有錢就是任性？富豪間的太空競賽是怎麼一回事，又與我們有何關係？

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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孿生子弔詭

這難道不是一個讓人活得年輕的方法嗎？的確是，而且後面講到廣義相對論的時候還會介紹另一個讓時間變慢的機制。科幻作品經常使用這種素材，比如電影《星際效應》（Interstellar）裡，太空人去黑洞附近執行任務，回來的時候還挺年輕的，可是自己的女兒卻已經很老了。

正所謂「山中方七日，世上已千年」。我想提醒你的是，這裡說的時間變慢只是不同座標系對比的結果。對於參加星際旅行的你來說，你實實在在活過的時間還是正常的壽命。在相對性原理之下，你根本感覺不到自己多出來什麼時間，如果你在地面上一輩子能讀一萬本書，在太空船上過這一輩子也只能讀一萬本書；你在山中過的這七天，也是一日三餐，共吃二十一頓飯。

但是你的確比地面上的人老得慢。說到這裡，有個著名的問題，叫「孿生子弔詭」。

假設你有一個雙胞胎妹妹，在你們二十歲這一年，你乘坐接近光速的太空船前往遠方執行任務，你的妹妹留在地球上。在你妹妹眼中看來，你這一走就是五十年，你回來的時候她已經七十歲了。可是因為相對論效應，你在太空船座標系下體會到的這段旅程只有三十年，你回來的時候才五十歲。

你離開的時候，兩人一樣大，回來的時候妹妹比你老了二十年。這個事實是沒問題，但人們會有一個疑問。相對於你的妹妹，你在太空船上是高速運動，所以會有時間變慢的效應，所以你比你妹妹年輕。可是反過來說，相對於你，你妹妹在地球上難道不也是在高速運動嗎？為什麼不是她比你年輕呢？

這個問題的答案是你和你妹妹所在的座標系並不是等價的。你妹妹一直待在地球上，可以近似為一個等速直線運動的座標系。而你離開地球必須首先加速到接近光速，到達目的地要減速、掉頭、再加速，回到地球還要再減速，你經歷的並不是等速直線運動。你在加減速的過程中得使用力量，你會有「貼背感」，而你的妹妹沒有。

考慮到這些，精確計算你在每個階段相對於你妹妹是什麼年齡就比較麻煩了，這裡先不講，在本書番外篇會專門進行一點技術性的討論。

確定的是，這個效應是真實的，你真的比你妹妹年輕了二十歲。孿生子的效應已經有實驗證實。

驗證這個效應不需要真的進行星際旅行，你只需要一種精度非常高的原子鐘。先將兩個原子鐘對時，然後將一個放在地面不動，把另一個帶上一般的民航機的國際航班飛一圈。飛回來後，再把這兩個原子鐘放在一起，就會發現它們的時間有一個極其微小的差異——這個差異是實實在在地存在的。參加了飛行的那個原子鐘，現在確實比留在地面的那個「年輕」一點。

如此說來，那些經常在天上飛的飛行員和空服員都比一般同齡人要年輕一點！但是他們參與飛行的速度不夠快，一輩子也差不了一秒。而如果你能把自己的速度提高到接近光速，那麼你的一天是地面上人的一年，甚至一千年，在理論上都是可能的。你就等於穿越到了未來。

時空是相對的

與時間膨脹相對應的一個效應是「長度收縮」。

還是以太空人為例。同樣一段距離，我們在地面看他應該飛二十五年才能到，在他自己看來，飛十五年就到了。而且請注意，不管是哪一方看來，太空船相對於這段距離的飛行速度是一樣的。

這就意味著，太空人看到的這段距離，比我們看到的要短。

如同時間，長度也是個相對的概念。一個物體的長度在相對於它靜止的座標系中是最大的，如果你和它有一個相對的運動，你會覺得它比靜止的時候短一些。這就是長度收縮。

我還記得小時候看過一個日本動畫片，裡面用極其誇張的手法描寫了這個現象：幾個孩子騎自行車，其他人感覺他們都變瘦了。

其實嚴格地說，有人透過計算，得出三維物體的長度收縮效應是你「觀察」到的，而不是你「看」到的。考慮到物體各個部分的光到達你眼睛的距離不一樣，你的眼睛實際看到的感覺，只是這個物體旋轉了一個角度而已，在視覺上不會覺得它變短了；但是如果你考慮到光速是有限的，物體不同部分的光線到達你的眼睛有個時間差，你根據這個時間差做一番計算，即會得到長度收縮的結果。

時間膨脹和長度收縮這兩個效應告訴我們：空間的長短也好，時間的快慢也好，都與座標系有關，不同座標系中的觀測者所看到的時間和空間是不一樣的。時空並不是一個客觀不變的、一視同仁的大舞臺，每個座標系都有自己的時空數字。當不同的座標系要想交流，得先做「座標變換」，把對方的時空數字轉換成自己的。

但是，在每個等速直線運動的座標系內部，你所用的物理公式，都是一模一樣的。

如果永遠不聯繫，你在太空船的生活和我在地面的生活就沒有任何差別。可是一旦要聯繫，我們的數字則會非常不一樣。而這些不一樣，又恰恰是因為光速在所有座標系下都一樣。

相對論是如此讓人不好接受，卻又是如此簡單。

相對性原理是一個信念，但物理學家從來都沒有把相對論當作「信仰」——科學的精神是實驗結果說了算。物理學家始終對相對論保持開放的態度。二○一一年，物理學家一度以為微中子的速度能超過光速，但是後來發現那是一個烏龍，是實驗設備有問題。

現在，我們只能說愛因斯坦完全正確。

• 文／陳子翔｜現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者

維珍集團創辦人布蘭森（Richard Branson），和亞馬遜公司創辦人貝佐斯（Jeff Bezos），上個月相繼搭乘自家公司太空船飛上太空，成了備受矚目的焦點。

然而可能是因為兩位富豪本身的財力與名氣，讓這場太空公司競爭被自家老闆搶盡鋒頭，很多相關討論話題都聚焦在布蘭森和貝佐斯展現「有錢人的任性」、「搭乘富豪版大怒神」之類的。但這兩次太空任務的成功對於太空發展的未來，以及並非超級富豪的我們，背後的意義遠不只是「富豪間的炫富」那麼簡單。

這是第一次有人到太空觀光嗎？

布蘭森和貝佐斯的競爭，看起來好像是為了搶先爭奪「太空人」的頭銜，但事實上布蘭森、貝佐斯和這次一同上太空的人，並不是第一批到太空的遊客。第一位「太空觀光客」早在 2001 年就付費搭乘俄羅斯聯盟號（Soyuz）太空船上過太空了，在 2001 至 2009 年間，也陸續有人透過這樣的方式到國際太空站體驗太空生活。

然而不論是聯盟號或是國際太空站，都不是為接待觀光客而打造的，職業的太空人也有很多的任務和工作要進行。因此其實這樣的太空旅遊方式，有點像搭著公務車是跑去別人的辦公室觀光，想必不適合大量開放。另一方面，用這樣管道上太空的人，需要通過基本的訓練，身體條件的限制也會比較嚴格。

綜合前面的因素，使即便有許多財力雄厚的人想上太空旅遊，能實際前往太空一遊的人還是少之又少，這樣「供不應求」的情況，也讓布蘭森、貝佐斯等太空公司老闆看見商機。

維珍銀河和藍色起源的太空觀光競爭

也許比大家想像中早很多，貝佐斯其實早在西元 2000 年就成立了藍色起源（Blue Origin）公司，而布蘭森則是在 2004 年成立維珍銀河（Virgin Galatic）。兩家公司都經過了多年的研發，才終於在今年七月用自己研製的火箭完成首次的商業太空任務。可以想像在這之前，兩家公司在幾乎沒有任何收益的情況下，投入的資本有多大！也必須說這樣的事的確應該也只有像布蘭森、貝佐斯這樣同時擁有驚人財力，又對太空充滿熱忱的企業家才可能辦得到。

而這次的商業太空競賽，與其說是布蘭森和貝佐斯在較勁誰能先上太空，不如說是維珍銀河和藍色起源這兩家公司，在太空觀光市場競爭先機，也是一次打響知名度與博得關注的大型宣傳。

