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2012年科學回顧

PanSci_96
・2013/02/16 ・6422字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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2012年是科學界史詩般的一年,許多重要的研究成果都在這年呈現,以下讓我們分段回顧2012年全世界的重要科學研究斬獲。

2012年是科學界史詩般的一年,研究者發現了希格斯玻色子,也有好奇號登上火星。在這飛躍的一年中,兩個最大的突破有賴於驚人的數據量。在過去五年來ENCODE計畫(Encyclopedia of DNA Elements)–由440位科學家組成–已產生15個太位元(Terabyte)的數據,以研究人類DNA序列的功能;而歐洲核子研究組織(CERN)已儲存了26個拍(10的15次方)位元由大型強子對撞機(LHC)所產生的數據,物理學家用它來尋找希格斯玻色子存在的證據。

但如同資料是發現的泉源一般,它也是矛盾的來源,矛盾可能如下:有潛在危險的感冒病毒資訊應不應該被公開?或者資助者、出版社、研究人員討論到底要如何展現資料,還有同儕審查的老問題,以及研究資料的更開放等議題。同時,可疑或偽造的研究成果重新提醒了我們,研究的發現必須得值得信任。

— 最後的希格斯–

掌聲、欣慰、喜悅和淚水。7月,世界上最大的物理實驗正式發現希格斯玻色子PanSci報導)。在物理學家可以自信地宣布他們發現了質量為125千兆電子伏特的新的玻色子PanSci介紹)之前,這項研究使用了位於日內瓦的大型強子撞擊機500兆次的質子撞擊。

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大約50年前,彼得希格斯 (Peter Higgs) 與其他理論物理學家提出了一個理論–一個充滿在宇宙中的量子場賦予了一些粒子質量。

而這個量子場的化身–希格斯玻色子–看起來卻令人失望地普通,它的行為並未超出粒子標準模型所預測的。而LHC也尚未找到超對稱理論所預測的其他粒子,該理論能夠拓展人們對次原子世界的理解並且解開暗物質的神祕面紗。

–奔向極限–

2012年各國歡慶奧運的同時,科學界也締造了多項紀錄:

歷經二十年的鑽探,俄羅斯的工作隊終於在去年二月鑿穿深達3.8公里的南極冰冠,直達孤立了數百萬年的地下水體沃斯托克湖。經過初步檢驗,並未在水體樣本中發現之前許多科學家預測應有的生命跡象。嘗試以高壓熱水柱法探勘南極洲另一個冰下湖—埃爾斯沃斯湖的英國工作隊,則面臨了技術層面的挑戰

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導演詹姆斯. 柯麥隆日前駕駛單人潛水器到達地球的最深處—距海平面下11公里處,馬里亞納海溝的底部,成為全球獨自完成此任務的第一人。

同樣令人感到刺激緊張的是高空跳傘運動員 Felix Baumgartner ,儘管可能在科學上沒那麼有價值,他由美國新墨西哥州上空39,000公尺處一躍而下PanSci報導),打破音速並刷新自1960年來人類最高跳傘高度。

然而,並非所有的紀錄挑戰都是成功的:花費35億美金位於美國加州的「國家點火設施(NIF)」經過六年的不斷嘗試,雖擁有世界上最強大雷射光束,但其「點火」計畫終究未能成功。該實驗若成功,將是人造核融的里程碑:超強雷射光束將施加高溫高壓於一小氫燃料球而啟動核融反應,並產生與輸入的雷射光同等的能量。

–反思能源政策–

福島核災事故(PanSci報導)促使各國能源政策持續調整。日本政府朝向未來零核電目標進行各項規劃(PanSci相關報導)。2012年五月日本關閉最後一座運營中的核電廠以作檢修,同時遭到國內民眾大規模示威抗議,反對重啟任何一座反應爐。儘管如此,其中的兩座仍在七月時恢復運作

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歐盟也為境內核電廠作壓力檢測,發現超過140座反應爐需要全面性的安全升級PanSci 相關報導)。在此同時,美國核能管理委員會批准了一座核電廠以雷射技術提煉濃縮鈾,反對者則擔憂有心人士將暗地裡以此技術製造核彈。

為了供應日常生活所需能源,各國持續探索非傳統的石油及天然氣來源。因應日漸興盛的頁岩氣開採工業,美國對使用水力壓裂法提出了相關規定。頁岩氣的發展,使得美國10%的發電供應由原本的煤炭轉為天然氣。

