傳統鋼鐵業是碳排大戶！綠色鋼鐵是什麼？打造零石化的永續鋼鐵有可能嗎？又有哪些挑戰需要克服？

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放？這怎麼可能？

2023 年 11 月，台電和中研院共同發表去碳燃氫技術，說是經過處理的天然氣，燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒，減碳方式百百種，就是這個聽起來最怪。但仔細研究後，好像還真有這麼一回事。這種能發電，又不產二氧化碳的巫術到底是什麼？大量使用天然氣後，又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的？

去碳燃氫是什麼？

去碳燃氫，指的是改良現有的天然氣發電方式，將甲烷天然氣的碳去除，只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前，我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

最近不論台灣、美國或是許多國家，都提升了天然氣發電的比例，但天然氣發電真的有比較好嗎？

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告，若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料，並以燃燒率百分之百來計算，燃料每釋放一兆焦耳的能量，就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣，則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳，大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中，不只有碳元素會提供能量，氫元素也會氧化成水並放出能量。

除了碳排較低以外，煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質，燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ，或是溫室效應的另一主力氧化亞氮（N2O）。具體來說，產生同等能量下，燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然，也別高興這麼早，天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體，一但洩漏問題也不小。關於這點，我們放到本集最後面再來討論。

燃燒天然氣還是會產生二氧化碳？

雖然比較少，但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式，不才是我們的終極目標嗎？別擔心，為了讓產生的二氧化碳量減到最小，我們可以來改造一下甲烷。

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下，甲烷就會和水蒸氣反應，變成一氧化碳和氫氣，稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上，都是用此方式製造的，也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳，還可以在銅或鐵的催化下，與水蒸氣進一步進行水煤氣反應，變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純，只有氫氣與二氧化碳，因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少，也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼？

即便我們能將甲烷蒸氣重組，但只要原料中含有碳，那最終還是會產生二氧化碳。那麼，我們把碳去掉不就好了？去碳燃氫，就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣，而留下來的碳黑，也就是固態的碳，可以做為其他工業原料使用，提升附加價值。

在氫氣產業鏈中，我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫，而搭配碳捕捉技術的氫，則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫，例如搭配太陽能或風力發電，將水電解後得到最潔淨的氫，則稱為綠氫。而介於這兩者之間，利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫，則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫，重點是如果真的不會產生二氧化碳，那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術，聽起來應該也不會太難吧？畢竟連五◯悟都可以一分為二了，甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳？

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢？

很簡單，加溫就好了。

只要加溫到高過攝氏 700 度，甲烷就會開始「熱裂解」，鍵結開始被打斷，變成碳與氫氣。

等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解，划算嗎？

甲烷裂解確實是一個吸熱反應，也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式，一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量，才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後，會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對，直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況，中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電，與先去碳再燃氫的方式相比，發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳，發電量下降了，但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢？

在近二十幾年內，科學家嘗試使用各種材料作為催化劑，來提升反應效率。最常見的方式，是將特定比例的合金，例如鎳鉍合金，加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金，與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實，鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下，轉化 95% 的甲烷。

中研院在 2021 年 3 月，啟動了「 Alpha 去碳計畫」，進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現，盡管在理論上行得通，但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣，熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體，不斷從表面冒出，需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此，即便理論上可行，但熔融合金的催化方式，還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎？

有趣的是，找了好一大圈，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊，你卻不知道它正在等你的那個催化劑，碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年，才有韓國團隊，嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

他們在高溫管柱中，裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現，在 1,443 K 的高溫下，能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一，因此整個裝置除了碳鋼容器以外，只有碳與氫參與反應，不僅成本低廉，要回收碳黑也變得容易許多。

目前這個裝置需要加緊改良的，就是當碳不斷的積蓄，碳粒顆粒變大，反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料，會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後，我們回頭來談談，在去碳燃氫技術逐漸成熟之後，我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主，還是雙面刃？

去碳燃氫後的第一階段，還是會以天然氣為主，只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺，氫氣則為每秒 2.9 公尺，有著更劇烈的燃燒反應。因此，目前仍未有高比例氫氣的發電機組，氫氣的最高比例，通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連，使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠，使用 5 % 氫氣的示範計畫，並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計，光是 5 % 的氫氣，就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

但隨著天然氣的使用量逐步提高，我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應，是不可忽視的！

根據 IPCC 2021 年的報告，若以 20 年為評估，甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍，以 100 年為評估，效果為 29.8 倍，是僅次於二氧化碳，對於溫室效應的貢獻者第二名。這，不可不慎啊。

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏，加上運輸時的洩漏，如果沒有嚴格控管，我們所做的努力，很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究，發現從 2012 到 2018 年，全球的甲烷排放量增加了 60 % ，從煤炭轉天然氣帶來的好處，可能因為甲烷洩漏而下修。當然，我們必須相信，當這處漏洞被補上，它還是能作為一個可期待的發電方式。

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明，以長期來看，由煤炭轉為天然氣，確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒，天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源，千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜，為什麼不直接發展綠氫就好了？

確實，綠氫很香。但是，綠氫的來源是電解水，而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水，因此若要大規模發展氫能，通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外，綠氫本來就是屬於一種儲能的形式，在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前，當然直接送入電網，還輪不到拿來產綠氫。

相比於綠氫，去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排，並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備，就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然，除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等，都還沒介紹呢！

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外，也可以觀看這個介紹白氫的影片，一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它，會是下一個能源救世主嗎？

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• https://research.sinica.edu.tw/methan…
• https://www.sciencedirect.com/science…
• https://unfccc.saveoursky.org.tw/nir/…
• https://www.science.org/doi/10.1126/s…
• https://link.springer.com/article/10….
• https://www.nature.com/articles/s4146…
• https://www.nature.com/articles/s4155…
• https://www.scimonth.com.tw/archives/…

攸關生存的金屬

金屬具有完全不見於其他材料的種種特性。有些十分堅硬、強韌，適合用來製造工具，武器或結構零件，好比釘子或完整大梁。不過金屬也具有可塑性，不像陶瓷那麼酥脆——金屬受壓時會變形，不會碎裂，還可以拉成細絲，能用來固定、製造圍籬或傳導電力。多種金屬還能抗拒非常高的溫度，是打造高性能機器的理想材料。

你在「大墜落」過後，必須盡快重新養成的能力，不只是掌握用鐵，還得加上鐵碳合金：鋼。鋼含有鐵、碳混合原子，而且遠遠超過各部分的加總。把碳原子納入，大幅改變了金屬的特性，而且你可以因應不同用途，改變碳原子比例，從而控制鋼的強度和硬度。

我們到後面才會檢視，該如何從無到有，開始製造鐵和鋼，因為緊接災後，你肯定很容易就能撿到鋼鐵材料。只要重新學會鐵匠的傳統技能，這些撿來的品項，也就可以活化再利用：在平爐（編按：有蓄熱室的煉鋼爐）或鍛造爐上的砧板一邊處理作品，一邊讓它保持灼熱，同時也用鎚子和鐵砧改造外形。綜觀整段文明史，人類之所以有辦法利用堅硬的鐵，理由便在於，鐵受熱會暫時改變物理特性，質地軟化並具展延性，得以搥打塑造成形，輾軋成薄片或者抽成管、線。這很重要，因為這表示，你可以使用鐵製工具來處理鐵材，製造出更多工具。

如何加工鐵器

用鐵製造工具，最重要的知識就是有關於如何讓鐵硬化的原理——淬火和回火。要讓鐵硬化，可以把它加熱至火紅，好讓內部鐵碳晶體，轉化為硬組態的同素異形體（編按：同一元素因為分子式排列方式不同而有不同的物理形態，但化學生質相似）（它沒有磁性——這可以在加熱時檢測）。不過隨後若是讓它緩慢冷卻，這種晶體就會恢復原來形式，所以必須急速冷卻，才能得到你想要的。採淬火加工，再把高熱鐵件泡進水中或油中。然而堅硬的物質也會很脆——易碎裂的鋼鎚、劍或彈簧都毫無用處——所以製品淬火之後還必須回火。這種做法是再加熱，維持較低溫度一段時間，讓某個比例的分子結構鬆弛開來——刻意犧牲材料的部分強度，換回一些柔軟度。你可以經由回火來調節鐵的材料特性，而這就是因應功能來需求改造金屬的基本要點。

