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離地表 100 公里就是太空?看不到浩瀚星河的太空旅遊能體驗什麼?

賴昭正_96
・2021/10/04 ・5189字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

今年 7 月的科技頭條,應是 11 日及 20 日兩架載著只須穿連身衣(不是專業宇航員在發射或著陸時穿的加壓宇航服和頭盔)之「一般老百姓」的太空艙,飛到太空邊緣後又成功返回地球,這一壯舉標誌著人類商業「太空旅行」(space travel)新時代的開始。

這兩架太空艙的軌跡基本上是相同的,我們以後者(7 月 20 日)的發射為例,為大家大略說明「太空旅行」到底是怎麼一回事。

太空火箭從地面垂直向上發射,進行大約 110 秒的動力飛行到三倍音速、高度為 76 公里處時,火箭減速,乘員艙與之分離,靠其慣性動量、在無動力推動下繼續向上衝刺飛行;因地球引力(重力)不斷地往下拉,衝到約 100 公里的高度,即開始反方向加速折回地面。進入大氣層時,因為空氣阻力而開始減慢,最後在降落傘的幫助下慢速著陸。總共飛行時間大約為 10 分鐘。

本文主要是討論太空旅行及無重量感(weightless)的物理,只在結論時才略微提及太空旅行所造成的社會觀感。

沒辦法讓飛機飛的地方都是太空——卡門線(Kármán line)

相信許多讀者都跟筆者一樣,認為太空是一個遙遠的地方:那裡不但沒有地球引力,也沒有空氣。筆者實在沒想到所謂的「太空旅行」,若不是因為 90 度的斜坡車子開不上去,100 公里的距離,其實只要開車約一個小時即可到達!

高空 100 公里處的氣壓只有地球表面的千萬分之一,也比一般客機飛行之 8-12 公里高度高得多,但那裡的地球引力卻還是非常強:只比地球表面的引力小了 3% 左右而已。

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圖/Pixabay

為什麼「太空」定在那裡呢?我們知道飛機是靠機翼上下空氣壓力不同上升的[註1],因此飛機在沒有空氣的空間是沒辦法飛行的。

航天先驅卡門 (Theodore von Kármán[註2]) 在一國際會議中提出因為空氣太稀薄了,在海拔 100 公里處上方行駛的物體,需要一個不依賴地球大氣層產生升力的推進系統[註3],因此在 1960 年代,國際航空聯合會(Federation Aeronautique Internationale)將海拔 100 公里處定為太空的界限——稱為卡門線(Kármán line),粗略地標出傳統飛機無法有效飛行的高度。

7 月 11 日的「太空旅行」只到 80 公里處就轉回,因此依這一定義,不能算是「太空」旅行。但在 1960 年代初期,世界上第一位太空律師海雷(Andrew Haley)依卡門的定義,更精確地算出空間的實際邊界應該在距離地面約 84 公里處。這個高度在「中層大氣」(mesosphere)處:中層大氣是地球大氣層的最外層物理邊界,流星通常在此處燃燒,在這裡要產生升力所需的飛行速度將超過「軌道速度」(見後「為什麼在靠近地球的太空站上,也能體驗無重量感?」段落)

這個高度也是美國空軍在 1950 年代使用的高度:飛行高度超過 80 公里的飛行員可以獲得「宇航員機翼」(astronaut wings)別針。因為在太空界限下,空間是屬於個別國家,在它的上面則屬於「公空」;做為太空科技發達的強國,美國當然欣然採用這個定義。

不見浩瀚星河,只有四分鐘的無重量感體驗

如果地球只有籃球大小,則 100 公里的高空只是在籃球表面上的 1.1 公分處而已。在這樣的「高」度是不可能俯視到漂浮在太空中的地球的,只能像汪洋大海中的小船或天空中的飛機,看到天水(陸)交接的圓弧地平線而已。

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因此太空旅行不可能是為了看「風景」,應該是為了體驗「沒有重量」。可是前面不是提過那裡的地球引力還是非常強的,怎麼會沒有重量?