根據國際能源署估計,2020年美國將成為最大的石油生產國,並有望在2035年自給自足國內能源所需。但過去發生的石油鑽探事故,也為尋找新石油庫存的人們敲了警鐘:由於其鑽井船遇風暴擱淺受損,殼牌將無法如期在北極冰洋實行鑽探計畫;而BP則因其於2010年發生的墨西哥灣鑽油平台「深水地平線」漏油事件遭刑事罰款40億美金。然而,剛起步不久的純淨能源工業也有自己的問題:由於電動車市場規模無法擴大,麻省的鋰電池製造商A123 Systems已於去年十月宣告破產PanSci相關報導)。

–資料展現–

科學聲譽卓著之處就在於能自我修正。三月時, 科學家確定地反駁前一年所提出的–微中子可能跑得比光速快PanSci報導其他報導)。同時,許多實驗也反駁了2010年所聲稱的某種細菌的DNA中有「砷」相關報導)。

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但修正總不是每次都來得這麼快:當研究不是那麼容易重複,偏見和錯誤就可以存在數年。日本麻醉學學者Yoshitaka Fujii 營養學學者 Eric Smart 數十年的研究瀆職到最近才雙雙被發現而遭受譴責。諸多關於資料數據操弄的指控使心理學門遭遇特別嚴厲的指責,許多重量級人事因此辭職下台。科學家更廣泛地擔心無法重複的結果,為此,科學社群推動「可重複實驗倡議」,設置了獨立實驗室去重複重要研究成果的研究。

在今年,科學家應該多溝通且資料應該更公開的想法也獲得了重視(相關文章)。基於這個想法,兩個線上開放期刊 eLife 和PeerJ 啟動了,同時,開放進用研究論文的行動在英國有所突破,政府與私人研究贊助者在2012年七月時表示將會為期刊開放上線使用的政策付款,從2013四月份開始。

— 好奇號登陸火星–

「就是那個輪子!就是那個輪子!」,NASA的科學家們看著「好奇號」像在天空中盤旋的鶴一般優雅地登陸火星表面PanSci報導)時這樣歡呼著。好奇號在八月登陸火星表面的蓋爾撞擊坑(Gale Crater)後,就開始提供火星表面與大氣初步的影像與分析,但尚未發現任何甲烷或其他有機分子等與生命現象相關的跡象。

在太陽系外,克卜勒太空望遠鏡(Kepler Space Telescope)已經發現許多新的行星,大約蒐集到了三千個有潛力的新世界。而地面望遠鏡同樣也是搜尋系外行星工作的主力,近來已經在太陽系周遭4.4光年遠的人馬座α處發現一顆跟地球大小差不多的系外行星PanSci報導)。

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另外其他的太空斬獲如黎明號(Dawn)發現了灶神星(Vesta)上面存在水的證據PanSci報導),中國送出他們第一位女性太空人劉洋上太空

不過,今年的頭條並不是來自於政府,而是一間私人企業,SpaceX是間位在美國加州霍桑的太空運輸公司,在十月成功地送出第一發私人太空艙Capsule Dragon至國際太空站完成商業補給的任務PanSci相關報導),據說這家公司正在考慮是否也進行火星之旅

–地球有壓力–

夏天北極戲劇性的海冰融化破了氣候模型預測上的記錄PanSci相關報導),美國也面臨近半世紀以來最嚴峻的乾旱(PanSci相關報導),不過對於許多居住東岸的美國人來說,2012年十月的超級颶風珊迪PanSci報導、另一則報導)恐怕才真讓人對若有似無的全球暖化危機有感。這場造成500億美金損失的風暴也將話題導向究竟該如何適應可能性不斷攀升的極端天氣,而非該如何避免氣候變遷。

全球性的環境話題總蒙上經濟顧慮。六月的里約聯合國地球高峰會PanSci相關報導另一則報導)中,發展中國家認為不該限制他們的成長,而先進國家則不願意承諾對其發展的協助。即使代表團在十二月的杜哈氣候大會上同意將弱化版本的京都議定書延伸到2020,但相似的政治慣性依然發生

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個別國家自己對此有較大的處理空間,例如墨西哥在四月立法減排。雖然巴西在十月通過一項可能弱化森林保護的爭議性法案,但其亞馬遜雨林遭砍伐的速率已在2012年達歷史新低。澳洲則在六月發表一個世界最大的海洋保護區網絡計畫,不過這個環南極洲三大水域的國際保存計畫卻在十一月被打了回票。