還有一項重要技術到比較晚近才發展成形，那就是銲接，用已融金屬來膠合金屬。乙炔能產生的熱度，凌駕所有可燃氣體，在氧氣流中的燃燒溫度超過攝氏三千二百度。要產生銲接氣炬，可以經由一支點燃的噴嘴，分別控制加壓氧和乙炔氣流。純氧可以藉由電解水取得，或者往後將液化氣體分餾後來取得。乙炔可以取水與碳化鈣塊相互反應後釋出，而碳化鈣本身，則是取生石灰和木炭（或焦炭）一起擺進火爐加熱生成，這兩種物質我們已經介紹過了。除了膠合金屬，氧乙炔火燄還能做為鋼鐵的切割氣炬，產生氧氣噴流來燒熱金屬，再切出整齊的線條。

電弧銲機所產生的溫度還更高，約可達到攝氏六千度——如舞動閃電的威力。串接一批電池或使用一台發電機，就能產生充足電壓，持續觸發火花（或電弧），躍過目標金屬和碳電極的間隙，讓電極在金屬表面移動，就能銲熔或切割。這種臨時湊合的氧乙炔氣炬或電弧切割機，是拾荒小組奉派進入死寂城市時不可或缺的設備，可以用來拆解廢棄殘骸，拾回最有用的物資。使用電弧爐是熔解廢鋼料，回收再利用的有效做法。電熔爐基本上就是台巨型電弧銲機，電力從大型碳電極湧現，通過金屬並熔解，裡面還有石灰岩助銲劑，用來去除雜質，表面化為熔渣，熔鋼則如水壺倒水般傾倒出來。使用可再生電源來運作的電弧爐是一門必須掌握的重要技術，這樣才能紓解末日後世界對熱能燃料的需求。

不過取得金屬物資的能力，只做對一半，你還必須能夠熟練處理這類材料，依你所需樣式打造成形。假使你找不到還能操作的工具機，那麼你有多少機會，可以從頭製造出新機具？

製作小型工作室

一九八○年代，一位機械師提出了一項優雅的例證，他打造出一個支具齊備的五金工作坊——包括車床、金屬成型機、直立鑽床和銑床等一應俱全——材料不過就是黏土、沙、木炭和幾塊廢金屬。鋁是個不錯的選擇，因為鋁熔點低，方便鑄造，而且非常不容易腐蝕，因此就算在末日災變過後許久，依然可以找到。

這項出色計畫的核心是個小型鑄造設備，撿來的金屬桶，裡面鋪了一層黏土耐火內襯，使用木炭焙燒，並從桶側導入氣流來強化燃燒作用。用這台火爐熔化撿來的鋁，已經綽綽有餘，接著就可以把熔融金屬倒入模範裡，鑄造出五花八門的機具零件。外範的製造原料可以採用細沙混入黏土（做為黏著劑）並添點水，接著讓它緊緊包覆內模，外框則是個兩件式木盒。

以下影片，示範了如何用生活中可見的器具製作一個小型鑄造廠，並在融化鋁罐後，用沙範創造出五花八門的器具。

要打造的第一台機器是車床。簡單的車床含一件平坦長梁，稱為床座，頭座固定於一端，另一端則是尾座，能鬆開鎖具並沿著床軌左右滑動。工件裝置於頭座上的心軸——或栓在面板上，或以可動爪夾頭鉗住——接著整個工件由一套滑輪或齒輪系統帶動，繞著這個中心軸旋轉，至於原動力就看你已經駕馭了哪些類型（水車、蒸汽機或馬達）。尾座可以用來支撐工件的另一端，並能因應不同長度沿著床座滑動，也可以裝上鑽頭等工具，於是你就可以旋轉工件並沿著中心軸線鑽孔。車床還有個刀座，上面安裝切削工具，同樣能沿著床座滑動，由於採用橫滑台，能精準調校工件位置，邊轉動邊切削，雕琢出合宜的剖面。最令人稱奇的是，這台車床不只能夠複製出它本身的所有零組件，打造出更多車床，而且當你憑空徒手製造這第一台車床，還在初步階段之時，已經可以利用它來打造出其餘必要零件，完成這項設備。

為了能在工件上切出精確螺紋，你必須沿著床座方向安裝一根長條導螺桿，就能順暢移動刀座，而且最好是與頭座、心軸的齒輪耦合，讓雙方動作完美協調。你在末日後世界真正得期盼能撿到已經做好的長條導螺桿，因為要切削出螺距固定的螺紋，可說難如登天。依我們的歷史經驗，第一道精密的金屬螺紋是歷經反覆改良，走過漫長進程，才終於打造成形，接著才以此製造出其他眾多成品，你肯定希望不必再次走過這趟路程。

