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創業鋼鐵人 – Elon Musk

程式人雜誌
・2013/12/18 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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Elon_Musk
Elon Musk 在 SpaceX 控制中心的照片

如果說「賈伯斯」完成了所有科技人的夢想,那麼「伊隆·馬斯克」的夢想,應該連賈伯斯本人都難以想像。

成長背景

伊隆·馬斯克(Elon Musk,1971年6月28日-) 的母親是加拿大人,而父親則是南非人,他出生於南非、高中畢業後到加拿大上大學、並在美國連續創辦了 PayPal, SpaceX 與 Tesla 等公司 (下圖是 SpaceX 與 Tesla 公司的照片)。

MuskCompanyBuilding

鋼鐵人的導演 Jon Favreau 曾經說他受到 Elon Musk 的啟發進而塑造出主角 Tony Stark (東尼、史塔克) 的性格,因此後來 Elon Musk 就被戲稱為「創業鋼鐵人」。

Elon Musk 在 10 歲那年買了第一台電腦,並且自學了程式設計。12歲時就以 500 美元的價格出售了自己的第一個太空遊戲軟體 Blastar。

17歲時(1988年) Elon Musk 從南非 Pretoria Boys High School 畢業後,為了避開南非的兵役制度,他透過母親取得了「加拿大公民」的身分, 並到「皇后大學」就讀,兩年後轉而到「賓州大學」研讀商業與物理,並在該校取得了沃頓商學院的經濟學學士學位。取得學位後繼續修讀該校 的「物理課程」,一年後又取得物理學學士學位。

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Elon Musk 接著移往美國加州的矽谷,並打算在史丹福大學念應用物理與材料科學的碩博士學位,然而卻在入學兩天後就決定輟學了。

初創事業 – Zip2 與 PayPal

輟學後他和弟弟 Kimbal Musk 一起開發了一個稱為 Zip2 的線上出版軟體,並在 1999 年以「3.07億美元+3400萬美元股票期權」 賣給了 Compaq 的 AltaVista 的部門。

接著他成立了 X.com 這家公司,並在 1999 年購併了由 Max Levchin, Peter Thiel, Luke Nosek, and Ken Howery 等人於 1998 年 創立的 Confinity 公司,購併時 Confinity 已經在開發 PayPal 這個軟體幾個月了。

Elon Musk 認為 PayPal 應該有更大的用途,2000 年 10 月 Elon Musk 決定停止 X.com 的其他專案,專注於 PayPal 的開發, 並將 X.com 公司重新命名為 PayPal,接著在 2001 年將該技術用於全球最大拍賣網站 eBay 的拍賣結帳方式中。

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2002 年 10 月,eBay 以 15 億美元收購了 PayPal,進一步使得 PayPal 成為全球性的網路交易結帳方案。後來 2004 年時,中國大陸也學習了這類的方案,創造了支付寶。

雄心勃勃的 SpaceX

2002 年 6 月,Elon Musk 獨自投資了 1 億美元於加州霍桑市火箭路 1 號創立了第三家公司:SpaceX(space exploration technologies)。SpaceX 是一家不可思議的公司,他們經營太空發射業務, 近期目標是發射衛星與月球探索,遠期目標是在火星打造生態環境。

換句話說,SpaceX 想要和美國國家航空暨太空總署(NASA)以及各國的太空發射中心搶生意。

Elon Musk 認為太空發射服務價格之所以高,部分原因是官僚架構沒效率所導致的,所以可以藉由十個因素去降低成本並提高太空服務的可靠性,他認為 「1100美元/公斤」每趟的價格是可以達到的。

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為了達到這個目的,SpaceX 已經做出了下列的重要成績:

2005 年 1 月,SpaceX 購買了薩里衛星技術公司 (Surrey Satellite Technology Ltd) 10%的股份。

2006 年 8月18日,SpaceX宣布它獲得美國國家航空暨太空總署商業軌道運輸服務的合同,證明了這可以是一個運送貨物到國際空間站的選項。

2008 年 12 月 23 日,SpaceX宣布它獲得價值 16 億美元的商業補給服務的合同,從而保證太空梭在2010年退役後國際空間站補給的任務。

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2012 年 8 月,公司與NASA簽署了一項大型開發合同,旨在設計下一代載人太空飛行器,以在2017年能夠重新啟動美國載人太空計劃。另外2家公司, 波音和Sierra Nevada也參與了類似的合同。該計劃由 NASA 的 CCiCap (商業船員綜合的能力) 制定相關標準。這將導致政府和商業公司都有能力提供商業載人太空飛行服務。作為該協議的一部分,‬SpaceX 公司獲得了一份合同,價值高達 4.4 億美元,於 2012年 至 2014 年 5 月交付。