加拉巴哥群島的最後一隻明星陸生巨龜寂寞喬治(Lonesome George)於六月辭世,他是他所屬亞種中的最後一隻,而他的辭世也喚起全世界對於瀕臨絕種物種遭受困境的注意。(PanSci相關報導

–科學家發聲–

過去當科學研究具有社會爭議時,科學家通常選擇沉默。但現在有越多的科學家選擇反擊,捍衛研究的價值。2012年五月,英國科學家們公開捍衛在小麥基因改造上的研究成果,原因在於一反基改團體「Take The Flour Back」揚言摧毀這些成果。

十月也有跨國的科學家共同聲援義大利研究團隊,該團隊被義大利法院判決六年徒刑,罪刑是誤判2009年拉奎拉(L’Aquila)地震的嚴重性。輿論也批評這項判決將會使得科學家不敢發聲、提供專業意見。(PanSci報導:123

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然而,有些議題,科學家依然保持沉默。緩慢但確定地,動物權行動者在2012年成功阻止多家貨運業者運輸實驗用動物,並且未遭遇有效的阻礙。

–人類百科全書–

人類基因組的3億個DNA鹼基中只有少於1%,也就是約2萬個基因參與蛋白質的編碼。不過大量的非編碼序列區域仍有其至關重要的功能,如在不同細胞類型中影響基因組的裝配、調節與解讀方式。

一個由440位科學家組成的ENCODE計畫(Encyclopedia of DNA Elements)團隊在九月發表30篇論文(PanSci相關報導),估計至少有20%的基因組可以影響基因表現。其他極具野心壓縮大量生物數據的計畫包括老鼠全腦的迴路圖譜的初步研究結果,及追蹤人腦內約900個解剖區內的基因活動

在細胞層次上,幹細胞的可塑性依然讓人驚艷。美國研究人員發現女性卵巢內的幹細胞似乎可以再生新的卵子,這違反了傳統教條所認為的女性出生就註定了他們一生配子的數量。而日本科學家則示範如何從老鼠身上取出幹細胞轉化成可繁殖的卵子,受精後再植入任代理孕母的母鼠身上,並且產生健康的後代。

–病毒研究的衝突–

兩篇研究報告顯示,高致病性的H5N1變異病毒可以在雪貂間互相傳染(PanSci相關報導)。這項結果造成國際緊張,部分認為這些報告提供了恐怖分子製作H5N1生化武器的可能性,或者因意外而使得這些可在哺乳類之間傳染的病毒外流(PanSci相關報導)。

2011年底,美國國家生化安全委員會(NSABB)建議這些研究不應該全文公開;然而有人批評這樣的審查制度將會阻礙科學研究的討論性,影響抗病毒藥物的研究。NSABB於2012年三月一改先前的態度,而兩篇報告也在五月六月相繼被發表(PanSci相關報導)。

然而爭議性仍持續著,政治人物批評美國政府太過輕率即讓研究發表;部分科學家則批評NSABB花太多時間做出決定。而現在美國立法部門也考慮加強限制這些病毒類的研究工作。美國國家過敏與傳染疾病研究所(NIAID)便提倡「自主性暫停」流感相關研究,同時也觸怒了渴望持續相關研究的科學家。(PanSci相關報導

–勒緊褲帶的一年–

2012年,富國紛紛裁減了公共支出,許多國家也緊縮研究預算。加拿大對其環境削減開支:關閉一系列研究計畫,包含已運作40年、著名的實驗湖泊區—安大略省的58個偏僻的淡水湖泊, 這個實驗湖泊區曾提供科學家們進行操作以研究汙染物輸入湖泊造成的影響。

延續去年刪減25%的研究經費,西班牙2013年的預算案,將邁入第四年持續刪減

在美國,去年科學家們擔心計畫經費將在2013年一個全面性的刪減中遭砍,NASA行星科學家為此舉辦了杯子蛋糕特賣會以凸顯航太領域收到日益減少的支持。

由歐盟提出、將於2014-20年間實行的大型科學研究計畫 “Horizon 2020″,其所提出的800億歐元預算案在11月遭駁回,並將於2013年繼續進行討論。

而即使在研究預算一年比一年高的印度,也感受到國內通貨膨脹的警訊,減緩了2012-13年的預算成長

但也不是每個國家的科研都面臨財政吃緊的窘境:中國政府在新的一年將多花近12.5%在科學研究預算上;採樽節措施的法國,仍想辦法調高了比去年多2.2%的經費給科學研究;德國聯邦政府撥更多款項給大學 (例如在柏林設立一所大型健康科學研究中心);美國的生技業也因公共市場投資者的參與而見到復興的曙光

