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永久磁鐵發電機:被打壓的替代能源或是熱門網路騙局?

洪朝貴
・2013/04/01 ・3678字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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[P編註:經社群反饋,本文具有高度爭議性,但為了促進討論,我們將保留此文,以及所有相關討論]

一般馬達把電能轉換成動能; 如果把馬達裡面的電磁鐵換成永久磁鐵,有可能讓它自動不停轉動並且反過來產生電能嗎?還是根本就只會鎖死在一個固定的位置?多處報導有人發明不需要能源輸入的發電機,最後卻都沒有大量商品化,這是因為能源產業害怕被顛覆所以打壓, 還是因為這些報導以及 Youtube 影片全是騙局呢?

[影片: 利用永久磁鐵製作出來的永動機器?]

眼見政府威脅: 核四不商轉, 後年起就要限電, 既怕死又愛享受電力的貴哥忍不住上網搜尋 「free energy」。 其中有一類的影片讓我特別感到好奇:「magnetic generator」。這類的影片宣稱 (或暗示):只需要把幾塊永久磁鐵放置在正確的位置,透過彼此之間的吸斥, 就可以產生源源不斷的動力。其中 「Perpetual Magnetic Generator」 (本文內嵌影片) 跟 「Free Energy step by step」 兩片解釋得最清楚。 [如果 Youtube 影片莫名奇妙沒辦法看的話 (謎之音: 是貴哥自己家裡該換 ISP 了吧?) 本文提到的影片都 映射在這裡, 檔名與標題對照表在 listing.php。 如果您也有點相信陰謀論的話, 請一起參與備份這些影片並分享連結; 後詳。] 另外,這一部 「free energy generator – outside – filmed in one take」 最奇特: 一方面它的裝置簡單到不可能 — 它的發電配備甚至不包含會動的零件 — 另一方面它在野外一鏡到底, 在所有的影片當中, 說明 「我沒有作弊哦!」 的誠意最夠。

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先暫停一下, 讓我解釋為什麼本文不想討論 「產生能量大小是否實用?」 的問題。 本文要問的重點是: 像這類以磁鐵的方式, 造成 「能量無中生有」 的現象, 到底是否可能? 答案有三種可能性:

  • A. 不可能。 (這一切都是騙局。)
  • B. 可能。 (這裡面有一些影片是真的。)
  • C. 這裡面有一些影片是真的; 但這種運作方式會消耗磁鐵或地球的能量 (或質量), 所以其實並不違背能量守恒定律 (或質能守恒定律)。

從物理學的角度來看,B 跟 C 之間當然有 「會不會動搖國本」的天壤之別 (我也很有興趣想知道);但是對於志在解決生活問題的工程師,還有主張以替代能源取代核電/火力發電的環保人士來說,C 已經跟 B 一樣足以令人興奮了 — 不論是 B 或是 C, 總之它都將撼動社會結構、徹底改變一般人的生活。 因為,如果答案是 B 或 C 的話,雖然大部分影片所展示的能量都很低 — 只夠克服摩擦力或點亮一顆 LED — 但其實後續的 「改進設計、放大產能、讓它變得實用」,這些都只不過是工程與技術問題而已,都是可以克服的 (而且絕對比核電安全、便宜、環保、民主多了)。

Rickoff 撰文詳述 Rick's pipe dream 的建構步驟

回到真實性 (A vs. B/C) 的問題。 網路上有許多支持 B/C 的資料:

  1. 1980 年的 Science & Mechanics 雜誌報導: Howard Johnson 發明磁力電動馬達 (magnet-powered motor)。 到了 1995 年,他為此總共取得三個美國專利。 這一頁搜集雜誌文章、專利全文、及他人評論。
  2. 澳洲的電視臺 Sky News 有一則報導: 440% over unity magnetic motor home generator簡中字幕), 說澳洲發明家 John Christie 及 Lou Brits 發明了磁力發電機 「lutech 1000」。 這一頁搜集了很多相關文章 (包含發明者自己、 支持與反駁的文章)。
  3. 一位 Rickoff 在 Howard Johnson 的專利過期之後, 把自己成功實作的心得寫成一份一百多頁的 pdf 文件 “Rick’s Pipe Dream” 詳細描述如何用舊硬碟內的磁鐵 (在文件內搜尋 “hard drive”) 建構一個磁力電動機 (magnetic motor-generator)。 他特意選取日常可取得的零件及工具, 並強調知無不言, 希望別人能重複他的實驗。

