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「樂活」還是「垃活」?

PanSci_96
・2013/01/29 ・5341字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

文字紀錄:吳秉昱(臺灣科技大學管理學士大三,PanSci活動志工)
影像紀錄:葉人瑋(臺灣科技大學電機所博士生,PanSci活動志工)

「生態…綠…?」我盯著電腦螢幕上的奇怪名字,『原來這是一間咖啡館啊…』靜靜地疑惑著,「咖啡館怎麼不是棕色,而是綠色呢?」我在搜尋網頁中鍵入它令人好奇的名字,發現原來這是一間推行公平貿易的咖啡館。

騎著小50cc機車,奔馳在台北市的街頭。路旁隨處可見的垃圾桶,在丟垃圾這回事變容易後,「垃圾量是不是又增加了呢?」前往活動地點的路上我思索著。

樂活?垃活?樂造成了垃,垃影響了樂。兩個同音字,無法輕易分割。

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迎面而來的公平貿易咖啡香、溫暖的環保燈泡鵝黃光,帶我們走入生態環保與我們的拉鋸戰。


附註:『雙引號』內為兩位講者所言。 「單引號」內為文字紀錄者所思。

講者一:余宛如(Karen)

【生態綠】咖啡館經營者

主題:公平貿易

三公尺高的地下室,擺放著數十張椅子。有種未經萃取的咖啡香,自身旁數十個裝著未焙豆的麻袋靜靜飄出。她是第一位講者,余宛如(Karen),也是【生態綠】咖啡館的經營者。Karen充滿活力的聲音,自焊著重金屬電路板的麥克風中傳出,注意力很快被吸引住。

 

『我想將一些迷思,透過這次機會跟大家釐清』Karen說。

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『為什麼棉花都要種白的?』我們被問道。

答案:因為容易再染色,後續加工成本較便宜。『當大家都要便宜的東西時,物種的多樣性便可能因此消失了。』

接著Karen為我們釐清一些迷思,『消費是很有力量的!』這是她分享給我們的哲學,以消費監督生產。

 

計算食物里程可以救地球?在地消費可以減少碳里程嗎?

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→運輸占「產地到餐桌」流程耗能25%,最大宗的則是保存,占七成。

飲食習慣沒有變更,總體耗能仍然高,例如肉類生產過程較蔬果為高。

在地農夫使用石化肥料,碳排放也仍然高於運輸遠距的有機蔬果。

「那咖啡呢?」

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→國外小農不用農藥、並用海運來台灣的咖啡,較國內使用農藥(高耗能石化產品)的咖啡,碳排放量來得較低。

 

碳排放也引發了不少問題,例如:溫室效應,造成氣候變異與農產量減少。發展中國家的農民與貧困者,是最倒楣的一群。雨季變得更加集中且更短期,需要雨水的在地植物漸漸消失,造成中部非洲的飢荒。

不少人聽過80/20法則※1,在「溫室效應誰該負責呢?」這問題上同樣適用。已開發國家人數只占全球人口的二成,但這二成卻創造了全球將近八成的碳排放,甚至光是北美洲便排出了全球28%的碳量(2010)。

有些已開發國家,還會將原先應屬自己的碳排放量「送」出去,例如移轉工廠至其他國家。『中國驟增的這些碳排放量,其中7%至14%,是為供應美國的消費市場。』我們可以說,美國把自己的外部成本※2移轉出去。他們少了成本,也失了正義。

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我們能做的其中一件事,便是幫助這些農民對抗氣候變遷,避免造成「當代飢荒」的幫兇。當代飢荒?簡單地說,農民們靠出口經濟作物過活,若經濟作物賤價,他們的收入甚至少到不足以購買食物,這種飢荒的成因是人為的。

也許有人想問,「這些農民可以不要出口嗎?」但許多貧窮國家唯一可以創造外匯收入的方式,便是出口農產品,而非種植食物作物。當我們願意付出較多在經濟作物上,他們反而能有較高收入可選擇種植食物。

全球六百多個公平貿易團體,便是在支持這樣子的事情。

「公平貿易不就是賣更貴的產品而已嗎?」有人如此想著。

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但疑惑瞬間被說明。

公平貿易能夠調整社會上的權力結構。合作社的民主運作方式,使得注重人權的消費者,透過獎勵性質的工資,能夠以實際的行動,支持合乎工作權益、女性權益的地區或農莊。

公平貿易並非期待控制價格。反而在保護當地的最低工資,以較為透明與審議※3的方式,就像個保護網一樣保護著農民。工資合理化的過程中,一併帶動改善環境。推展減少農藥、發展農作整合※4等。

 

Karen舉了一個例子:巴西堅果樹只生長在原始熱帶雨林,無法人工繁殖。

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為了生計與填飽肚子,農民砍伐掉沒經濟價值的樹,大量的雨林消失,被置換為一片片的工廠、一條條的公路。咖啡園、可可園、香蕉園、橡膠園快速出現……物種多樣性正在快速減少,以換得經濟發展。

公平貿易組織進入此地區,幫助當地改以巴西堅果樹做為經濟來源。他們開發了數款產品,讓居民不須開發雨林也能自足。

 

這些邊緣的聲音,需要多久才會被聽到呢?而我們又可以做什麼?