–醫藥的發展–

美國食品藥物監督管理局(FDA), 自1999年以來, 第一次核準了兩款減重藥物上市,BelviqQsymia。也核准了Truvada,Truvada為第一款可預防愛滋病毒(HIV)感染的上市藥物。然而兩款抗阿茲海默症的抗體bapineuzumab和solanezumab,並未通過臨床試驗,雖然,某些試驗結果顯示solanezuma能減緩認知喪失的症狀。研究人員認為預防阿茲海默症於病之初可能是較為有效的策略,並冀望能於2013年建立早期偵測試驗。 2012年有許多重要的商業交易,

中國生化公司BGI以1億1千8百萬美元買下美國基因測序公司Complete Genomics,擊敗了競爭對手Illumina;美國生化大廠Amgen將以4億1千5百萬美元購買冰島生化公司deCODE Genetics;美國醫藥公司BMS(Bristol-Myers Squibb)和阿斯利康製藥(AstraZeneca)以53億美元共同收購生化公司Amylin;以及英國製藥公司GlaxoSmithKline以36億美元買下基因公司Human Genome Sciences。另外,許多製藥公司在美國被判決創下歷年紀錄的罰款

 

原文:366 days: 2012 in review-Nature News

Nature 492, 324–327 (doi:10.1038/492324a

譯文整理編輯自Taiwan EU Watch(1,2,3,4,5,6)

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E10 低碳汽油:台灣減碳新契機,為何我們應該接受?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/01/17 ・3468字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與美國穀物協會合作,泛科學企劃執行。

台灣將在 2040 年禁售燃油車。但別急,現在路上開的舊有車款不會馬上報廢消失,因為舊有的車輛會繼續開到年限結束。根據計算,當禁售燃油車的那一天來臨時,還有大約 60% 的車輛是燃油車。這時,在多數交通工具還是燃油的情況下,美國、歐盟等國已經開始使用酒精燃料來減少碳排放,那麼,台灣也能做到嗎?

你聽過 E3、E10 汽油嗎?

這是指在汽油中加入酒精,E3 代表有 3% 的汽油被酒精取代,而 E10 則是 10% 的汽油換成酒精。酒精是一種抗爆震性能更好的燃料,且比化石燃料更環保,因為它可以來自生質燃料,碳排放也較低。即便算上運輸和加工的碳足跡,用玉米製造的乙醇仍比傳統汽油的碳排放低了 43%。其實,在美國、歐洲、澳洲等地,E10 或更高比例的酒精汽油早已廣泛使用,這在我們之前的影片中也有提過。

現在,台灣有 14 間加油站可以加到 E3 汽油,而中油也正積極促使相關部門開放 E10 汽油的銷售。

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不過,在推動這項改變之前,仍有許多民眾對酒精汽油有疑慮。大家最關心的問題是,把不是汽油的燃料放到引擎中,到底會不會對車輛引擎造成不良影響?例如會不會影響引擎運行,甚至影響里程數?
其實,換燃料確實會對引擎有影響,因為不同燃料燃燒後所產生的能量與副產物都不一樣。但別擔心,根據我們之前的討論,2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。換句話說,除了少數舊車或特殊車型,約 95% 的汽機車都不需要擔心這個相容性問題。

2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。圖 / 美國穀物協會提供

E10 汽油在效能上的表現,會不會受到影響?

學過化學的人都知道,燃燒其實是一種氧化反應,可以用化學式表達。也就是只要汽缸的大小是固定的,就能算出空氣中能參與氧化反應的氧氣分子有多少,進而推算出每次汽缸燃燒時,應該搭配多少的燃料。

當引擎運作時,汽缸內的氧氣分子會與燃料反應,產生動力。為了最佳化效能,引擎的噴油嘴會精準控制每次的進油量,確保空氣和燃料的比例,稱為「空燃比」。接著調整噴油嘴的設定,讓出油量符合我們的需求。

每當空氣成分改變,燃料量或燃料的種類更換時,空燃比就會產生變化。在燃料相對空氣來說比較多時,我們通常稱為「富油」;相反的,如果燃料相比空氣來的少,就稱為「貧油」。如果我們把汽油換成百分之百的酒精,因為酒精每單位體積所需要的氧氣比較少,而且熱值比較低,因此會產生貧油現象,推力感受起來自然也會比較低。

