太陽能板力圖擺脫稀有元素

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

半導體廠和資料中心的耗電量巨大，隨著護國神山的持續壯大，台灣的電力供應是否還能承受這種壓力？

或許，大海能夠給予我們答案。

在我們的周遭，有一個龐大且源源不絕的能源，但卻長期被我們所忽視——大海。太平洋上的鄰居夏威夷，已經部署了一座 1.25 百萬瓦特（1.25MW）的波浪能發電示範裝置，並即將併入夏威夷的電網。雖然這個發電量看似不大，但一台裝置只需要 38 公尺長、18 公尺寬的空間。想要放置更多的裝置，需要更大的空間嗎？大海有的是空間。

看來從海洋中擷取能源，或許就是台灣能源的終極解答。但為什麼還沒有人大力投入這個領域呢？

從海洋擷取能源

事實上，從海洋中獲取能量的想法並不新鮮。利用海洋的物理或化學特性所開發的能源，稱為海洋能。海洋能可以大致分為多種不同的形式，每種原理各有不同。

首先是波浪能。夏威夷建設的波浪能示範電廠，就是利用波浪的上下運動所產生的位能變化，或者是利用波浪中海水運動所帶有的動能，來產生電力。值得一提的是，無風不起浪。波浪的產生及其動能的來源，來自於風吹過海面時所產生的摩擦力。而風的出現，可能來自地球自轉，或者是太陽加熱地表和空氣所產生的氣壓差，空氣從高壓區流向低壓區，進而產生風。因此，波浪能的源頭其實是地球和源源不絕的太陽能，被視為永續能源。

其次是潮汐能。月球的引力是潮汐漲退的主要原因。潮汐造成海洋水位的變化，產生位能；同時，漲潮和落潮的水流也帶有動能，這兩種能量都可以用來發電。

另一種是海流能。這是利用海洋中洋流流動的能量。例如，台灣附近的黑潮，水流方向不論冬夏，都是由南向北，而且流速相當快，約每秒 1 至 2 公尺。只要在海流中放置水輪機，就能驅動發電機發電。

接下來是較為特殊的兩種方式。溫差能（OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion）利用海水表面和深海之間的溫度差來發電。我們知道，海水表面因為受到太陽照射，溫度較高；越往深海，溫度越低，一般溫差可達 14 至 25 攝氏度。我們可以利用這個溫差來發電，原理類似地熱發電。OTEC 系統除了發電外，還可以結合海水淡化、海洋養殖和空調冷卻系統等多種用途，可謂一舉多得。

最後是鹽差能。這是利用鹹水和淡水之間的鹽度差異所產生的化學電位差來發電。發電廠通常建設在河水和海水的交界處，將海水和淡水當作一個巨大的化學電池的兩極。

台灣適合發展海洋能嗎？

地球表面約有 70% 是海洋，蘊藏著無窮的潛力。國際能源總署（IEA）在 2007 年發布的報告預估，海洋每年蘊藏了 21,100 到 93,100 太瓦小時的發電量。作為對比，根據統計公司 Statista 的資料，2022 年全球總發電量為 29,165 太瓦小時。也就是說，海洋蘊藏的能源，足以供給全球所需，甚至可能多出數倍。

海洋能除了蘊藏量龐大之外，發電不需要佔用陸地，又屬於不會造成環境污染的可再生能源，具備多重優勢。既然如此，為什麼我們不大力發展海洋能呢？畢竟台灣四面環海，感覺應該非常有利於開發海洋能。但事實上，不是每一種發電方式都適合台灣。

根據工研院於 2018 年整理的資料，台灣的地理環境較有潛力發展的是波浪能、溫差能和海流能。在詳細介紹這些能夠發多少電之前，我們先有個概念作為對照。2023 年，台電系統（不包括民營電廠）發電總裝置容量約為 55 吉瓦（GW），而目前封存的核四，兩部機組的總裝置容量為2.7 GW。