『希望大家在購物時,都和我一起把公平正義帶走吧XD』Karen說。


講者二:黃貞祥(Gene)

中研院生物多樣性研究中心博士後研究員

主題:真假環保

Gene的聲音充滿了活力,在接下來的二十分鐘內,試圖喚起我們對於環保的判斷力。

大音量、大震撼!『時間開始跑了』,我們的腦袋也開始動了。

Gene認為,「環境保育」這回事,沒有「絕對好」,只有好以及更好。『環保並沒有一個標準可以定義好壞』。如同科學不是絕對真理,十年前對於環保的認知,與現在,與十年後都不同。

 

五個環保的原則與對立

一、     謙卑原則:人類虧欠地球,沒有謙卑的心,做不好。

二、     公平正義原則:面對環保議題時,我們該保持其執行方式公平且正義!若人類都不愛人類了,如何愛護動物、保全地球?

『我們畢竟不是少年Pi。』大家都笑了。

「但其實我們是少年呆※5。以幼稚的方式殘害地球」我想。

三、     個人選擇-公共政策:環保究竟算是一種個人選擇,還是應納入政策方向?

這兩項不應該對立,而需要相輔相成。因為沒有消費者的關注,即使納入政策,仍然不易成功。

四、     悲觀 V.S. 樂觀:對於環保態度,應該保持樂觀或悲觀?

舉個例子可以幫助我們思考。假如政府推行一個新的環保政策,能夠抵擋住本來會發生的一次破壞,但因為本應發生的破壞沒有發生,因此民眾不會認知到「環境被破壞」這回事。

「二十年前這麼做,地球也沒事啊!」會不會有民眾這麼說,並且而回過頭來,指責政府浪費資源推行無用(但實際有用)的政策呢?這是Gene讓我們思考的一個例子。

「但如果不推行這政策,破壞就會發生了。」我想。

 

五、     現在 V.S. 未來:我們應著眼於未來的發展性,而非現在的技術能否支援。

例如太陽能板發展多年來,技術停滯,能源轉換效率仍不高。但這應是因為市場未投入,而非科技進步停滯。

科技的進展,一旦被市場注意到,便會突飛猛進,例如智慧型手機與數位相機,在近十年來獲得的進展。

現在沒想像中的好,但未來可以變得更好。

接著Gene則批評《假環保》一書,指出其中許多說法根本邏輯不通,違反科學證據,或是不適用日本以外的地方。

至此,夜幕漸深,活動也將進入尾聲。因此開始了與講題同樣精彩的Q&A發問時段。

 

[註腳]

※1-80/20法則:最初由管理顧問泰斗Joseph M. Juran提出,形容80%的財富,掌握在20%的人手中,而由80%的人分配另外20%的財富。後續常被用於各式資源分配的不均等。

※2-外部成本:在生產過程中,常會產生許多廢棄物或有害物質,會對環境或第三人造成影響,此即為外部成本。

※3-審議式:公平貿易協會,會召集多方委員,對公平貿易價格進行討論與訂定,並不是由一個人或一小群人掌握此權力。

※4-發展農作整合:透過較高價格的收購,保護農民不因市場波動而種植過量經濟作物,或者使用農藥、砍伐當地植物等。

※5-少年呆:與46億歲的地球比起來,百歲人瑞也只是個少年。

※6-工業終端材料:塑膠袋的原料,是煉製原油過程中的廢棄物(如不飽和烴),若不製成塑膠袋,仍會直接被焚燒掉而產出廢熱。而免洗筷,以往是使用製造家具的竹、木材廢料製造,而不太影響環境;但現今免洗筷常直接使用快速生長的木材。


 Q&A

K:第一位講者Karen。G:第二位講者Gene

Q1:公平貿易除了咖啡、衣服,還有哪些我們沒想到可以使用的東西?

A1:(K)公平貿易在台灣比較多只有咖啡和巧克力。國外甚至有紅酒(南非曼德拉政府與公平貿易組織推出公平貿易紅酒)、可樂、棉等等

 

Q2:最神奇的公平貿易商品?

A2:(K)巴西堅果樹。可以直接吃、製造堅果油,巴西堅果巧克力等。我得要去除平常迷思才有機會進口,不然碳足跡太長會被罵XD

Q3:有些大企業作惡多端卻會花錢買公益(有人附和:「沒錯」)。若買了公益,公平貿易組織會給予認證嗎?

A3:(K)公平貿易認證只在產品上。代表此商品有,但企業不一定。台灣的迷思是因為星巴克。星巴克只採購了百分之二的公平貿易咖啡豆,就大肆宣傳,讓很多人以為他們全都是公平貿易。不過儘管如此,星巴克總部是全球最大的公平貿易商。可見世界上絕大多數的咖啡都是不公平的產物。

 

Q4:所以對企業來說,公平貿易取得的成本真的會較高?台灣一般人怎麼接觸到公平產品?