不過，同樣是完成短時間的載人太空飛行，兩家公司使用的方式卻截然不同。接著就讓我們簡單認識維珍銀河和藍色起源，以及它們在這次的載人飛行採取的策略各自有哪些特點吧。

維珍銀河與太空船二號

維珍銀河的主要業務就是聚焦於太空觀光，而像是小型衛星發射這樣的任務，維珍集團旗下則有另有一家名為維珍軌道（Virgin Orbit）的公司經營。

而此次維珍銀河執行任務的太空船，名為太空船二號（SpaceShip Two），最大的特色就是採用「機載空中發射」。出發時，太空船會先懸掛在一架名為白騎士二號（White Knight 2）的特製飛機上。由白騎士二號掛著太空船二號，像是一般飛機一樣起飛，將太空船送到約 14 公里的高空，並在到達指定位置後釋放太空船。

太空船二號從飛機釋放後，會點燃火箭引擎開始快速向上爬升大約一分鐘。火箭引擎關閉後，太空船就會呈拋體運動，並隨者慣性爬升到約 90 公里高的頂點。直到太空船一路再次重返濃厚的大氣為止。

從火箭引擎關閉到落回較濃厚的大氣這四分鐘，太空船上的乘客就能感受失重狀態，體驗太空中漂浮的感覺，同時太空船二號也會刻意將飛行姿態調整為「倒飛」的樣子，讓乘客可以從飛機頂部與側面的窗戶鳥瞰地球。此外太空船二號將尾翼設計成可變形的形式，讓太空船能夠在重返大氣的不同階段中提供良好的控制。

飛行的最後階段，飛行員會駕駛太空船以無動力滑翔的方式返回機場降落，完成任務。

而另一個有趣的地方是，太空船二號基本上是純手動駕駛的飛行器，甚至連太空船的控制系統也不是採取今日多數飛機使用的線傳飛控（Fly by wire），而是傳統的機械式操控，可說是尖端科技與傳統飛行技術的結合，相當特別。

藍色起源與新雪帕德號

不同於維珍銀河，藍色起源的業務範疇就不局限於太空觀光，火箭和火箭引擎的設計與製造也是該公司的業務，像是美國的聯合發射聯盟（ULA）下的下一代的主力運載火箭火神號（Vulcan），就將採用藍色起源公司設計的BE4火箭引擎。同時藍色起源也正在設計一型可重複使用的重型運載火箭──新葛倫號（New Glenn）。總體而言，藍色起源的業務範圍相對與知名的 SpaceX 比較類似，是一家服務範圍相當廣的太空公司。

而這次包含貝佐斯在內的四位乘客，所搭乘的新雪帕德（New Shepard）號，是垂直發射式的火箭，也是目前最常見的火箭形式。火箭本身為單節式，使用液態氫、液態氧做為推進劑。而乘客所乘坐的太空艙則在火箭推進器頂部，每次旅程最多可以乘坐六位乘客。與太空船二號截然不同的是，新雪帕德號是全程自動控制的，因此太空艙內所有人都不用做任何操作，就能完成整趟旅程。

搭乘新雪帕德號整趟旅程大約只有十分鐘，火箭發射後引擎會持續點燃大約 140 秒，在火箭熄火後，太空艙就會自動與推進器分離，進入拋物線的軌道。太空艙飛行的最大高度大約會來到 110 公里，與飛行高度大約 90 公里的太空船二號相比，新雪帕德號有越過 100 公里高的「卡門線」。至於乘客體驗失重狀態的時間，則與太空船二號差不多都是四分鐘，因此兩者實際上在太空中的體驗與視野應該是相差不遠的。而新雪帕德號太空艙返回大氣的方式，則是利用三具降落傘進行減速，緩緩飄回地面降落。

另一方面，由於推進器下落時的阻力較小，新雪帕德號的推進器會比太空艙還早返回地面。而新雪帕德號的推進器擁有如同鋼鐵人般「懸停降落」的本領，在降落的最後一刻，推進器會用自身火箭動力懸浮於降落基地上方再緩緩落地，相當壯觀。有趣的是，雖然火箭用自身動力垂直降落是 SpaceX 獵鷹九號火箭（Falcon9）的招牌，但其實 2015 年 11 月時，新雪帕德號硬是比獵鷹九號早了一個月達成這樣的成就喔！不過由於獵鷹九號是軌道發射載具，飛行的速度和高度都遠高於幾乎只是直上直下的新雪帕德號，因此兩者技術上的難度其實還是有不小的差距。