首先，波浪能發電適合的區域包括東北角外海、富貴角一帶，以及澎湖和雲林、彰化外海，發電功率有望達到 2.4 GW。溫差能發電適合的範圍則在花蓮、台東外海，具有 2.8 GW 的發電潛力。至於海流能發電，適合的地區在富貴角、澎湖水道（台澎海峽），以及東部外海的黑潮，共有 4.2 GW 的發電潛力。此外，在金門和馬祖，也有一些潮汐能發電的潛力。

總計而言，台灣的海洋能蘊藏量至少有 9.4 GW 的潛力，相當於七部核能機組的發電量。這樣的發電潛力也意味著巨大的經濟價值，估計海洋能市場的產值可達數兆台幣。

發展海洋能的困難之處

既然海洋能蘊藏量龐大，為什麼我們至今未見台灣有大規模的海洋能開發計畫呢？

首先，海洋能的技術發展仍存在許多挑戰。在各種海洋能中，潮汐發電目前最接近成熟的商業化階段，且已有正在運作的商業發電廠。例如，全球有十多座潮汐發電廠在運作中，其中韓國的始華湖潮汐發電廠是全球最大的，發電容量達 254 MW。此外，還有一些潮汐發電廠處於規劃或建造階段。

然而，潮汐發電的效益取決於潮差（滿潮和乾潮之間的水位差）的大小。一般而言，需要潮差達到 5 公尺以上才有經濟效益。台灣除了金門、馬祖等外島之外，潮差均不足5公尺，因此潮汐發電的潛力較低，並非首選。

至於台灣適合發展的波浪能、溫差能和海流能，目前全球的發展進度都較為遲緩。以波浪能發電為例，雖然蘇格蘭曾有過小規模的商業化案例，但已經退役。不過，最近也有新的波浪能計畫正在進行，包括本文開頭提到的夏威夷案場，這是愛爾蘭公司 OceanEnergy 在夏威夷設置的波浪能轉換器 OE-35，裝置容量為 1.25 MW。另外，瑞典公司 CorPower Ocean 在葡萄牙設置了 C4，裝置容量為 600 kW。雖然規模不大，但已達到商業化的程度，有望在不久的將來成為新的商業化發電方式。

至於溫差能、海流能和鹽差能，都還處於技術發展或小規模實驗測試階段，距離成功商業化發電還有一段路要走。

那麼，海洋能發展緩慢的原因是什麼呢？技術層面是一大挑戰。首先，海水對電器設備具有腐蝕性。同時，海上的強風大浪可能造成設備損壞。海洋生物也會附著在設備上，影響其運作效能。因此，打造耐用且抗生物附著的海洋能發電設備，本身就是一個巨大挑戰。

此外，即使我們能夠製造出能夠承受各種海洋環境的發電裝置，是否能長期高效地發電也是一個問題。如果無法建立耐用且具有一定規模的海洋能發電設施，成本將無法下降，進而阻礙海洋能的開發。

台灣在海洋能開發的進展

在波浪能方面，工研院開發了「懸浮點吸收式波浪發電」系統，包含具有運動模組和浮筒模組的上浮體，以及具有穩定作用的下浮體。當波浪經過時，上、下浮體會產生相對運動，能量擷取系統藉此吸收波浪的能量。

國家海洋研究院則與台灣海洋大學合作，進行「振盪水柱式波浪發電系統」的研究。該系統利用波浪的上下擺動，擠壓空氣艙內的空氣，將空氣擠出至口徑較小的排氣口，造成空氣流速加快，進而驅動排氣孔中的扇葉發電。成大也有實驗室透過數值分析軟體，進行發電裝置最佳化設計的研究。

在海流能方面，國家海洋研究院、台灣大學、中山大學和台灣海洋大學均參與了「浮游式洋流發電機組」的研發。發電機艙採流線型設計，類似一台風箏。機艙後方的葉片在受到洋流衝擊後轉動，驅動發電機產生電力。目前，20 kW 級的發電機組「錨碇」已在90公尺深的海中初步測試成功。中研院也正在研發 100 kW 等級的渦輪機，預計今年在台東外海下水測試。

