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買衛星太花錢?不如訂閱「衛星數據」吧!——淺談新創太空產業的商業模式

黃 正中_96
・2021/11/21 ・3076字 ・閱讀時間約 6 分鐘

常聽人講「喝牛奶,不必養乳牛」;購買一顆衛星並建立地面站和運營人員來收集數據或中繼通信,既昂貴又耗時。但太空新創公司的商業模式[1],包括太空數據服務、衛星服務、任務服務和地面站服務,已經悄然出現,並形成跨國產業鍊,讓過往以民族國家為核心發展的太空模式徹底改變!就像雲端服務降低了軟體或電子商務公司的創業成本一樣——新太空服務模式,正逐漸席捲太空領域。

圖/Pexels

軟體服務:沒衛星也能迅速獲得衛星影像

資訊業在幾十年前開始提供線上「軟體服務」時,經歷了類似的轉變,人們可以通過線上平台購買軟體,同樣的,透過網路平台傳送太空影像及資料,已經成為業界常態,更是新型態的商業服務。

幾十年來,上百顆傳統遙測衛星,在地球各個天邊拍攝海量影像資料,位於美國舊金山地球觀測 Astro Digital 新創公司[2],透過遙測影像的歷史數據,構建多光譜圖像的資料庫平台。該資料庫搭配了最近大量出現立方衛星遙測影像,再利用 AI 技術篩選這些海量資料,讓使用者不用擁有自己的衛星,就能快速獲得衛星影像資料。

例如美國 Planet 公司[3]已經建構了近 200 顆小/立方衛星星系所拍攝的影像,透過其軟體及服務平台提供給龐大的客戶群,客戶從 Planet 公司購買第一手的圖像和數據後,因為市場需求的增加,再次轉賣影像數據的成本幾乎為零,從而獲得龐大的利益。

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立方衛星造價較低,適合大量製造,而且一艘火箭就能投放多顆;圖為挪威 Ncube-2 立方衛星(邊長10 公分)。圖/WIKIPEDIA

數據分析服務:探查衛星飛行的軌道安不安全

美國 LeoLabs [4] 創建了一個分析平台,從該公司的全球相控陣雷達網絡中獲取數據,跟蹤低地球軌道上的物體。透過 LeoLabs 所開發的網頁,客戶可以搜索衛星、查看交通模式並在太空儀器有碰撞風險時收到警告。

LeoLabs 的數據服務,通過網絡及雲端基礎設施服務客戶,在太空軌道越來越擁擠、太空異物越來越多的情況下,衛星跟蹤雷達可以為特定衛星探查飛行軌道是否安全。

另外,瑞典的 AAC Clyde Space 新創公司[5],開發 Xspancion 通信和地球觀測立方體衛星,為龐大的公司提供太空中繼服務;透過收購荷蘭的 Hyperion Technologies,獲得關鍵子系統和美國的衛星技術公司後,擁有運營衛星和地面站的 AAC Clyde Space,可提供客戶海洋的跟蹤數據、遙測影像或氣候數據。

許多國家的國防和情報機構,可以購買商業數據服務,不用擁有自己的衛星群;將研發成本轉移到民營公司,當然也轉移了風險。例如挪威的 Iceye 新創公司,已經大幅提供合成孔徑雷達衛星影像,各國政府直接可以購買這些服務,包括更精確的 GPS 訊號及影像。從而為國家節省了高昂的研發成本。

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合成孔徑雷達衛星能掃瞄出高解析度的地形照片。圖為由麥哲倫號合成孔徑雷達拍攝的金星表面圖像。圖/WIKIPEDIA

製造服務:快速訂製「模組化衛星」

越來越多的公司提供衛星模組及組裝測試服務;美國舊金山 Loft Orbital 新創公司[6],以高可靠度模組化,提供即插即用組件快速的製造衛星。

許多國家太空機構,透過外包衛星服務獲得衛星,並且發射進入太空軌道。這種衛星服務模式,包括外包或採購衛星組件、次系統或衛星系統,也包括測試衛星或酬載儀器、衛星傳感器、耐輻射電路板或太空軟體等等,可以將測試工作交給各種專業公司。