Spacex 也參予了美國的火星計劃,截至 2011 年 7 月美國太空總署下屬的阿姆斯研究中心(Ames Research Center)已經開發出了一個低成本的火星任務設想,在這一設想中將使用「重型獵鷹」火箭作為發射和火星中途—入軌載具,運送「天龍」太空艙進入火星大氣層。這個代號「紅龍」的設想將會在 2012/2013 年度作為一項美國太空總署的探索任務提出以便籌集資金,計劃在 2018 年進行發射,並於數月後抵達火星。這項任務的科學目標是尋找生命存在的證據,包括搜索「可以證明生命存在的分子,例如 DNA 和高氯酸鹽還原酶……通過生物分子證明生命的存在。『紅龍』將鑽探至地下一米(3.3英尺)左右,以獲取已知潛藏於紅色土壤之下的水冰儲藏的樣本」。不包括發射成本在內,這次任務的費用預計將低於 425,000,000 美元。

為了達到「太空旅行商業化」的目的,Space X 的設計目標就是簡單,這樣既能保證最大的安全性,也能節省成本。

SpaceXShip目前 SpaceX 已經參與過「獵鷹1號 (Falcon 1)、獵鷹9號 (Falcon 9) 與天龍號太空船 (SpaceX Dragon)」等載具的設計,上圖是這些 火箭與太空的圖片」,而下圖 (a) 則是天龍號太空船的實體, (b) 則是藝術家繪製的天龍號太空船與國際太空站對接的示意圖。

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SpaceXShip2

不過、事情沒有絕對順利的,在 2008 年時, SpaceX 差點因為資金不足而倒閉,還好後來得到資金挹注與合約而度過了難關。

獨步全球的 Tesla 電動車

當初 Elon Musk 之所以去史丹福修應用物理和材料科學的博士學位,目標就是研發出超級電容器能夠給電動汽車提供足夠能量。因此他會創辦 Tesla (特斯拉電動車公司) 並不令人意外。

Tesla 目前已經出過三款車型,Tesla Roadster、Model S 與最新的 Model X,2013 年的主力車 Model S 充電一次就能夠馳騁 300 公里以上,整台車的底盤全部都是電池,由於節省的引擎的空間,因此內部相當寬敞。下圖是 Tesla Roadster 與 Model S 的實體照片。

TeslaCars

特斯拉汽車公司的第一款電動跑車 Tesla Roadster,已在31多個國家銷售超過 2300 Roadster 的美國最低售價為 109000 美元。在英國的最低售價為 86950 英鎊,在歐洲大陸的最低售價為 84000 歐元。身為電動車,Roadster在歐洲也有資格享有政府補貼。

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2012 年 6 月 22 日正式發布旗下第一台商務純電動車 Tesla Model S ,售價區間在 4.99 萬- 9.79 萬美元,並沒有比同級別的汽油車,如 BMW、奧迪 A6 和 A8 貴很多,而且純電動車在許多地區可以獲得政府補貼, 因此未來進入歐洲乃至中國的可能性也不低。同時具備了舒適性、高性能、合理的售價和絕大部分純電動車所不具備的長續航里程。

因為 Tesla 電動車底盤由七千多個多個鋰電池組成的超級電池重量就超過 590公斤,所以 Tesla 採用全鋁製車身來減低整台車的重量。 Tesla 電動車可在 90秒內換好電池,而 MODEL-S 使用特殊加壓器時充滿 50% 電力僅需 20 分鐘,這些技術都讓 Tesla 的電動車對富人而言極具吸引力。因此 Tesla 電動車在加州光是 2013 年上半年就賣出了8900 年,銷量比保時捷更高。

同樣的、經營企業總是會遇到困境,Tesla 曾經因為幾起電動車起火案件而股價大跌,消費者對電動車的態度如何還需要進一步觀察。

故事的背後

然而、凡事都是有代價的,Elon Musk 創業的背後,隱藏著一些遺憾, Elon Musk 於 2000 年與 Justine Musk 結婚, 並接連生下了一對雙胞胎與一對三胞胎,總共 5 個小男孩。但是妻子 Justine 無法忍受 Elon Musk 的奇特創業家個性, 因此在 2008 年訴請離婚。於是 Justine 寫下了以下這篇被翻成中文的文章。

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創業家的老婆,比創業家的女友更苦:鋼鐵人 Elon Musk 前妻的心酸告白

但是在離婚訴訟提出六星期後, Elon Musk 就發了簡訊告訴前妻 Justine ,他已經和 Talulah Riley 這位英國女星訂婚了。

三年後 (2012 年)、Elon Musk 又和 Talulah Riley 離婚了。看來、「每個成功的男人背後、都有一位偉大的女性」這句話 或許應該改寫了,至少在 Elon Musk 身後的那位偉大女性,到現在為止都還沒有出現。

家庭與夢想之間,有時候真的很為難!

