都會提到魔鬼，《舊約聖經．出埃及記》第 22 章 18 節說：「行邪術的女人，不可容她存活。」天主教和基督教的獵巫史久遠，道教和佛教對這方面的記載更不少。

大致說來，文藝復興時期歐洲的獵巫在 15 世紀初期相當明顯，15 世紀末到 16 世紀之間暫時平息。16 世紀中葉到 18 世紀末是最嚴重的階段，這也是本章探討的時期。歐洲自中世紀以來就有許多記載巫師的文獻。

以 1486 年出版的《女巫之槌》（Malleus Maleficarum）為例，這本類似巫術大全的書，對各式各樣的巫術信仰、巫師的法力與作為都有詳盡記載。也提供完整的引導，要如何審訊嫌疑巫師，使她（他）們認罪；解說巫師如何呼風喚雨、破壞農作、興風作浪、打閃電、引發海嘯。這些都是非人力所能及的自然現象，卻硬要巫師代罪。這本書教導獵巫的方法，以及法官如何識別巫術、對女巫施酷刑。

氣溫變化才是獵巫的主因

從氣象史的角度來看，10 ∼ 13 世紀之間的平均氣溫是 400 年的中世紀溫暖期。14 世紀起氣溫開始下降，直到 19 世紀初期回暖。在這段小冰期，最寒冷的是 1590 年代，以及 1680 ∼ 1730 年之間，平均溫度約比之前的世紀低華氏 2 度。

數字看起來好像很小，但已足夠讓接近北極圈的冰島被冰塊包圍，倫敦的泰晤士河和荷蘭的運河結凍。平均氣溫降低華氏 2 度對農作物有何影響？如果今天冷明天暖後天熱，全年的總積溫不變，短暫的溫度失調對農作物沒有影響。但如果整年平均低華氏 2 度，365 天總積溫降低 730 度，那就嚴重了。

英國著名的經濟學者史丹利．傑文斯（Stanley Jevons，1835 ∼1882）研究過太陽黑子活動對農業歉收的影響，也有人研究印尼火山爆發對全球氣溫變化的影響。

現在奧斯特要用具體的數字來觀察，氣溫變化和獵巫在統計上是否顯著相關。研究歐洲獵巫的學者，早就把氣候極端化當作控訴巫師的重要因素。奧斯特想用計量工具證實這項假說，她得到的答案很明確：Yes。

——本文摘自《經濟史的趣味》，2023 年 6 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。

塑膠是石油製成的，而石油是死掉的恐龍製成的，請問塑膠恐龍的成分中有多少真正的恐龍？
——史蒂夫．萊德福（Steve Lydford）

我不知道。

塑膠恐龍

煤和石油稱為化石燃料，因為它們是由千百萬年來埋在地底下的死亡生物殘骸所形成的。「地下的石油來自何種死掉的生物？」標準答案是「海洋浮游生物和藻類」。

換句話說，那些化石燃料中並沒有恐龍化石。

只不過，那個答案不太正確。

我們大部分的人看到的石油，只是它的精煉形式，例如煤油、塑膠，以及從加油槍流出來的東西，所以很容易把石油的來源想像成某種均勻的黑色冒泡物質，每個地方都一樣。

但化石燃料帶有自身原始來源的指紋。煤、石油和天然氣的不同特性，取決於進入其中的生物體，以及牠們的身體組織長久以來發生了什麼樣的變化；取決於牠們住在哪裡、牠們如何死亡、牠們的遺骸最終葬身何處，以及牠們經歷了什麼樣的溫度和壓力。

死亡的物質帶有自身生命歷史的化學印記，千百萬年來以各種不同的方式混雜在一起。我們將它挖出來之後，費了不少工夫剝掉這段故事的證據，將複雜的碳氫化合物精煉成均勻的燃料。當我們燃燒燃料時，它們的故事終於灰飛煙滅，釋放出束縛在它們身上的侏羅紀陽光，為我們的汽車提供動力。

無論是哪裡來的，塑膠恐龍成分中的石油，只有一小部分可能直接來自真正的恐龍屍體。如果是來自以陸地物質為主的中生代油田，含有的恐龍可能稍微多一點；如果是來自密封於冠岩底下的前中生代油田，可能完全不含恐龍。如果不花費心思追查特定玩具製造過程的每一道步驟，就沒辦法知道。

廣義來說，所有的海水在某段時間都曾經是恐龍的一部分。當這些水被用來行光合作用時，其中的分子成為食物鏈中脂肪和碳水化合物的一部分——但那些海水其中有更多，此刻正以水的形式存在於你的體內。

換句話說，你的塑膠玩具身上含有的恐龍，遠不如你身上含有的。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。