要解決這個問題,方法其實不難,只要增加燃料量即可。而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。

而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。圖/美國穀物協會

這類交通工具被稱為彈性燃料引擎,顧名思義,能很彈性的使用汽油、E100 酒精汽油、或是任何比例的甲醇、乙醇、汽油的混合物。彈性燃料引擎跟一般引擎最大的差別,就是內建了「燃料成分感測器」。能透過判斷燃料的種類與比例,調整噴油嘴的出油量設定以及點火正時,讓引擎的輸出動力維持在最佳狀態,確保引擎效能不受影響。

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所謂的點火正時,指的是火星塞點火的時機。不同的燃料,化學反應的速度與膨脹的體積不同,當然會對應不同的點火時機。

但是 E100 其實也不是純酒精?

大家都知道,蒸餾酒需要經過多次反覆蒸餾,為什麼不能只蒸餾一次就好呢?原因在於,酒精與水的沸點雖然不同,但它們不完全互斥,會產生交互作用。在蒸餾過程中,即使酒精的沸點較低,水仍然會在加熱的過程中,隨著酒精部分蒸發進入容器中。

事實上,當酒精濃度達到 95.63% 時,不論再怎麼蒸餾,濃度也不會再上升。這是因為當酒精濃度接近這個比例時,酒精與水的沸點非常接近,這種現象稱為「共沸」,意思是酒精和水的混合物會一起沸騰,無法再進一步蒸餾分離。

共沸現象的結果,就是為什麼市面上銷售的藥用酒精,濃度最高都是 95%,而非 100%。因為更高濃度就必須使用脫水劑等方式處理,成本會提高,或是因為有添加物而不符合藥用標準。所以當然,E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。

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E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。 圖 / 美國穀物協會提供

解決迷思:酒精汽油是否容易因吸收水分,而產生油水分離?

事實上,酒精和水是高度互溶的,這使得高比例的酒精在汽油中有更高的水分耐受性。簡單來說,進入油箱的水氣,會溶在酒精汽油中而不會產生油水分離。

根據美國國家可再生能源實驗室的研究,即使在高溫高濕的極端環境下,E10 酒精汽油也需要經過三個月才會出現明顯的油水分離。而三個月也是一般汽油建議最長的保存時間,因為汽油放太久就會氧化。

也就是說,酒精與水混和物的特性,不是把酒精和水的相加除以二那麼簡單,它們的交互作用更加複雜。

一篇刊登在《國際能源研究期刊》的研究指出,在可變壓縮比引擎中的實驗結果,加入酒精後,引擎的功率會逐漸升高,在 E10 酒精時為最佳比例效果。

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當然,實際情況和實驗室當然不能直接類比。大多數汽車和機車並未專門為酒精汽油做調整,那這樣會有多大影響呢?根據英國政府的官方結論,直接使用 E10 汽油與一般汽油相比,每公升的里程數大約會降低 1%,但在日常駕駛中,這個差異幾乎不會被察覺。實際上,載貨量和駕駛習慣對油耗的影響,遠遠大於是否使用 E10 汽油的影響。

更好的一點是,酒精其實是一種常見的工業用品,以每美國為例,在過去一年中,酒精的離岸價格實際上都比汽油還低,因此不用擔心酒精會讓油價變貴。

此外,經過調校的引擎也不必擔心推力問題。事實上,F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。

F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。圖/unsplash

最重要的是,使用 E10 燃料的好處明顯更多。由於酒精和烷類燃料的分子式不一樣,酒精分子式中多了一個氧原子,這使得燃燒過程中反應會更完全,能夠產生更多二氧化碳而非有毒的一氧化碳,同時降低一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物的產生。

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最關鍵的一點,酒精與化石燃料相比,能夠更快速地幫助減碳。只要確保使用永續農法、不與糧食競爭土地的前提下,所製造的玉米乙醇,碳排量就是比化石燃料還要低。

E10 低碳汽油是填補減碳缺口的最快方案,挑戰只在接受度

英國引入 E10 後,每年減碳 75 萬噸,相當於減少 35 萬輛汽車的碳排量。而台灣呢?目前根據政策規劃,台灣 2040 年起將新售的汽機車全面電動化。依照這個目標進程,在 2025 年將達成減碳 288.6 萬噸的目標。然而,這距離運輸部門須減少 487 萬噸碳排量目標,還差 198 萬噸。

如果燃油車全面改用 E10 低碳汽油,則能減碳 202 萬噸,幾乎能完全彌補缺口。這項方案的優勢在於,E10 與一般汽油性質相近,不需更換新的引擎設計或架設特規加油站,執行門檻低。

實際上,目前推動低碳汽油最大的瓶頸,大概就是民眾對於這個新燃料的接受度了吧!如果接受度提升,購買量上升,成本也有機會進一步再下降。

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解密離岸風電政策環評:從審查標準到執行成效,一次看懂
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/21 ・3546字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 環境部 委託,泛科學企劃執行。 

政策環評是什麼,跟一般環評差在哪?

隨著公共建設的規模越來越大,傳統的環境影響評估(EIA),難以應對當今層層疊疊的環境議題。當我們評估一項重大政策時,只看「單一開發案」已經不夠,就像評估一棵樹,卻忽略了整片森林。因此,政策環境影響評估(SEA)應運而生,它看樹,也看森林,從政策的角度進行更全面的考量與評估。

與只專注於「單一開發案」的個案環評不同,政策環評更像是一場全面性的檢視,強調兩個核心重點:「整合評估」與「儘早評估」。簡單來說,這不再是逐案評估的模式,而是要求政府在制定政策時,就先全面分析可能帶來的影響,從單一行為的侷限中跳脫,轉而聚焦在整體影響的視角。無論是環境的整體變化,還是多項行為累計起來的長期影響,政策環評的目的就是讓這些潛在問題能儘早浮現、儘早解決。

除此之外,政策環評還像是一個大型的協商平台,以永續發展為最高指導原則,公開整合來自不同利益團體、民眾與各機關的意見。這裡,決策單位不再只是單純的「評分者」,而是轉為「協調者」或「仲裁者」,協調各方的意見看法在這裡得到整合,讓過程更具包容性。

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政策環評並沒有所謂的「否決權」,而是側重意見的蒐集與整合,讓行政機關在政策推動時,能更全面地掌握各方意見。政策環評旨在建立系統化、彈性的決策評估程序(包含量化、特徵化等評估方式),也廣納社會面或民眾滿意度等影響因子,把正式與非正式的作法一併考量進去。再來,決策程序中能層層檢討、隨時修正,也建立了追蹤機制和成效評估標準(如環境殘餘效應、累積效應等),透過學習來強化決策品質與嚴謹度。就像一場球賽,隨時根據變化、調整策略。

這樣的制度設計,就非常適合離岸風電這類規模大、跨區域、影響層面廣泛的能源政策評估,讓我們可以在政策推動初期就想到整個工程對環境、產業發展與社會的諸多影響,也為後續政策執行奠定更穩固的基礎。

政策環評並沒有否決權,而是重在整合各方意見、量化影響以及建立追蹤與修正機制,這樣的制度設計便適用於離岸風電等大型政策評估。圖/envato

離岸風電為何需要的是政策環評?

離岸風電是能源轉型的重要策略之一,但這不是只在某塊空地上架幾個風車,而是要在廣闊的大海中進行大規模建設,牽涉的不僅是發電,還涉及海洋保育、航空交通、水下文化資產等議題,更與當地漁民的權益息息相關。

這樣的大型離岸風電工程,因海洋環境的風險和不確定性極高,很容易讓人擔心生態影響。如何在海洋生態保護和綠能發展之間找到平衡點?這就需要政策環評的把關,從多方檢視這些複雜的挑戰,確保政策推行既能穩妥,又能達成發電目標。

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2016 年 3 月,經濟部自願提出「離岸風電區塊開發政策評估說明書」,是臺灣首次針對再生能源政策所進行的政策環評。根據這份評估說明書,政府將採分期公告、逐年檢討的方式,每三年開放 0.5~1 百萬瓩(GW)的電量額度鼓勵業者投入開發。當時環保署(現為環境部)歷經九個月召開 2 次意見徵詢會議,蒐集環評委員、專家學者、相關機關、民眾等意見,最終於同年 12 月的環評委員會作出徵詢意見。這些協商和檢討的過程,讓政策「名正言順」,得以充分顧及各方利益與生態平衡。

共通性環境議題與因應對策

在「離岸風電區塊開發政策評估說明書」中,環評會議盤點了開發過程中共通的環境議題。

首先,對於海洋生態保育的重點,特別是對中華白海豚的保護。環評會要求風機基座必須距離白海豚棲地1公里以上,以減少對其生態的干擾。實際上,這項規範在後續的實務執行中更為嚴格,例如,福海二期示範風場已退縮到 2.5 公里外,臺電二期風場甚至退到 4.2 公里外,顯示政策環評確實發揮了實質作用。此外,針對施工期間的聲音干擾,要求施工需有 30 分鐘以上的打樁緩啟動時間,並限制聲量不得超過 180 分貝等。