或許正是因為如此,Elon Musk 才能有更多時間專注在創業這件事情上吧!

Elon Musk 曾經在 TED 上接受專訪時談到了他這些創業背後的動機,您可以發現除了早期在程式設計領域展現的才華之外, Elon Musk 所擅長的其實是在大學裏關注的「物理」領域,他對能源科技的著迷程度,促使他創造了電動車工業的 Tesla、 以及太空工業的 SpaceX。

TED:Elon Musk: 關於Tesla, SpaceX, SolarCity 的構思與計劃

或許也正因為相同的驅動力,所以 Elon Musk 才會參與了 SolarCity 這個太陽能公司的創建工作,他們為民宅住家 裝上太陽能板,並租用給屋主,然後透過發電慢慢回收這些投資,該公司的執行長是 Elon Musk 的表兄弟 Lyndon Rive。

2012 年七月,Elon Musk 再度提出一個令人耳目一新的「超迴路列車」(Hyperloop) 計畫,企圖建造一種結合「協和號飛機、磁軌炮、空氣曲棍球桌」原理的全新交通運輸系統,預計時速可達 1102 公里, 他認為 Hyperloop 會成為汽車、飛機、火車、船之外的第五大交通支柱。由於超迴路列車可自行利用太陽能發電,但實際上需要能源不多, 因此還能發出電力提供給電廠使用。

如果開公司提供太空服務都是可能的,那麼創建時速一千公里以上邊開還能邊發電的「超迴路列車」又有甚麼不可能呢?

Elon Musk 總是一次又一次的讓我們感到驚奇,下次如果他真的像鋼鐵人那樣在胸腔裝一個核反應爐,我應該也不會感到驚訝了!

【本文由陳鍾誠取材並修改自 維基百科,採用創作共用的 姓名標示、相同方式分享 授權】

轉載自程式人雜誌

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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太空夢成真!自費就能上太空?SpaceX 與賈里德如何推動載人航太新里程碑
PanSci_96
・2024/11/21 ・2375字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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北極星黎明:開創商業太空漫步的新紀元

2024 年 9 月 10 日,載人航太任務迎來了歷史性的突破。由美國富豪賈里德·艾薩克曼率領的四名太空人,乘坐 SpaceX 的獵鷹九號(Falcon 9)火箭和龍飛船(Crew Dragon),開始了為期五天的「北極星黎明 Polaris Dawn」任務。這次任務實現了人類首次商業太空漫步,並打破了過去五十年人類距離地球最遠的紀錄。這也是美國四十多年來首次推出的新設計太空衣,進行了「人體測試」。

這次任務的成果不僅僅令人振奮,還為未來的商業航太業開啟了新的篇章。為了解這次突破的意義,我們先一起來體驗「北極星黎明」任務的精彩旅程。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

這位賈里德是何許人也?

賈里德·艾薩克曼,現年 4 1歲,是一位白手起家的美國富豪,擁有零售支付公司的成功經歷。他還是一名充滿冒險精神的飛行家,駕駛輕型飛機創下環球飛行的紀錄,並且會操縱戰鬥機與進行特技飛行。他甚至創辦了「私人空軍」公司德拉肯國際,為美軍訓練飛行員。

賈里德對飛行的熱愛讓他不斷追求新的高度,最終使他與 SpaceX 合作,共同邁向更遙遠的天空。2021 年,他啟動了「靈感四號 Inspiration 4」任務,選擇了三名來自不同背景的一般人,與他一同踏上三天的太空旅程。這次任務向世界展示,普通人也有機會踏上太空,而不僅僅是經過嚴苛訓練的專業太空人。

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然而,賈里德並不滿足於此。他希望飛得更高、更遠,甚至挑戰從太空船內走向船外,完成首次商業太空漫步。這便是「北極星黎明」任務的起源。