此外，新雪帕德火箭擁有相當好的安全設計。舉例來說，如果推進器在發射過程中發生問題、可能有爆炸風險時，太空艙本身設有的逃生火箭就可以將太空艙帶離推進器並安全降落。另外在這次載人任務成功前，新雪帕德號也已經累積了 15 次成功的無人試飛任務。

私人公司百花齊放的新太空時代

由於成本和技術難度都非常高，在過去，發射火箭到太空可說是只有傾國家之力（而且是少數的大國）才有辦法完成的事。然而近十年，這樣的狀況有了相當大的變化。

除了維珍銀河、藍色起源在太空觀光的領域取得了初步的成功，馬斯克（Elon Musk）成立的 SpaceX 也已經在過去十幾年間完成了衛星發射、太空站補給、低地球軌道載人太空飛行等等，只有少數「國家」完成過的壯舉。另外，這幾年新興的太空公司也如雨後春筍般地冒出，也都希望能在太空市場中殺出一片天。

商業太空發展這能為我們帶來什麼好處呢？

首先，商業太空公司的發展會使許多新的市場被開闢與創造，而新市場的出現就會吸引更多人與更多企業投入其中，帶來很多新的可能性。例如在這次維珍銀河與藍色起源所競爭的「太空觀光業」，就是過去不曾出現過的新事物，而像是訂閱式衛星網際網路服務、商業太空望遠鏡等等，也都是正逐漸成形的「新太空服務」。

再來，商業發展下由於企業的相互競爭與追求獲利，會讓前往太空的成本持續降低。過去需要幾千萬甚至上億美金才能夠讓自己的衛星上太空，現在最低甚至一百萬美金有找。而私人太空公司也正設計著更多可重複使用的太空載具，期望進一步壓低前往太空的成本。如同馬斯克說，如果飛機是一種不可重複使用的交通工具，那麼一張機票的價格想必會貴的不可思議。過去太空運載火箭就是一種不可重複使用的載具，因此發射衛星和太空船的價格當然居高不下。這次為太空旅遊設計的太空船二號、新雪帕德號都是完全可重複使用的，而 SpaceX 能夠發射衛星的獵鷹九號火箭，也能夠重複使用第一節火箭。這些都能大幅的降低前往太空，以及發射衛星的成本。

截至今天，太空發射的成本目前已經可以壓低到「讓許多有錢人能上太空旅遊」的程度。或許未來有一天，太空旅行的費用能讓多數人都能夠負擔，而發射衛星的成本也大幅降低，讓各式各樣的產業與服務都能在太空有新的可能性。

如同數十年前搭乘飛機旅行，或是一百年前乘坐汽車都是富豪的專利，但在技術不斷精進以及商業的競爭下，如今搭乘飛機和汽車早已不再是遙不可及的白日夢。同時公路運輸、航空運輸也都成了現今人類社會中不可或缺的命脈，但相信在動力車輛、動力飛行器剛剛問世時，也很難預期它們會成為現今的模樣。

當然，當太空產業快速發展，就如同過去所有新興產業的快速成長一樣，除了能帶來好處與利益，同時也會形成許多外部成本。但人類的科技與文明一直以來就是在進步的同時面對新的問題，在推進的過程嘗試找到平衡，但當我們回過頭一看，常常就會發現世界已經在這樣的過程中，變得更加便捷與進步。

因此，其實維珍銀河與藍色起源這次的商業首飛任務成功，除了對於布蘭森、貝佐斯是好消息外，對於世界而言，也是又一次看見商業太空時代發展的可能性，也讓我們期待未來能夠看到一個不一樣太空新時代，並享受其帶來的好處與便利。

參考資料

1. SmallSat Rideshare Program
2. Spaceflight Pricing
3. Space Launch to Low Earth Orbit: How Much Does It Cost?

延伸閱讀

1. New Shepard VS SpaceShipTwo – Everyday Astronaut
2. 一閃一閃亮晶晶，滿天都是人造衛星 – 泛科學
3. 【時事新聞】聯合號太空飛機首次動力飛行成功 – EASY 天文地科小站
   

• 文／林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底，美國政府宣布再次延長國際太空站（ISS）的服役年限，讓它繼續運作到 2030 年，續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時，NASA 的「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）也正如火如荼地展開，旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室：國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造，ISS 的質量約 450 公噸，大小相當於一座美式足球場，是歷史上最大最重的人造衛星，二十多年來以約 7.6 km/s 的高速，在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人，負責維護太空站的運作，並且在這獨一無二的微重力環境下，進行各式各樣的科學研究。