在進度較慢的溫差能發電方面，台泥預計在和平火力發電廠打造台灣第一個溫差能發電系統。

未來展望與政策目標

不知不覺中，台灣在海洋能的開發上已經投入了不少資源，雖然還需接受海洋環境的考驗，但前景可期。根據目前的政策目標，台灣將從技術較為成熟的海洋能開始，分階段推進。目標是在 2030 年完成 10 萬瓦特到 100 萬瓦特等級的示範發電機組，並於 2035 年設置 100 萬瓦特到 1000 萬瓦特的商業發電機組。根據屆時的技術發展狀況，期望在 2050 年達成裝置容量 1.3 至 7.5 GW 的目標。

在政策執行方面，海洋能開發涉及多個部會的管轄，如環境部、農業部漁業署、內政部國土管理署等。為簡化申請流程並促進開發，設立單一窗口相當重要。值得一提的是，根據最近的消息，台灣已有民間公司提交了 100 kW 的波浪能示範電廠申請，預計最快在 2025 年完成台灣首個海洋能示範場。

台灣作為四面環海的島國，有機會在這個領域取得突破，為未來的能源供應找到新的解決方案。

限度：源頭和終點

為了維持或降低資源的成本，我們採用的科技常常需要不斷增加直接與間接燃料的使用量。⋯⋯此種作法耗費甚鉅但實屬必要，我們必須將愈來愈多的國民所得改用於資源加工部門，期能供應相同數量的資源。

——世界環境與發展委員會，1987 年

我們之所以擔心自然界會崩解，並不是因為我們認為地球的能源和原料已經快要耗竭。事實上，World 3 模型中的每一種設想狀況都顯示，到 2100 年，世界仍將保有 1900 年時的大部分資源。我們的擔心是來自於分析 World 3 中的各種推測後的結論：開發地球資源來源（源頭）和利用廢物吸收場所（終點）的成本將愈來愈高。

有關此種成本的資料並不充分。對此一議題的辯論卻非常熱烈。然而，我們依據所獲得的證據可以推論：再生資源開採量在成長中，非再生資源出現耗竭的情形，而且廢物吸收場所已快被填滿，這些現象加總起來，正緩緩地、勢不可擋的提高維持經濟物質流的數量和品質所需的能源和資本的總量。這方面成本的提高，牽涉到自然界、環境與社會相關因素。最後，這種成本會高到讓工業成長無以為繼的程度。當此一情形出現後，原本可擴大物質經濟規模的正回饋圈之運作方向將倒轉過來，造成經濟規模開始萎縮。

我們無法證明以上的論斷。我們可以設法使其看起來言之成理，然後提出某些建設性的反應。為達成此一目的，我們在本章內列舉了大量有關資源來源和廢物吸收場所的資料。維持新世紀的世界經濟和人口成長需要各式各樣的資源，我們將概述這些資源的現況及未來的展望。會對經濟發展和人口成長造成影響的因素可說五花八門且不勝枚舉，但我們可將之分成兩大類。

第一類包括用來支持所有生物與工業活動的自然要素，如肥沃的土地、礦物、金屬、能源，以及可吸收廢物並調節氣候的地球生態系統。原則上，這些要素是有形的、可數的，例如可耕地和森林的公頃數、淡水的立方公里、金屬的噸數，和石油的 10 億桶數量。然而，實際上這些要素卻很難加以量化。其總體數量是無法確定的。

這些要素彼此會互動——某些要素可以取代或生成其他要素，因此欲得知相關的確切數據益形困難。此外，有關資源、蘊藏量、消費和生產等名詞的定義都不夠嚴謹；科學本身未臻完備，且官僚體系又經常基於本身的政治和經濟目的而扭曲或隱藏相關數據。另一方面，有關實體世界的資料常常是以經濟指數——如貨幣價格——表達，須知，價格取決於市場，遵循的法則也與支配自然資源的法則大異其趣。儘管有以上的現象存在，我們在本章內仍將焦點集中於自然要素上。

第二類與成長需求有關的因素包括多項社會要素。即使地球的自然系統有能力支持更龐大、工業化程度更高的人口，但經濟和人口的實際成長，將取決於諸多社會要素：如和平與社會的穩定、公平與個人的安全、誠實且有遠見的領導人、教育和對新觀念的開放、承認錯誤和進行實驗的意願，以及促成穩定而適切的技術進步所需的制度基礎。