太空漫步的挑戰

太空漫步並非簡單地穿上太空衣、打開艙門便能完成。以國際太空站為例,太空人在漫步之前需要進入氣閘艙(Airlock),一個介於太空站內部和太空之間的小房間。在氣閘艙中,太空人需要進行數小時的「預呼吸(Pre Breath)」過程,以降低大氣壓力,適應太空衣中的低壓環境,並避免潛水時常見的減壓病風險。

然而,SpaceX 的龍飛船並未設計氣閘艙,這意味著要讓太空人進行漫步,就必須將整個太空艙降壓至真空狀態,再在太空漫步結束後重新加壓。因此,團隊對龍飛船進行了大幅改造,增強了生命維持系統,並安裝了更多氮氣與氧氣槽。

此外,SpaceX 原先設計的太空衣是艙內使用的(IVA Suit),僅用於緊急情況下保護太空人,並不適合太空漫步。為了這次任務,SpaceX 不得不設計一款全新的艙外太空衣(EVA Suit),這是美國自四十年前以來首次設計新型艙外太空衣。

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北極星黎明任務的突破

2024 年 9 月,SpaceX 成功發射「北極星黎明」任務,這是首次由私人機構執行的太空行走任務,開創了商業太空探索的新紀元。 圖/envato

在完成了艱鉅的準備工作後,「北極星黎明」任務終於在 2024 年 9 月 10 日順利升空。這五天的旅程充滿挑戰與創舉,為商業航太寫下了新的篇章。

任務的前兩天,重點是進入 1400 公里高的軌道,這是自 1972 年阿波羅 17 號以來人類距離地球最遠的記錄。此外,兩名任務專家莎拉·吉利斯(Sarah Gillis)和安娜·梅農(Anna Menon)也成為飛得最高的女性。

在完成軌道調整後,第三天的重頭戲——商業太空漫步正式開始。龍飛船內部的氣體被排空後,賈里德和莎拉輪流將身體探出艙外,進行了一系列新太空衣的測試,而其餘兩名組員則留在艙內監控系統。這次太空漫步雖然並未像電影中那樣「漫步」在太空,但其意義非凡,因為這是由私人資金支持的商業艙外活動。

科學研究與未來展望

除了太空漫步之外,任務組員還進行了多項科學實驗和技術測試,包括微重力對人體各器官的影響研究,這些研究對於人類未來長時間在太空生活至關重要。此外,團隊還測試了星鏈(Starlink)雷射通訊技術,以提高太空中數據傳輸的效率。

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在任務期間,任務專家莎拉·吉利斯還在太空中用小提琴演奏了《雷伊主題曲》,並通過星鏈技術將影片傳送回地球,與全球音樂家合作完成了一場跨越時空的演出。

任務的最後一天,龍飛船安全返回地球,成功在墨西哥灣降落,為這次史無前例的太空任務畫上了圓滿的句號。

北極星黎明的意義

商業航太突破在即,未來實現太空旅行的可能或許離我們越來越近。圖/envato

對於熟悉太空史的朋友來說,這次的太空漫步似乎並不如 1960 年代的雙子星任務那樣驚險。然而,真正的突破在於「商業」二字。這次任務由賈里德自掏腰包資助,展示了商業公司在航太探索中的潛力,就像 SpaceX 在過去二十年所取得的成就。

任務中進行的大量技術測試和科學研究,證明了這不僅僅是富豪的太空旅遊,而是一次充滿挑戰的科學與技術驗證任務。這些經驗和技術將成為未來挑戰月球與火星的重要基石。

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「北極星黎明」任務雖然已經結束,但賈里德的太空夢還在繼續。這只是「北極星計畫」的第一步,未來還有至少兩次任務正在籌備中,其中第三次任務將搭乘 SpaceX 的星艦(Starship),進行首次載人飛行。

隨著技術的進步和更多私人資金的投入,還可以期待人類接下來在商業航太領域能取得更多突破。在未來,要來趟真正的太空之旅,看來除了熱愛科學,還需要努力賺錢了。

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這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
PanSci_96
・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

現在的太空垃圾有多少?

最大的太空垃圾可能是整節火箭!

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
圖|PanSci YouTube

為什麼說太空垃圾真的很危險?

為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
圖|PanSci YouTube

在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題?

太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
圖|PanSci YouTube

清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢?

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
圖|PanSci YouTube

方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

太空垃圾問題有解嗎?

現在的太空有多擁擠?

如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
圖|PanSci YouTube

治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

  1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
  2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
  3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
圖|PanSci YouTube

不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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清除太空垃圾能有商業價值?

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
圖|PanSci YouTube

另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

  1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
  2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
  3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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