圖/Pexels

地球的引力(稱為「重力」)本該讓我們往地球中心落下的,但是被地板或磅秤阻擋;地板或磅秤產生了反作用力(牛頓第三運動定律),所以人體就被夾在這重力與反作用力之間,產生了「重量」的感覺。

如果將地板或磅秤拿掉,則人體將因重力的關係繼續往下掉(稱為「自由落體」),因為沒有任何阻擋下掉的反作用力,我們不會有被壓迫的感覺,造成了「無重量」感:所以「無重量」只是一種感覺,並不代表我們沒有受到重力或任何力。

地球重力所產生的加速為 9.8 m/s2 ,通常簡寫為 g。在 110 秒的火箭動力往上推動時,太空人會感受到比 g 更大的加速;但太空艙一脫離火箭後,他們會立即處於自由落體狀態(即使太空艙還在往上升),突然感到失重。這時 他們可以解開座椅釦子,在機艙裡面到處「漂浮」,在一個窗口輕輕一碰就可飄到另一個窗口、喝水、擲球……等,親自體驗無重量感的一些奇奇怪怪現象。

為什麼是「漂浮」呢?想像你是在一個自由落體的電梯中,如果從口袋中拿出一個蘋果,在面前張手將它放開,蘋果會下掉嗎?當然會,因為這不正是牛頓發現萬有引力的靈感嗎?

問題是你與電梯也是以同樣的加速在下降,因此對你與電梯而言,蘋果將「漂浮」在你面前不動的(牛頓第一運動定律)!如果太空艙內沒有空氣,你輕輕地推蘋果一下,蘋果將會加速(牛頓第二運動定律),當推動力消失後即沿直線「漂浮」地做等速運動(牛頓第一運動定律)!

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事實上正是這一「領悟」,使愛因斯坦將只適用於等速參考坐標的狹義相對論,成功地擴展到適用於任何參考坐標之廣義相對論(參見「愛因斯坦一生中最幸運的靈感–廣義相對論的助產士」,2021 年 3 月號科學月刊)。

圖/Pexels

在大約四分鐘的失重體驗後,太空艙的下降將慢慢感受到空氣的阻力,使太空人慢慢感受到最高可達六倍重力的「重量」減速,最後靠降落傘緩緩著陸。

為什麼在靠近地球的太空站上,也能體驗無重量感?

地球之萬有引力是無遠弗屆,原則上我們是逃不出其如來佛的手掌心[註4] ,所以要使太空艙不被拉回地面,主要有兩個方法:

  1. 跟地心引力硬碰硬,例如往上衝的火箭。
  2. 把地心引力當作物體圓周運動的向心力,若地心引力全用在圓周運動轉彎時的向心力上,地球引力就沒辦法吸落物體。

不免俗地,必須先看一下向心力的公式,當一質量為 m 之物體做圓周運動時,會需要向心力改變運動方向。牛頓物理告訴我們,這向心力(F)的大小與圓周運動半徑(r)成反比,並與運動速度的平方成正比:

F=m{\frac  {v^{2}}{r}}

當向心力與地球引力相等時:

兩邊的 m 可以對消,因此不用考慮物體質量,只要考慮該物體位於多高的位置(圓周運動半徑),就能算出物體需要以多少速度前進,才不會被地球引力吸落,而這個前進速度,我們稱為「軌道速度」

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這正是國際太空站保持在高空約 400 公里處的設計原理:它以每小時約 28,000 公里平行於地球表面的速度前進,相當於每 90 分鐘繞地球一圈,一天的空間行程大約是從地球到月球再返回的距離; 而地球在赤道的自轉速率,大約為每小時 1,700 公里。

能設計將太空站或衛星固定在空間的某一點嗎?能,但超出本文討論的範圍,只好留給讀者自己去想了。

而在太空站內,由於地心引力全被當作圓周運動的向心力,所以「無重量」不只是「感覺」,而是在太空站內的物體真的沒有重量,沒有任何淨力作用於物體上!

圖/Pixabay

想體驗無重量不用跑到太空——拋物線飛行

相信任何人初次經驗到無重量感都會驚奇得張口合不起來的:杯子的水倒不出來、一根手指就可以舉起在地面上重一公噸的物體、輕輕一跳就可以創世界紀錄。

可是需要花這麼大的人力、物力去製造這環境嗎?筆者年輕時就曾在遊樂場裡享受到大約一秒鐘、記憶猶新的無重量感;而如果你不怕摔得粉身碎骨的話,從台北 101 大樓往下跳,也可享受到大約 9 秒鐘的自由落體(生命可貴,千萬不要輕易嘗試)

1950 年,美國德州布魯克斯空軍基地(Brooks Air Force Base)空軍航空醫學院(Air Force School of Aviation Medicine)的哈伯(Fritz & Heinz Haber)博士兄弟就提出利用「拋物線飛行」(parabolic flight)來模擬「無重力」的建議。

現在「拋物線飛行」不但已經是美國國家航空和航天局(NASA)之宇航員訓練、科學實驗、及空間設備技術測試的平台,而且已經商業化了[註5] 。「拋物線飛行」需要經過特殊訓練的飛行員來精確地操縱及控制飛機的飛行,在此我們僅簡單的介紹其原理如下。

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從穩定的高空 8 公里處平飛姿態,改成 45° 上沖姿態飛行;在這個階段,體重是正常體重的 1.8 倍。這飛行持續約 20 秒後,機組人員開始執行一種稱為「注入」(injection)的機動降低推力,並操縱飛機軌跡使其遵循一種拋物線(投擲石頭在重力作用下的自由落體)飛行。垂直載荷係數在這個階段從 1.8g 降到持續約 25 秒的零重力(0g)感。最後在拋物線的下降部分執行與進入對稱的 1.8g 退出階段,在大約 20 秒內將飛機返回到穩定的高度水平。如此重複20-30次。

Parabolic Flight.jpg

為了體驗無重量,值得飛出卡門線嗎?