一旦車床到手，你就可以運用它來製造組件，完成其他遠遠更為複雜的工具機，好比銑床。車床的用途是利用車刀來處理在夾頭上旋轉的工件，銑床則是用轉動車刀，切削固定在夾頭上的工件，具有十分廣泛的功能——有了銑床之後，你大致就能打造出其他零件。所以這項示範，也就相當於技術史的縮影：簡單的工具製造出比較複雜的工具，包括自己的進化版，並反覆這個循環，一步步向上推展。

從礦石中分離金屬

不過萬一你找不到純化金屬供鍛造或鑄造，或者你能撿到的都已經用光了呢？你該怎樣從岩石煉出金屬？冶煉的原則是去除礦石中金屬化合物的氧、硫或其他元素。這必須消耗一種燃料來達到高溫，還要一種還原劑和一種助熔劑。木炭（或焦炭）是發揮頭兩樣功能的極佳用料，它能燒出猛烈火燄，在熔爐中燃燒時，還會釋出一氧化碳，這種強效還原劑能去除氧氣，留下純金屬。簡陋煉鐵爐的藍圖，看來就像燒製石灰的窯爐設計。爐內裝填了一層層木炭燃料和粉碎的鐵礦石。礦石混入一些石灰岩，做為助熔劑來降低耐火脈石（無利用價值的固體礦物）的熔點，讓它在爐內化為液體並吸收金屬雜質。助熔劑形成熔渣並流掉，於是你就可以從爐中提取純金屬珍寶。

倘若熔爐的運作溫度，達不到足以熔鐵的高溫，那麼你就必須取出海綿團狀固體金屬，擺在鐵砧上搥打，讓鐵融合在一起並打出殘留熔渣。這種純熟鐵還不夠堅硬，不能用來製造工具，必須再次用木炭猛烈加熱，吸出一些碳並形成鋼材，接著又一次擺上鐵砧處理。這樣反覆摺疊、打扁，基本上就是在攪拌固態材料，產生出均勻的鋼材，最後便可以拿來鍛造成最後形式。這是會令鐵匠腰酸背痛的苦工，而且鋼材產量也嚴重受限。發展出現代文明的關鍵，是養成有效大量製鋼的產能。底下就告訴你該怎麼做。

解決之道是強力鼓風讓空氣向上流過層疊爐料，增強燃燒。中國人在公元前五世紀就發明了鼓風爐（比歐洲早了一千五百多年），隨後並改良設計，使用水車驅動活塞風箱。為達到更高效能，加熱到更高溫度，可以使用從熔爐煙道逸出的高熱燃燒廢氣來預熱空氣，鼓風入爐。鼓風爐中剛熔煉完成的鐵材吸收了許多碳原子，於是熔點便降到攝氏一千二百度。金屬液化從爐底流出，沿著地面的溝渠，再注入一列鑄範。最終成品就是生鐵（pig iron，直譯為「豬鐵」）——起這個名字是由於，中世紀鑄造工匠認為，那一個個鑄範，看來就像一窩新生小豬依附著母豬吸奶。

這種含碳量高的鐵，熔點降低了，必要時可以重新熔解，像熱蠟一般倒入範中。因此鑄鐵工序變得非常便利，能快速鑄造出種種品項，如鍋子、管路或機械組件等，維多利亞時代的人，還製造出許多鑄鐵大梁。不過鑄鐵有一項嚴重缺陷：由於含碳量高，質地很脆，舉例來說，鑄鐵橋梁有個缺點，一旦結構元件受力彎折或拉伸，整座橋梁往往就會崩塌。

後來是一項革新發明，才真正使工業革命後期不斷發展下去，採這種做法，就能把鼓風爐所煉出的生鐵，輕鬆變換成鋼材。就碳含量而言，鋼的比例介於純熟鐵和酥脆的生鐵或鑄鐵（3–4％）之間，從約含0.2％碳，用來打造機器齒輪或結構鋼材的堅韌鋼料，到約含1.2％碳，用來打造滾珠軸承和車床切削工具的堅硬鋼料。所以你該怎樣脫除含碳生鐵？

貝塞麥煉鋼轉爐（Bessemer converter）是個梨狀巨桶，內襯耐火磚，安裝在支軸上，因此桶子可以傾倒。先熔融生鐵，注入容器，隨後從桶底幾個開孔把空氣打進桶內，和冒出氣泡的水族箱幫浦增氧機相似。額外的碳原子和氧反應，化為二氧化碳逸出，其他雜質也經氧化，合成熔渣後清出。這裡有個很幸運的現象，碳原子燃燒時會釋出充分熱量，讓鐵裡外都保持熔融狀態。

這時會遇上難題，因為熔煉時必須把碳原子成分幾乎全部去除，卻仍得留下將近百分之一，實際操作時，很難準確判斷。掌握最後成分的訣竅，要靠事後反溯法，先進行轉化，直到你有十足把握，肯定所有碳原子都已經去除，接著就把你想放回純鐵裡面的最後碳原子依比例混入。這種貝塞麥煉鋼法是史上頭一種廉價的大量煉鋼法，你最好是盡快蛙跳返回這個時間點。

如果你所知道的文明已經不存在了，你要如何在新世界活下去？跳過原始生活，利用知識再開啟明治維新、工業革命，而末日後的新文明，會是什麼樣的文明呢？來自科學家的末日狂想，形成一本事事未雨綢繆的科普之書。《最後一個知識人》，臉譜出版。

本文由 VOLVO 委託，泛科學企劃執行。

你知道嗎？光是鋼鐵產業就佔全球碳排放量的百分之九。據國際能源署（IEA）的報告，2019 年，鋼鐵業的直接碳排放量已超過水泥和化工產業，成為碳排放的大戶。更糟糕的是，在未來的 30 年中，全球對鋼鐵的需求量預計將增加 1.5 倍。

鋼鐵產業是高耗能產業，因此會產生大量的碳排放。此外，鋼鐵生產的「原料」中也包含大量的「碳」，這使得鋼鐵產業很難完全擺脫碳排放。

然而，難題也會成為契機。如果我們能找到新的製程，開發出低碳甚至零碳的煉鋼新技術，那麼我們不就能夠一口氣減少全球大量的碳排放了嗎？

傳統鋼鐵如何製成？為何會產生大量的「碳」？

在探討傳統鋼鐵如何改變製程、達到減碳的目標前，我們先簡單了解一下鋼鐵的煉製過程。從地殼中開採出來的鐵礦通常含有各種鐵的氧化物，而在氧化物被還原成鐵的過程中，需要加入焦炭來把氧化物的氧拿走。在高溫下，焦炭會先變成一氧化碳，接著與熔融鐵礦中的氧化鐵進行反應，形成二氧化碳和生鐵。生鐵中含有部分的碳成分和其他雜質，需要進入轉爐中進行高溫處理，才能煉成各種鋼材。

要達到煉鋼所需的高溫，還需要燃燒大量的化石燃料，排放大量二氧化碳。在氧化鐵的還原過程中，使用焦炭也會產生額外的二氧化碳。因此，平均每產出一公噸鋼就需要排放快兩公噸的二氧化碳，相當於鋼材自身重量的兩倍。

目前，鋼鐵工業的能源依賴性仍有 75% 是煤炭，這種依賴化石燃料的現狀絕非減碳目標的好消息。國際能源署估計，為達成目前設定的減碳目標，鋼鐵產業至少需要在 2050 年之前將碳排放量砍半。

但鋼鐵是許多基礎建設的基石，對鋼鐵的需求估計只有增加、不會減少。目前全球鋼材回收率已達 90%，仍無法滿足鋼鐵不斷增長的需求；傳統製程的能源效率經過不斷地改良，也已達到技術上的極限。這該如何解決呢？

近十年來，一些鋼鐵企業開始引進碳捕捉技術，利用特殊材料吸附二氧化碳並儲存，供化工產業作為原料，或冷卻後封存到地底。如此一來，就能避免排放到大氣中。

然而，因為煉鋼廢棄的組成非常複雜，目前的碳捕捉效率也無法做到百分之百。要實現 2050 年的碳中和目標，勢必就要去思考解決煉鋼技術的創新議題。阻止全球暖化腳步刻不容緩，歐洲有幾家企業想到了新方法，運用潔淨的氫氣來煉鋼。