針對鳥類保育,政策環評也訂立了具體規範。其中,包括風機之間必須留設 500 公尺以上的鳥類穿行廊道,並在施工期間避開每年 11 月至隔年 3 月的候鳥過境期。同時,為確保這些措施確實生效,工程方也被要求設置「鳥類活動監測系統」,持續追蹤、評估風場對鳥類的影響。

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此外,環評會也確立了「先遠後近」的開發原則,要求優先開發較單純的航道外側區塊,待累積足夠經驗及相關資料後,再進行近岸區域的開發。這項原則考量了近海生態系的複雜性,也顧到養殖漁業的漁民權益,展現出政策環評在平衡發展需求與環境保護上的價值。

新一代的審查機制:達成能源轉型及環境保護雙贏

為提升環評效率並確保審查品質,環境部參考過去離岸風電審查經驗,制定「風力發電離岸系統開發行為環境影響評估初審作業要點」,建立了全新的二階段審查機制。

環境部推動二階段審查機制,提升離岸風電環評效率與審查品質。圖/envato

這套新機制分為兩個階段。第一階段,就像「初步檢查」,由環境部依照檢核表進行初審,並由環評審查委員會執行秘書邀集 2-5 位環評委員進行初審,通過第一階段初審之業者,可取得經濟部遴選資格,其初審結果有效期為兩年,必要時可申請展延一年。接著進入「第二階段」,開發單位檢附目的事業主管機關核配的容量證明文件等資料,提供更詳細的環境影響說明書以進行實質審查。

檢核表明確規範了 15 大項審查事項、112 項檢核項目,涵蓋開發案的全生命週期。

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工程面,包含風機及海上變電站基礎設置、海域電纜路線規劃、陸域設施工程等硬體設施的規範。其中,風機基礎設置必須避開海岸保護區、河口、潮間帶等環境敏感區域,且須進行地震危害度分析。海域電纜部分,除特殊情形外,埋設深度至少須達 1.5 公尺,且不得跨越中華電信海底電纜 1 公里的範圍。

環境保護上,檢核表則對施工噪音管制訂立了明確標準。舉例來說,打樁期間警戒區 750 公尺範圍內的水下噪音不得超過 160 分貝,且必須全程採用最佳噪音防制工法。同時,每個開發案或聯席審查的風場,同一時間內只能進行一支基樁施作,而日落前一小時到日出前也不得啟動新的打樁作業。

環境監測計畫更是檢核表中的重點,分為「施工前、施工期間、營運期間」三階段,每個階段都規定了詳細的監測要求(包括海域底質監測、水下噪音監測、鯨豚目視監測等)。以鯨豚監測為例,每年需執行20趟次,四季中每季至少執行 2 趟次。此外,所有監測數據都必須上傳至環境部「環保專案成果倉儲系統」(https://epaw.moenv.gov.tw/)供各界查閱。

這套標準化的審查機制不僅解決了「同一風場可能有多家廠商重複調查或審查」的資源浪費,也透過明確的檢核項目,讓開發單位在規劃階段就能掌握更具體的環境保護要求。不僅如此,該機制亦確保了環境保護標準前後一致,避免不同案件之間標準不一。

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結語

透過新的審查機制,環境部正積極推動再生能源開發案的環評審查作業,在提升行政效率之餘,也確保環境影響評估的品質,支持臺灣的離岸風電開發及國家能源轉型政策,也做好把關。藉由標準化檢核表和二階段審查制度,期待能在推動能源轉型的同時落實環境保護。

為確保制度能持續精進,環境部每半年至一年會進行制度檢討,並持續公開所有環評書件於「環評書件查詢系統」(https://eiadoc.moenv.gov.tw/eiaweb/)。此外,環評會議召開前一週,也必須在指定網站公布開會訊息,讓民眾能申請列席旁聽或發表意見。透明化措施一方面展現了政府推動永續發展的決心,另一方面也確保全民能共同參與監督離岸風電的發展過程。未來,這套制度將在各界的檢視與建議中持續完善,為臺灣的永續發展貢獻心力,發揮環評作業的最大效益。