衛星服務公司包括英國 Surrey(SSTL)[7]公司,荷蘭的 ISISpace[8]、總部位於舊金山的 Loft Orbital、立陶宛的 NanoAvionics、Spire Global 或位於丹佛的 York Space Systems。美國的 Terran Orbital[9] 新創公司,獲得了洛克希德馬丁(Lockheed Martin)公司投資,正規劃在佛羅里達州建造世界上最大的衛星製造工廠,預計每年可生產 1,000 多顆客製化模組衛星。

任務服務:減少各方成本的環境監控立方衛星

美國新創 Spire Space Services[10] 提供衛星發射成功以後,在軌道執行任務所獲得的數據存儲、處理並為其酬載提供指令等服務。另外一家 Astro Digital [2] 銷售衛星和相關硬件以及任務規劃、許可和飛行運營服務。美國德州的 Cesium Astro 新創公司,銷售有源相控陣天線和軟體定義的酬載,等等太空服務的創新需求。

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有源相控陣雷達通常不需要像傳統機械雷達般旋轉掃描。圖為以色列 EL/M-2022U。圖/WIKIPEDIA

並非所有太空機構都有能力購買酬載、衛星,並整合所有設備、規劃任務,再將衛星發射到軌道獲取數據,有些機構基本上是租用衛星來進行實驗。例如美國太空總署(NASA)針對大氣對流層排放汙染,設計監控全球空氣污染衛星,過去是向傳統的 Ball Aerospace 衛星製造公司,購買昂貴的 TEMPO 環境監控衛星。

但是近年來出現 Maxar[11] 新創太空公司,研發出更便宜的環境監控立方衛星,所獲得的環境監控數據並不輸給日漸老舊的 TEMPO 環境監控衛星,因此 NASA 就直購買 Maxar 環境監控立方衛星的環境監控數據,這樣就也不用另外訂製環境監控衛星,也不用負擔聘僱技術人員,可以減少預算編列,直接將太空監控並收集地球環境數據的任務,直接外包給更便宜的新創公司。

地面站服務:為衛星公司節省數據傳輸成本

除了少數國家可以建立全球地面站操作中心,近來許多新創太空產業,專注於建設全球地面站監控網。

義大利 Leaf Space 新創公司[12],專注於為微型衛星運營商提供地面段服務,使衛星客戶受益的規模經濟在地面部分也很明顯。通過增加站點,Leaf Space 將在全球運營 15 個地面站。挪威的 KSAT Inc. 地面站,已投入地面服務市場,提供更實惠的競爭價格。

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美國 AWS Ground Station 和微軟公司(Microsoft)的 Azure Orbital 提供通過地面站即服務處理衛星命令和控制以及數據下行鏈路的能力,將數據直接發送到 Azure 雲。並使用光纖網絡在地球上傳輸數據,節省衛星公司的數據傳輸成本。雲端服務有助於降低建立太空公司的成本,新創公司不必建立自己的數據處理和存儲基礎設施。

美國 Planet 遙測衛星擬將其商業雲端服務成本下降,採取大量數據創建雲計算系統,因為在科技領域,太空產品和服務相互組合,並依賴雲端服務,以提高競爭力。

除了少數國家可以建立全球地面站操作中心,近來許多新創太空產業,專注於建設全球地面站監控網。圖/Pexels

結論

蔡總統前日視導科技部轄下國家實驗研究院國家太空中心,指示持續精進本土太空技術,挑戰尖端太空任務,並培育太空科技接班人才,以建立台灣太空產業。

國際上如雨後春筍新創太空服務產業,目前新太空服務模式,還沒有被完全創造或發明出來,希望本文能為有志於太空產業之士,帶來新創意的思考方向與指引。

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參考資料

  1. 2021,Software-as-a-Service model takes the space sector by storm
  2. Astro Digital
  3. Planet
  4. Leo labs
  5. aac-clyde.space
  6. loft orbital
  7. SURREY
  8. ISISPACE 
  9. 2021,Terran Orbital to build plant to produce more than 1,000 satellites per year
  10. Spire
  11. Maxar
  12. 2021,Leaf Space establishes five new ground stations
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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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太空提案創意不設限!2023 RunSpace 太空創新無限挑戰獲獎團隊專訪
PanSci_96
・2023/11/13 ・3491字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 撰文/陳子翔、林彥興

全新的太空時代已經揭開序幕,不同於上一次太空競賽時期,如今的太空發展不再是大國政府限定專利,隨者商業潛力的成長近年民間太空產業蓬勃發展,成為吸引創新思維和專業技能的重要領域。在太空產業充滿機會的新時代,RunSpace 太空創新無限挑戰也在去年正式開辦,為台灣太空新創注入能量!