這樣一個龐然大物，世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造，是一次一個地把艙段發射到軌道上，然後讓它在茫茫太空中，精準地與之前發射的其他艙段對接，像拼樂高一樣，一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年，多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射，才完成 ISS 的建造。

然而，光是「建造」太空站是不夠的，為了維持太空站的運作，太空站上必須要有太空人常駐，因此每隔幾個月，多國團隊就得發射載人任務，把新一批太空人送上太空站，並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時，為確保這些太空人能在太空正常生活，它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船，為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底，已發射了超過 66 批「遠征隊」（expeditions）輪班駐守 ISS，並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後，都要耗費數億美金的火箭發射成本，及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等，這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量：商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴，即使是全世界資源最豐富的太空機構：NASA，要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因，在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭（STS）。太空梭不僅操作危險，成本也非常昂貴。面對這種情況，NASA 想到：「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始，培養一批民間太空公司，等它們的成長茁壯之後，就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下，這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來，NASA 省了錢，又培育了國內的航太科技實力，豈不是一舉兩得？

於是，2006 年，NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」（COTS）計畫，讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下，自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑，就可以拿到相當可觀的資助，進行下一階段的開發，由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭，最終由老牌太空公司「軌道科學」（Orbital Science）與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利，取得「商業補給服務」（CRS）合約。時至今日，雙方的「天鵝座」（Cygnus）與「天龍號」（Dragon）系列貨運太空船，仍是補給國際太空站的主力。

有了 CRS 的成功經驗，NASA 決定打鐵趁熱，在 2011 年啟動「商業載人服務」（CCP），讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭，這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而，命途多舛的波音「CST-100 星際航線」（Starliner）太空船頻頻發生問題，至今（2022 年 2 月）仍未成功執行任務。另一邊，SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多，不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS，更將 Crew Dragon 用於太空旅遊，在「靈感 4 號」（Inspiration 4）任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行，並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船，其實有著巨大的商業潛力。

商業近地軌道太空站：打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝，歲月如梭，國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言，太空站的狀態還算良好，但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此，即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年，尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此，NASA 故技重施，啟動了「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）計畫。這次不只運貨、載人，而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選，目前有 3 組團隊獲選，它們分別是：

1. Orbital Reef，此為藍色起源（Blue Origin）與內華達太空公司（Sierra Space）、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口，能夠支持 6 名太空人的生活，無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。

2. Starlab，此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）組成的聯合團隊提出的方案，特色是使用了一個巨大的充氣式艙段，讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道，不需要多次發射再對接。

3. 第三個是諾斯洛普．格魯曼提出的太空站計畫，不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案，諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險，避免計畫延宕，但就顯得缺乏亮點，商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後，當廠商們的技術發展成熟（預計是在 2025 年以後），NASA 就會從指導者變成客戶，付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外，還有另一組人馬——Axiom Space，也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家，Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約，而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利，應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶，是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷，這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是，得益於 15 年來商業太空領域的高速發展，民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船，乃至於太空站的開發與運營技術，讓太空不再是政府機關的專利，也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入，一個生機勃勃的近地軌道經濟圈，也許並沒有我們想像的那麼遙遠！

參考資料與延伸閱讀

• Biden-Harris Administration Extends Space Station Operations Through 2030
• Spacewalkers Complete Multi-Year Station Battery Upgrades | NASA
• International Space Station Facts and Figures | NASA
• Visiting Vehicle Launches, Arrivals and Departures | NASA
• NASA Selects Companies to Develop Commercial Destinations in Space | NASA
• Commercial LEO Destinations (CLD) | NASA
• Three Winners for Commercial LEO Destinations Awards – SpacePolicyOnline.com
• How 20 Years of Life On The ISS Began With Expedition One
• The Story of How NASA Went From Space Shuttles To SpaceX & Commercial Rockets
• Every Spacecraft Which Has Visited The Space Station
• NASA & Axiom Space Designing Commercial Expansion Of Space Station
• Axiom Commercial Space Station（內有已建成的艙段零件照片）
• 輕鬆認識太空運載火箭
• 【貨運太空船系列】COTS 與 CRS
• 太空站故障 NASA 緊急進行太空漫步