「如果真的那麼好, 為什麼主流媒體沒有報、 學校沒有教、 產品一直沒有量產呢?」 因為, 這會讓既有的強大能源產業連根拔起。 從既得利益者的角度來看, 當然一定要封鎖並抹黑這種技術跟知識。 這樣的陰謀論不斷地在各個地方出現。 也請搜尋 「nsa Mylow」: 一位 Mylow 上傳影片到 Youtube, 卻被美國國家安全局 (NSA) 要求撤下。 這個案例最有趣之處在於: 不論他的影片是真是假, NSA 的涉入看來確實是真的, 這意謂著…? 貴哥長年推廣 開機隨身碟 對抗 微軟垃圾化舊電腦的企圖 令專業無奈的蘋果電子書包,再加上 資安專家分析美國 DHS 與 TSA 的企圖 基因專利控制世界 等等爬文經驗之後, 完全相信 「龐大邪惡勢力控制人類社會的陰謀」並不是一個論點, 而是確確實實的存在。 很多時候,教育體系甚至是它的 (知情或不知情) 共犯 (例如, 請搜尋 「office 證照卓越」) 更怎能期待學校傳授完整的事實? 如果 B/C 是事實 — 如果真的可能做出 MPM 或 MMG, 進而危及能源產業的龐大利益的話 — 那麼夠成功的案例絕對會遭受打壓。(或者最起碼會被忽略, 例如: 「劉興欽發明波浪發電, 台電拒用」。)

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但是另一方面,陰謀存在的事實, 並不足以證明 B/C 就是真的。 我又反過來搜尋 「magnetic generator hoax」 以及 「magnetic generator scam」。 看到最完整的一篇文章是 這一篇。 (另一篇 只針對一兩個個案, 而且有一點 打稻草人 的味道。) 不過其中解釋最關鍵的概念 「要打破原本磁場的能量, 跟當初造成這磁場的能量是一樣的」 最後卻以這一句結尾: 「這個觀念不容易理解。 要解釋可能得寫上幾百頁; 要學會可能得花上幾個星期。」 這跟它所挑戰的 B/C 支持者論點一樣有點打迷糊仗的感覺: 如果我真的想學的話, 可以給一點科學文獻和關鍵詞當作參考資料嗎? 當磁鐵本身有速度時,這句話足夠說明永動機器不可能存在嗎? 看完文章之後還是不懂。

在這個爭議當中,想要說服常民,最有效的方式並不是靠著高深的術語 (「你不懂磁力啦!」 「你才不懂量子力學啦!」) 正好相反,越能降低理解門檻的一方,終將獲勝。也許反過來說更正確:以事實為後盾的一方,不需要訴諸高深莫測來欺騙常民。

主張 A 的一方, 比較辛苦, 因為他們必須說明 「所有的影片都是假的」。最有力的方式可能是撰寫一支類似 Gravit 重力模擬器 的程式,並開放原始碼釋出,供大家檢驗。 它僅採用最基本的物理定律,然後用電腦快速運算取代複雜的數學式, 讓一般人可以透過模擬, 驗證已知情境、想像未知情境。對於爭議影片,可以要求上傳者提供相關數據。只要有少數人動手重複實驗,確認模擬器預測的結果 (而不是影片的結果) 才是正確的,那就足以戳破一支影片的謊言。經過許多次戳謊確認後,大概就可以確認 A 是正確的。 如果程式預測與少數人重複實作結果不同,需要找人檢驗、修改程式碼時,尋找程式設計師會比尋找物理學家要容易得多。 (下面的影片是 gravit 模擬兩個星系之間的引力互動。)

[影片: gravit 模擬兩個星系之間的引力互動]
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=oq3IrqATxkk