RunSpace 是經濟部產業發展署太空計畫的一環,是一項沒有參賽資格限制,不限專業領域背景,不論是學生還是社會人士都可以報名參加的太空提案競賽。參加者除了提案參與競賽之外,也會在主辦單位舉辦的 Space Bootcamp 訓練營中提升實力,並與其他團隊互相交流。

邁入第二屆的 RunSpace,這次收到了比去年更多優秀且富有創意的提案。最終,三支團隊從決賽脫穎而出,冠軍與亞軍分別由「3Q」與「太空藥局」團隊奪得,而「Project Subsidium」則同時獲得季軍與企業最愛獎。

冠軍隊伍「3Q」提出以電子膠帶實現智慧溫控,降低衛星開發成本

電子紙是一種耗電極低且不需背光的顯示器技術,常見的應用包括電子書閱讀器、公車站牌到站資訊等等。但你有想過,這樣的技術居然也可以應用在太空中嗎?本次冠軍團隊「3Q」,提出名為「ASTRID」的可變色電子膠帶。利用電子墨水技術,它能像是烏賊的身體一樣根據環境改變顏色,調整衛星表面的吸熱放熱效率,從而實現衛星的智慧溫控。

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團隊負責人蘇惟思指出,衛星在太空中運行時,其中一面會受到高溫陽光照射,另一面又面向寒冷太空,同時內部的儀器自身也會產熱,因此唯有做好熱控系統,才能維持衛星運作,而散熱器(Radiator)正是衛星熱控系統中重要的一環。傳統上,衛星製造商往往要根據每個衛星的大小、運行軌道與內部儀器的需求,去設計出不一樣的散射器以滿足溫控需求。但若使用 ASTRID 電子膠帶,即可不用針對每個任務重新設計散熱器的形狀、大小與位置,而是透過改變散熱器表面的顏色,去滿足不同熱控需求,如此一來就能大幅降低衛星開發的時間與金錢成本。

蘇惟思表示,ASTRID 技術的構想與測在他大學就讀太空工程系時就已經開始,今年初他以這項技術在美國成立新創公司 SQUID3 Space,目前也正積極的進行募資與尋找潛在客戶,這次參與 RunSpace 競賽獲獎,也對投資者來說有一些加分效果。

最後,蘇惟思分享了寶貴經驗,為未來有志投身太空創新創的人提供建議。首先,他強調不要害怕在競賽中失利,或是被投資者、客戶回絕。去年他也有參與第一屆 RunSpace,而當時連前三名都沒有拿到,但不放棄繼續嘗試才有機會有好的成果。他還分享了曾有人告訴他:「如果創業期間,一週內沒有被客戶或投資者拒絕超過一次,就代表你不夠努力。」

他也提到在創業過程中,許多工程師容易犯一個錯誤,即先開發產品,然後再尋找客戶。在做專題或研究時,開發自己想做的產品,解決自己有興趣的問題是可行的方向,但是在​​創業上不要只埋頭於自己的專案,而沒有先暸解市場的需求。

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冠軍得主3Q團隊,在展覽攤位上以遠距視訊的方式與參展者互動,介紹 ASTRID 的相關資訊。

亞軍團隊「太空藥局」提出太空方舟製藥,期望開拓太空市場新藍海

RunSpace 是太空主題的競賽,但這並不意味只有航太與工程背景的團隊才能參加。亞軍團隊「太空藥局」就是來自生技產業,他們提出名為「太空方舟」概念,希望未來只要攜帶簡易的裝置和材料,就能在太空中生產人類生存所需營養素與藥品,滿足長時間太空旅行的需求。

團隊說明,太空方舟的構想是將人體所需的營養或藥物基因保存在經設計過的細胞中,並在需要時使用這些細胞來生產這些營養素與藥物。這樣一來,在資源與空間有限的太空旅行中,可以用很小的空間與循環資源實現永續生產,太空旅行所需的營養素將不再需要全都從地球發射升空,而是在太空船上實現自給自足。