零碳排煉鋼？氫氣的成本是挑戰

提到煉造零石化鋼鐵，就必須拋開傳統使用焦炭還原氧化鐵的方法。這種方法以氫取代焦炭作為還原劑，反應完成後，氫氣就會氧化成水蒸氣，完全不會產生二氧化碳，真正實現減低碳排的目的。

然而，氫氣要從哪裡來？目前工業上最廣泛使用的製氫方法就是從天然氣中提取，過程中不可避免的也會排出二氧化碳。因此，真正想要朝減低碳排邁進，就必須使用綠能來電解水，產出「綠氫」。

不過，綠氫煉鋼要面對的第一個現實問題就是資金投入的大量成本。由於電解水產氫的能源消耗差不多是固定的，因此綠氫的價格可以說和綠能的價格直接相關。根據歐洲議會的報告指出，現有綠氫的價格大約落在每公斤 3.6 到 5.3 歐元。相較之下，由天然氣提取氫氣的成本約每公斤 1.5 歐元。

雖然綠氫的價格高了兩三倍，但是在同一份報告中，歐洲議會也提到由於綠能的價格持續下修，綠氫價格已經在過去十年內已經下降了 60%，並且很有機會在未來持續下降。保守估計，綠氫價格有機會在 2030 年降至每公斤 1.8 歐元。到時候，綠氫煉鋼的成本只會比煤炭煉鋼高出不到 10%。

因此，相較於碳捕捉或其他新型態煉鋼技術，綠氫煉鋼的技術和成本皆較為樂觀，是各界目前較看好的零碳鋼鐵解決方案！而且也早就有企業著手開始設置生產計劃。

在 2016 年，位於瑞典的鋼鐵廠 SSAB、便和能源公司 Vattenfall 與鐵礦集團 LKAB 聯手開啟了 Hybrit 計畫，預計透過綠氫和綠能，完全排除化石燃料的使用，走向綠色鋼鐵的新挑戰，目標將瑞典全國的碳排放減少 10%。

在製程中，除了改用綠氫進行還原反應之外，煉鋼過程中也不再透過燃煤加熱，而是採用電弧爐，用綠能產生的電弧放電，來產生煉鋼所需的高溫。

2020 年，Hybrit 計畫設立了首間完全零化石燃料的試驗煉鋼廠，並在僅僅一年後產出了第一批零石化鋼鐵，預計在 2026 年開始進行商業規模的大量生產，可以說是領先全球的零石化程表。而且，Hybrit 計畫在 2021 年生產的首批零石化鋼鐵可不只是做出來展示用的，這批別具意義的鋼材已經交付給瑞典車廠 VOLVO，拿來打造未來的環保低碳汽車。

踏出世界的第一步：VOLVO 零石化鋼材車

在汽車生產過程中，鋼鐵是碳排放的主要來源之一。依據 2021 年的資料，製造一輛 VOLVO 汽車所需鋼材產生的碳排放量佔整體製程中的約 33%。

但目前 VOLVO 旗下車款都已開始著手使用零石化鋼材，成為全球首家運用零石化煉鋼製程的汽車製造商。雖然零石化鋼材的使用率尚未達到百分之百，但 VOLVO 已簽署 SteelZero 倡議計畫，支持無石化煉鋼的製程。並承諾在 2030 年達成這項協議中，對鋼鐵採購的嚴格要求，以在 2050 年前完成採購的鋼材皆要「乾淨、零碳」為目標。

此外，VOLVO 也計畫在 2030 年達到所有車款都百分之百不使用動物皮革，降低對畜牧業的需求，減少溫室氣體的排放。

除了在工藝選材上的用心，VOLVO 也透過供應商管理、生產製程、轉型電動化等各種方式貫徹友善環境與永續經營。像自 2008 年起，VOLVO 在歐洲的所有工廠都開始使用水力發電所提供的電力。到目前為止，全球工廠已使用超過 80% 的碳中和電力。

最關鍵的是，VOLVO 產品本身的全面電氣化目標，所有車款都有電動版本可供選擇，並目標在 2030 年成為純電動汽車品牌，以達到《歐洲綠色新政》設下的 2050 淨零排放目標。

總結而言，綠色鋼鐵是實現零石化的永續鋼鐵生產的關鍵。雖然面臨著一系列挑戰，但只要政府、企業和大眾共同努力，我們有信心打造一個更加環保、永續發展的未來。VOLVO 作為汽車行業的領頭羊，將繼續挑戰永續創新，成為更環保的典範。