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主張 B/C 的一方,就要像 Rickoff 一樣,盡量用最容易重複的方式 (常見的材料與工具、不需要高精密度的施工方法) 進行實驗,並且用白話清楚的教學文、開放授權分享自己的實驗步驟。能夠讓越多勞作麻瓜部落客 (在下是也)親手製作出來,就越多人會看見: 永動機器/磁力發電機是真實可行的! Rick’s pipe dream 的門檻還是稍微太高了一點。(一百多頁的英文 orz) 如前所述,重點不在於需要產出多大的能量,而在於只要能持續幾分鐘以上產生任何大於零的能量(就像上面推薦的幾部影片一樣)就已經向推翻能源霸權的道路邁出極重要的一大步了。

系統位能 vs 轉盤角度
系統位能 vs 轉盤角度

[4/5 補充] B 違背能量守恒, 特別討論一下。 這類的影片, 屬於 第一類永動機 (而不是第二類永動機), 所以應該可以用更精確的方式說明 B 的謬誤。 如果我們談論的是依靠重力場或電力場產生大於零的能源輸出的永動機的話, 要駁斥 B 比較容易 — 當永動機的一些零件的位置固定, 其他零件只沿著固定的軌跡移動時, 它在某個組態 (移動零件在軌跡上某個點) 的重力 (電力) 位能及動能, 都可以被精確地計算出來。 事實上, 如果拿組態 (例如旋轉盤的角度) 當橫軸, 畫出每個位置的位能, 那麼不需要寫複雜的模擬程式, 也可以畫圖預測它在每一點的速度, 還可以預測: 當摩擦力損耗動能之後, 旋轉盤只可能會停在哪些位置 (位能最低處)。 不過磁力位能是向量勢 (vector potential) 而不像重力位能或電力位能是簡單的純量勢 (scalar potential): 維基百科; 另外, 這一篇 的第一節是白話文。 也就是說, 磁力場的能量守恒數學式比重力場/電力場版本的複雜很多。 再搜尋 「magnetic field energy conservation」, 找到 這一篇, 完全超出我的數學能力。 總之, 可以確認的是: 古典力學下的磁力場, 確實有精確的能量守恒數學式 (而並不只是一個 「以此類推」 的一廂情願想像)。 只希望有物理學家可以用一個 (移動零件軌跡固定的) 簡單例子算給大家看, 讓大家對這類的永動機器死了心。

只是, 我還是很好奇: 如果那麼多影片全是騙局、 有人還要很認真地寫一百多頁教學文跟大家免費分享 (或是說耍大家)… 那麼他們的動機到底是什麼? 這些現象並不會比向量勢更容易理解啊…

(本文轉載自 資訊人權貴ㄓ疑)

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洪朝貴
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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

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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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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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比爾蓋茲談零碳發電——《如何避免氣候災難》
天下雜誌出版_96
・2023/04/01 ・1227字 ・閱讀時間約 2 分鐘

有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式,無疑都是當務之急,也不要忘記,多數國家不像美國這麼幸運,有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力,這不是一種普遍現象,而是例外。因此,在美國更有效運用太陽能和風力的同時,全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電,那就是:這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點,穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處,而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面,核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下,每單位發電量需要消耗多少材料。

每單位發電量(每兆瓦小時)需要消耗多少材料。圖/《如何避免氣候災難

核電有很多問題已經不是什麼祕密,興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故,核電廠使用的燃料——鈾,有可能被用來製造核武,存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比,以及日本福島的核電廠事故備受矚目,使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在,但我們面對的方式應該是著手解決問題,而非直接停止發展這個領域。

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核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車,事實上,也遠遠少於任何一種化石燃料(見下圖表)。

不同發電方式在每單位發電量下(每兆瓦小時)所造成的死亡人數。圖/《如何避免氣候災難

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此,核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚,再設法以創新來解決。我對泰拉能源(TerraPower)設計的方案十分樂觀,泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料,包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多,同時採取全面自動化,排除人為疏失的可能性,又可以建造在地底,避免遭到攻擊。最後一點,反應爐運用巧妙的設計來控制核反應,本身就很安全。運用物理定律,事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠,恐怕還要等很多年,到目前為止,我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面,我們正與美國政府積極合作,共同打造一座新一代核電廠的原型。

——本文摘自《如何避免氣候災難:結合科技與商業的奇蹟,全面啟動淨零轉型新經濟》,2023 年 3 月,天下雜誌出版,未經同意請勿轉載。

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