這次 RunSpace 的提案中,太空藥局以蝦紅素為例,團隊指出蝦紅素是天然超級抗氧化劑,對於太空中長時間逗留的太空人有助於抵抗輻射、保護皮膚、減緩老化和降低罹癌風險。目前傳統蝦紅素的取得方式主要仰賴捕撈磷蝦,或是透過大量土地面積養殖藻類取得,但這兩種方式都需要使用地球上的資源,無法在太空生產,而且也容易對生態造成破壞。

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因此,太空方舟成了理想的解決方案,既實現太空環境下永續生產,也提供一個耗費資源更少、更環保的生產方式。同時太空方舟的技術還可以用於保存重要的營養與藥物生產基因迴路,提供資源安全性的策略,應對氣候變遷和戰爭等風險。

同時隊長也分享了團隊進入太空產業的想法,他指出太空旅行需在有限的空間與資源下,循環生產足夠人類長時間生存的物資,而台灣的環境其實也與太空旅行有相似之處。台灣沒有廣大的土地與豐富的天然資源,也因此太空方舟不僅是針對太空旅行的藥品、營養品的生產方案,也是未來台灣可以採用的永續生產方式。

此外,團隊認為生物科技本來就是台灣的強項,非常有潛力可以應用在太空需求,且在太空產業中,生醫領域相對於火箭或是衛星領域還是個藍海,有很多商業與技術發展潛力,值得台灣投入。

季軍隊伍「Project Subsidium」提出太空無人機 EVAid,打造太空漫步萬能助手

本屆季軍得主則是 Project Subsidium,團隊的兩位成員皆是台科大在學學生,並分別來自電機系與建築系。他們提出了名為 EVAid 的小型太空無人機,旨在成為太空漫步的萬能助手,協助太空人太空漫步的工作進行與活動紀錄拍攝。除了奪下季軍之外,這項提案也獲得了本屆中華電信企業最愛獎的肯定。

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Project Subsidium 團隊表示,這個特殊的團隊名稱取名靈感來自 NASA 的太空探索任務,因 NASA 多採用與任務內容或精神有關的一個英文單字為太空任務取名。團隊也笑著說,在斟酌要使用哪個英文單字後,他們覺得使用拉丁文感覺更酷更有趣一些,而"subsidium"則是拉丁文協助的意思,呼應 EVAid 太空無人機能提供太空漫步協助的目標。

EVAid 外觀呈現四面體,每個端點裝有離子引擎,並在表面設有太陽能板。EVAid 的一大特色是模組化的設計,讓它可根據不同的需求,去設計不同模組安裝在擴充接點上。比如裝設攝影機、燈光、工具架甚至是機械手臂,滿足太空人艙外活動時拍攝、照明、放置工具的需求。由於其自帶推進器,因此 EVAid 也可以成為太空人的移動工具,或是接上太空站的艙體協助移動太空站組件。

即便成員都不是航太背景,Project Subsidium 團隊認為,太空產業要深入可以非常專業,但在網路資源豐富的現代,一些涉及範圍比較廣的題目,只要有心其實也是每個人也都可以嘗試,也會有自己的專業派上用場的地方。例如在控制系統和無人機相關知識,就與電機系所學相關,而建築系的專長則在設計圖繪製會模型製作上派上了用場。

團隊也分享了以學生身份參加 RunSpace 過程中遇到的一些小挑戰,像是在參賽過程中還是要顧及學校課程與考試,成果發表與頒獎的時間也很不巧的正好是期中考週。另外他們也提到,暑期團隊成員分隔兩地,也有遠距工作與溝通的問題需要克服。

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最後,Project Subsidium 團隊分享了這兩年參與 RunSpace 學到的寶貴經驗,他們表示不需要一次就試圖做規模龐大,想要"Do Everythig"的專案,而是要考量商業可行性。在類似 RunSpace 的競賽中,明確的目標和可行性分析至關重要。

季軍得主 Project Subsidium 的作品 EVAid 模型展示,端點為離子引擎的噴嘴,中間的圓形處則是與其他模組相接的接點。

2023 RunSpace 太空創新無限挑戰圓滿落幕,而下一屆的 RunSpace 預計將邀請更多國際上的太空科研單位與業界團隊加入策略夥伴,同時讓更多國際上的團隊報名參賽,共同推動太空創新,也讓 RunSpace 成為更加國際化,主題多元的太空盛事!

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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

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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思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

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愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

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1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

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無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

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此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

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圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

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如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

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2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 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(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 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。