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核融合發電有望實現?從美國 NIF 的最新研究看未來發展——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/05/13 ・3291字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 張博宇/目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

  • 美國國家點火設施(NIF)在去年使用慣性控制核融合,首次在可控的核融合反應中,令能量的輸出大於輸入,朝核融合產能邁進了一大步。
  • NIF 將 2.05 百萬焦耳(MJ)的雷射能量注入靶材,經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量,靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去,則並沒有真正的能量輸出。
  • 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究,期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去(2022)年 12 月,美國能源部(Department of Energy, DOE)、DOE 所屬的國家核安全管理局(National Nuclear Security Administration, NNSA)、勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL),以及 LLNL 所屬的國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)召開了一場記者會。

在記者會中,他們共同宣布在實驗中實現增益值(gain)大於一的結果,意即實現了第一次在可控的核融合(controlled nuclear fusion)反應中,輸出的能量大於輸入的能量,朝核融合產能邁進了一大步。然而,這項結果是否代表著核融合發電即將被實現?

產生能量的核融合反應

在核融合反應中,若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核,且反應之後的總質量減少,那麼根據愛因斯坦(Albert Einstein)質能互換的關係(E = mc2),減少的質量將會轉換成能量。

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最容易產生的核融合反應是將氫(1H)的兩個同位素氘(2H,或稱為 D)及氚(3H,或稱為 T)的原子核融合,產生一個 α 粒子(即氦原子核,4He)加一個中子(neutron, n),同時產生 17.6 百萬電子伏特(MeV)的能量:

D+ T+ α2+ n ——公式一

在公式一的核融合反應中,兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而,兩個帶正電的粒子互相具有排斥力,而且愈靠近排斥力就愈大。因此,除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞,核融合才能發生。除此之外,還必須要考量到庫倫散射(Coulomb’s scattering)的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞,則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此,只能把氘與氚氣體加熱到高溫,長時間侷限這些高溫的燃料,讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應,也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特(keV,約為 5.8 億 ℃)才能有最高的反應速率。

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有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢?看回公式一,氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子,及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能,但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統,目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV(約為 1 億 ℃),讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合(magnetic confinement fusion)與慣性控制核融合(inertial confinement fusion),NIF 去年的實驗便是使用間接驅動(indirect-drive)的慣性控制核融合。

在這次的實驗中,當 2.05 百萬焦耳(megajoule, MJ)的雷射能量注入環空器(hohlraum)1並加熱中間的球殼靶材後,經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量,意即靶材增益(target gain)約為 3.15 / 2.05 = 1.5,是人類首次在可控的核融合反應中,輸出的能量大於輸入的能量。

然而,若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去,需要耗掉的能量約為 300 MJ;換言之,這次實驗的真正能量增益(energy gain)約為 3.15 / 300 ≈ 0.01,並沒有真正的能量輸出。

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不過,NIF 使用的是 90 年代的雷射技術,它的建造目的是為了國防研究所需,因此並不是最適合核融合的研究場域,在雷射技術上還有很大的進步空間。再者,回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗,歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量,對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是,在去年的實驗中,靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿(burning plasma)範圍,是過去核融合研究從未達到的條件,只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此,這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統,在科學上及工程上都有許多的挑戰,許多名字上並沒有「核融合」的研究,其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例,相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說,也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然,最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究,因為任何材料在高溫的條件下,都會變成電漿態。 

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在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1~2 位老師在研究電漿相關的領域,尤其成功大學的太空與電漿科學研究所,更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而,相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比,臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果,能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究,更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時,原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核,形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態,稱為電漿(plasma)。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿,目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合,它們的原理有哪些不同?

磁場控制核融合

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熱核融合反應器。圖/科學月刊。

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」(tokamak)的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流(plasma electric current),在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線(helical magnetic field),讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動,被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後,再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度(接近真空)的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間,讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零,所以離開系統需要時間,只要燃料在離開系統前反應完畢,那是否被持續侷限就不重要了。

因此,慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV,並壓縮到高壓力(約千兆大氣壓,gigabar)及高密度,讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升,增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持/侷限在奈秒(ns)內,同樣能將燃料燒完。

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慣性控制核融合可分為直接(direct drive)或間接驅動,不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時,核融合反應便會從中心開始發生,產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

因為球殼本身的慣性向外推,因此產生能量。圖/科學月刊。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓,外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少,因此球殼又會被向外推。然而,因為球殼本身的慣性,被向外推較為耗時,因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度,便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡,產生能量。

註解

  • 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔,在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器,再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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