美金萬元不到就可以「拋物線飛行」,體會無重力經驗,但卻已有 600 人預訂 25 萬美金去做 80 公里太空旅遊[註6]。你說這不是財富和特權的粗俗展示是什麼?當然,那是他們「辛苦賺來」的錢,他們要怎麼用我們無話可說;只是在高喊減碳[註7]及貧富不均的全球危機中,億萬富翁們卻在花大錢將自己送入太空尋找樂趣,似乎有點……

有「不以為然」想法的人似乎不只是筆者;事實上或許由於「心中有愧」,全世界最有錢的、此次太空旅遊公司之一的大老闆、亞馬遜公司創辦人貝索斯(Jeff Besos)在出發前宣布將捐贈 2 億美元給史密森學會(Smithsonian Institution)——這是自 1846 年史密森 (James Smithson) 創辦該巨大之博物館、教育、和研究綜合體以來的最大單筆捐贈;而這次太空旅遊拍賣一座位所得的 2000 萬美金也全部捐給慈善機構。

據 Treehugger 網路上的一篇文章「太空旅遊的碳足跡有多少?」( What Is the Carbon Footprint of Space Tourism? )分析,雖然這些太空旅遊每次會製造 60 到 80 公噸的碳足跡[註8],就其本身來看,這事實上並不算多:因為一架從芝加哥飛往香港的 777-200 飛機就輸出 351 公噸的碳足跡,每天還飛行多次!

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但不要忘了後者承載約 300 人飛行 1.3 萬公里。該文最後結論說:但與這些富豪之私人飛機整年在多個住宅間飛來飛去,可能都微不足道;所以我們不是需要更少的火箭和更少的太空旅遊,而是需要更少的億萬富翁。不知讀者同意與否?

註解

  • 註 1:空氣流動越快的地方,壓力越小[伯努利定律(Bernoulli’s Law),為一應用於流體的能量不滅定律]。機翼的設計就是使其上下的空氣流速不同。
  • 註 2:匈牙利出生 ,在第一次世界大戰前後的幾年裡,參與直升機的早期設計等工作;1930 年,卡門移居美國,成為二戰期間火箭和超音速飛行的專家。1944 年,卡門和他的同事在加州建立了噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory),為現在是美國宇航局的傑出實驗室。
  • 註 3:火箭推進器靠的是動量不滅定律,所以可以在沒有空氣的地方飛翔。
  • 註 4:實際上當然不是這樣。在「 霍金和黑洞:霍金一生的追尋讓我們知道了哪些事?」一文裡,筆者用簡單的能量不滅定律,導出要脫離地心引力的最小速度;在沒有空氣的阻力下,其值為每小時 40,284 公里。當然,在實際操作上我們並不一定要一下子提供這麼大的速度;我們可以分段加速,慢慢將太空推出地心引力之外。不知道讀者是否在這裡看出一個邏輯上難以理解的地方(參見「從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性)」:地心引力與距離的平方成反比,所以地心引力可以趨近於零,但不會等於零(即永遠逃脫不了地心引力)。
  • 註 5: 有興趣的讀者可以上網到「零重力公司」(Zero-Gravity Corporation)登記(美金 7500 元加稅)。
  • 註 6: 現在已是 45 萬元美金起跳。
  • 註 7: 聯合國氣候變遷小組(IPCC)7 月 9 日由 234 位科學家撰寫的 3000 多頁報告指出,地球暖化速度比科學家先前觀察到的還要快,全球均溫很可能在大約十年內就升高攝氏 1.5 度,突破巴黎協定的升溫幅度限制。
  • 註 8: 貝索斯的火箭燃料是使用液態氫和液態氧,不會直接產生二氧化碳;因此氫正越來越多地被推廣作為應對氣候變化的一種方式。但絕大多數氫氣(96%)來自化石燃料,特別是來自甲烷及煤的氣化,其提煉時所產生的熱及溫室氣體其實不亞於其它燃料 [這情況很像不考慮發電可能造成更大的污染,而盲目地發展電動汽車一樣,詳見「我愛科學」(華騰文化有限公司,2017年12月出版)]。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747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

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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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

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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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一舉一動都要付天價!到太空站旅遊為什麼要這麼貴?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/12 ・1839字 ・閱讀時間約 3 分鐘

2019 年 6 月,NASA 宣佈將在 2020 年開放國際太空站「旅遊」,票價為 5,800 萬美元。這是一項商業化的舉動,讓大眾可以體驗在太空中的感覺。不過,太空站對遊客開放,會不會出現什麼問題?

遨遊太空對於普通人來說,應該是非常神奇的體驗。在我看來,國際太空站對民眾開放沒有什麼不好,這可以讓一些人瞭解太空,也可以從一定程度上減輕國際太空站的經費壓力。

大夥可能覺得 5,800 萬美元的票價,以及每日約 4 萬多美元的日常花費有些昂貴,不過即便是這樣,我想依舊會有大批人排著隊想要到太空去走一走。下面,我就跟大家聊聊有關國際太空站的事。

國際太空站很「貴」

國際太空站的「旅行」費用昂貴,這其實合乎情理。太空站是有一定壽命的,那裡距離地面 400 至 450 公里,會受到強烈紫外線的照射,並且,太空環境高度真空,帶電粒子橫飛,高速小隕石亂竄,都會對太空站造成傷害。但在太空最厲害的,還有一種地面不存在的氣體,那就是「原子氧」,它腐蝕性特強,對太空站壽命衝擊最大,防不勝防。

我們所熟知的氧氣,由兩個氧原子組成,英文縮寫是 O₂。在離地球 200 至 700 公里範圍內,因紫外線的能量,硬把兩個氧原子拆開,就形成了只有一個原子的氧 O。這種原子氧的腐蝕性非常強,尤其對聚合材料和積體電路鍍銀膜的攻擊,不遺餘力,導致太空站大面積腐蝕剝落,所以,太空站的一些艙外材料,需要不斷的更換。

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圖35-1國際太空站。圖/把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民

那麼,維護的費用有多高?我大概計算了一下,每年至少要 50 億美元。大家再來對比一下,和一位旅客5,800 萬美元比起來,維護太空站的費用,才是「天價」吧!

當然,5,800 萬美元僅僅是上太空站的機票價,額外的雜費很多,包括「呼吸」的空氣費、「上廁所」的洗手費和「吃飯」的餐飲費等等。在太空站,一舉一動都要付費。比如,每天食宿費用 35,000 美元,上一次廁所的費用是 11,250 美金,WiFi 也要額外算⋯⋯,太空站這個五星級酒店,沒有免費熱情待客的規格。

什麼人都能去太空旅行嗎?

我們總說:錢不是萬能的,太空人都要經過嚴格的篩選。那麼,你是否有疑問:「去太空旅行的人,對身體體質有什麼要求嗎?」

這一點可能就和大家想的不太一樣了,其實,大多數正常人的體質都可以進行太空旅行。在國際太空站,你所感受到的不同,可能僅僅是失重。

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國際太空站的位置雖然在太空,但它仍在地球磁場的保護下,外太空來的射線、太陽風的高能粒子不會對其造成嚴重的傷害。所以,如果你可以適應並克服失重帶來的困擾,就可以考慮去太空「旅行」啦!

但是你也要「遵守遊戲規則」,畢竟,到了太空站可能會有一些約束,不能按照自己的意願隨意行動。

當然最重要的是,你要有足夠的資金!

「太空旅行」前景如何?

其實,我覺得太空旅行這種商業行為是有意義的。畢竟科研也要經費,目前,這筆經費皆由國際太空站參與國承擔,每年的支出有點沉重。如果太空站可以做旅遊生意賺錢,那將會有一定程度的緩解。

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這樣一來,既能讓一些對太空感興趣的群眾上去體驗,又可以通過太空旅遊的收入,補貼納稅人支付的太空科學研究,也算是兩全其美的事。

當然,我想這個商業行為,也許最好先以進行 5 年的時間為目標。雖然能支付 5,800 萬美元的人不少,但是 5 年下來,這件事是否可行,商業模式是否成熟,就是評判它能否繼續下去的標準。

此外,參與的人,可能也不僅限於到太空站「旅遊」,很多人想去月球,甚至到火星走一遭。雖然我不知道這樣的想法是否行得通,但是從理論上,到月球旅行是可以的,不過火星也許就不大可能。到愈遠的地方,發生危險的可能性也就愈大。只要發生一次「太空難」,「太空旅行」這個項目就可能叫停。

太空旅行,的確能讓參與人見聞上大幅的提升,但這類旅行者也肯定是富有者,不是一般打工賺錢的你和我,能負擔得起的!

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——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。