這些社會因素很難評估，更不可能進行精確的預測。本書及書中的 World 3 模型都未詳細、明確的探討這些社會因素。因為我們欠缺相關資料及可信手拈來的理論，故無法將這些因素納入正式分析中。但我們瞭解，肥沃的土地、充足的能源、必要的資源以及有益健康的環境，是成長的必要條件，卻不是充分條件。就算這些資源的存量非常豐富、這樣的環境確實存在，但我們想擁有這些要素時，會受到社會問題的阻礙。然而，我們在此處假設，世界是處於最佳的社會狀況中。

人口和資本工廠所使用的原料與能源並非憑空而來，而是我們在地球上開採得來的。原料與能源不會消失：當原料已經沒有經濟上的用處後，會被回收運用或成為廢物與污染物；能源經使用後，會成為沒有價值的熱流而被排放於空氣中。原料與能源會源源不斷地從地球的資源來源經由經濟次系統流向地球的廢物吸收場所（見圖 3-1）。回收利用和更乾淨的生產過程，可以大幅降低每一消費單位的廢物和污染量，但無法完全杜絕。

人們為了成長、維持身體健康、過著具有生產力的生活，及獲取資本和繁衍後代，必須有食物、水、乾淨的空氣、住所，及許多種類的物質。機器和建築物為了生產貨物和提供服務、獲得修理，及建造更多的機器和建築物，必須使用能源、水、空氣，以及各式各樣的金屬、化學原料和生物原料。資源來源生產這些資源流的速度和廢物吸收場處理這些資源流的速度不能超越某種限度，否則將會對人類、經濟或地球本身的自我再生與調節過程造成損害。

這些限度的性質非常複雜，因為資源來源和廢物吸收場所本身就是一個相互關聯的動態系統的一部分，並由地球的生物地質化學循環來維持其運作。限度有短期性的（如提煉完成並儲存於儲油槽中待用的石油數量）和長期性的（如地底下可供開採的原油蘊藏量）。資源來源與廢物吸收場所之間會進行互動，而且某些自然系統可能同時扮演兩者的角色。舉例而言，一塊土地可能既是糧食作物的來源，又是空氣污染所造成的酸雨的吸收場所。這兩種功能的成效存在著相互消長的關係。

經濟學家赫曼．戴利（Herman Daly）所提出的三項簡單原則，有助於我們定義原料和能源永續生產的限度；這三項原則為 ¹：

• 就再生資源（土壤、水、森林、魚源）而言，其永續使用率不能大於其來源再生率。（例如，當捕魚率大於剩餘魚群生長率時，則漁獲量將無以為繼。）
• 就非再生資源（化石燃料、高等級礦產、地下水）而言，其永續使用率不能大於某一再生資源取代其角色的速率。（舉例而言，一處石油蘊藏的永續使用方式是，由它產生的部分利潤能有計畫的投資於風力發電機、太陽電池及造林工作，以便在此一油藏耗竭後仍有另外的再生能源可供使用。）
• 就污染而言，其永續排放率不能大於其被回收利用、吸收或其於吸收場所轉化為無害物質的速率。（舉例而言，污染能永續排放至河流、湖泊，或地下水層的速率不能比細菌及其他微生物吸收其養分的速率來得快，否則將破壞地下水層的生態系統。）

任何活動若造成再生資源的數量減少，污染物吸收場的範圍擴大，或非再生資源數量減少卻沒有某一再生資源可以取代，則此一活動將無法永續進行。換句話說，此一活動遲早要沒落。在學術界、商界、政府與民間機構針對戴利的三項原則所進行的許多討論中，我們從未聽到有挑戰這些原則的言論（但也幾乎從未發現有人真正用心奉行這些原則）。假如有達成永續性的基本法則存在，那麼這三項原則必然包含在其中。今天的問題不在這些原則正確與否，而在於全球經濟活動是否尊重這些原則，以及果真如此會發生何種結果。

——本文摘自《成長的極限》，2024 年 03 月，臉譜出版，未經同意請勿轉載。