A4:(K)第一個問題:商品有分不同等級,還得問等級才能確定價錢是否較高。而公平貿易商品,其實是把消弭貧窮、改善生活的成本重新包含回去。我們也許能邀朋友來喝杯公平貿易下午茶,從自己影響到鄰近朋友。公平貿易認證所做的並不是當唯一的認證者,只是能夠保證由公平貿易認證的商品,最低都能夠滿足某些標準。

Q5:現在看來環保的事情,過一段時間變成不環保,再過一段時間又被認為環保。你怎麼看?

A5:(Gene)這問題蠻複雜。我媽媽曾說一句話:『我不相信科學』。她的意思是因為科學反覆。例如:喝咖啡有害?無害?不斷反覆無定論。

這類資訊在被媒體報導出來的時候,資料支離破碎,需要有人重整、還原當時,這也就是 PanSci 存在的意義。XD

 

Q6:消費者的力量很大。但消費者資訊來源不豐富,了解不夠深的時候,怎麼辦?以及怎麼說服鄰近的人?

A6:(K)你們怎麼看?(聽眾:在mobile 01上發環保開箱文XDD)

台灣缺了「消費者運動」的力量。消基會是全台最大的消費者運動,但卻關注在價格上!都只要求便宜的時候,甚至會影響到生態體系。

(G)看什麼東西,太常用到的消費品,價格取向。用長久的則是品質取向。(追問:挑3C的時候會挑環保還是?)當然想挑環保,但很難因為建立資訊體系不完全。

Q7:有機產品種植時,環境要求嚴苛。種植時蟲害非常嚴重,產量會很低。怎麼維持產量是個很難取捨的問題,公平貿易怎麼解決?

A7:(K)有些聲音認為有機=生態殖民主義,因為其實有機標準適合溫帶國家,且台灣土地跟水汙染比較嚴重,要達到很難。公平貿易的有機則是:一方面這些農夫本來就沒錢買農藥(一不小心就有機了XD),再者價格並非雙方說了算,而是有一個委員會去訂定小農的生活水準,以此價格進行貿易。

 

Q8:公平貿易所生產的商品,競爭力對於無良企業而言是否不足?以此做為創業,會不會有阻力?

A8:(K)一直都是阻力,當我們一開始在台灣推行時很辛苦。生態綠會跟消費者玩遊戲,咖啡價格由你訂,就是期待打破價格的迷思。但其實全球的公平貿易咖啡量仍少得可憐(嘆)

 

Q9:怎麼跟身邊的人宣傳環保概念?

A9:(G)生活環境畢竟知識分子比較多,其實不太需要宣傳。

 

(追問:國光石化跑去你們家?)我當時其實不反對國光石化到馬來西亞,因為那裏窮,需要其支持成長,例如如果要去柬埔寨也是可以。但不管蓋還是不蓋應該由那個國家的人民來決定,其要支持石化帶動的經濟還是要支持環境,而非由台灣人來決定。新加坡石化規模比台灣更大,做法是在島外島,軍事規範,並使用國家力量掩蓋住,我認為不對。(K:先回應G)雖然你舉例要去柬埔寨蓋國光石化,但我認識的柬埔寨人正在改變,不一定要為了經濟犧牲環境,例如柬國人正在推行公平旅遊。另一個例子是祕魯,雨林旅遊已經做到國際級。

Q10:(to K)我有一個朋友沒帶環保筷就不吃,以此影響身邊人。(to G)他們有了國光石化就趕不走了耶。(to K):如果想要輔導原本非有機的慣行農業轉型為公平貿易到賺錢,那中間轉型過程怎麼辦?

A10:(K)公平貿易目前還有點侷限在農業跟手工藝,曾有廠商想要往高科技走,但很難。已經有使用農藥過的農地,要降低到符合標準才可以,因此會需要用較Fair的Price來引誘,他們的價值觀就能夠被帶起來。現在台灣的公平貿易問題則是因為都是小農在帶,因此成本仍然高。

(G)國光石化等石化市場極大,原因是因為現代人的消費習慣。例如買了個iPhone就送殼,或買滑鼠送墊子。前陣子我連參加研討會都送手機殼,誰要啊?這總讓人很頭痛,丟也不是,送了也沒有人要。因為這些東西極度便宜,送再多人仍然佔零頭。原本石化業的製造成本高,將其外移到某些國家,變便宜了,但卻犧牲了當地的環境。而這時這就要看每個國家的公民意識了,例如新加坡人無法抗議其石化業,光是走到附近抗議都算軍事管制區了。但發展中國家不一定擁有不好的公民意識,例如澳洲將稀土元素提煉外移到馬來西亞,造成馬來西亞人的大肆抗議。但政府仍不為所動,且還用不夠優良的建材來蓋廠房,草菅人命,這目前仍是沒辦法的。

附影音的紀錄版本請參考-〈環保也是一場思辨之旅〉

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook