Zigbee停車管理系統

• 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡（JWST）的源起、技術與運行軌道之後，本系列的終章就帶大家一起來了解，天文學家花費上百億美金之後，究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破？

追尋起源：早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里，光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球，因此我們看到的月亮，是 1.3 秒以前的月亮；同理，我們看到的太陽，是 500 秒以前的太陽；我們看到的仙女座星系，是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中，我們看得越遠，看到的東西就越古老。某種意義上，望遠鏡就像是一座時光機，可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年，一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域，接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像，日後成為天文史上最重要的照片之一，其名為：哈伯深空（Hubble Deep Field）。

天文學家們驚訝的發現，這片看似空無一物的區域，其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系，哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久，相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系，與現在宇宙中的星系相當不同，非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣，帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史，而哈伯深空影像，正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而，當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候，就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主，但是這些古老星系發出的可見光，在前往地球的過程中，會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系，紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說，它們發出的可見光到達地球時，就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此，只能觀測紫外線到近紅外的哈伯，就很難看到它們。

這時，就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯，將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成，以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

在宇宙學方面，JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離（Reionization）」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年，宇宙中的氫是以原子（稱為中性氫）的方式存在，然而在當今的宇宙中，多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測，是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射，游離了宇宙中的中性氫，才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生，現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案，仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外，就像前文所述，JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系，這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色？又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系？這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

恆星搖籃：看穿恆星形成區

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來，天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而，星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星，以及其周圍的行星系統，卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為，恆星誕生於巨大分子雲（GMC）之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集，就會形成紊亂而複雜的纖維狀（filament）的結構。

而在這些結構的高密度區域，隨著溫度、壓力與密度不斷提高，最終會點燃核融合反應，形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了，但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度，更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程，因此上述的許多細節，仍是天文學家們努力研究的題目。

然而，由於這些恆星的形成區，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，因此當天文學家使用可見光觀測時，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探雲氣神秘的核心之中，恆星究竟是怎麼演化的。此時，紅外線的優勢再次展現。由於波長較長，紅外線比可見光和紫外線，更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收，因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

除了恆星本身之外，恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤（Protoplanetary disk）」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波（介於遠紅外線到無線電波之間）望遠鏡，天文學家發現許多初生的恆星系統旁，都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此，它們還發現這些盤面上，常有許多大小不一的間隙（gap），很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中，天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測，將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星（尤其是靠近恆星的類地行星們）的形成。

外星世界：凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎？」

這個問題雖然至今仍沒有答案，但過去 25 年，天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經，系外行星是只存在於假想中的天體；但現在，天文學家已經發現了超過 4,000 顆，隨著資料的不斷更新（主要歸功於 TESS 衛星的努力），這個數量還會持續上漲。

想了解系外行星學的發展歷史？這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門！

但是，天文學家雖然知道這些系外行星的存在，對這些外星世界的了解卻還相當有限，原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星，天文學家都只能用一些間接的方法，測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性，並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶（Habitable Zone）」之內。

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星：一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時，觀測整個系統的光譜，並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線，這種方法被稱為「凌日光譜學 （Transit Spectroscopy）」；另外一種方式是藉由「日冕儀（Coronograph）」遮擋住來自母恆星的光線，直接拍攝並取得系外行星的光譜，這種做法被稱為「直接影像法（Direct Imaging）」。結合這兩種方式，JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述，而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構，以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化，深入地了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。

除了遙遠的系外行星之外，JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔！舉例來說，JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力，既然可以分析系外行星的化學組成，當然也可以拿來分析太陽系內的小天體，如小行星、彗星、古柏帶天體等等，補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外，對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究，都是 JWST 可能的觀測目標。

未來精彩可期

從 1996 到 2021，從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士．韋伯太空望遠鏡」，天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢，走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天（10 月 17 日），JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心，準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭（Ariane 5），前往日地第二拉格朗日點（L2），以前所未有的性能，展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是，每當一代更新、更強大的儀器成軍，天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題，更希望它能將人類的視野，開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜，就讓我們拭目以待！

參考文獻

• 綜合
  1. Science Themes
  2. Science Themes – Webb/NASA
  3. White Papers
• 早期宇宙／星系演化
  1. Simulations Show Webb Can Reveal Distant Galaxies Hidden in Quasar
  2. 星系的起源與演化——王為豪教授主講
• 恆星與行星形成
  1. NASA’s Webb to Explore Forming Planetary Systems
  2. Webb to Study How Stars’ Blasts of Radiation Influence Environments
• 系外行星
  1. NASA’s Webb to Explore a Neighboring, Dusty Planetary System
  2. 放眼系外行星的新一代望遠鏡：HabEx 太空望遠鏡

延伸閱讀

1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學
2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學
3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學

• 作者／邵思齊／台大地質科學系，沉迷於世界的浩瀚之中
• 作者／林彥興／清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星

經過二十年的等待，詹姆士．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）終於確定將於 2021 年 12 月 18 日升空。作為哈伯的接班人，背負著全世界期望與壓力的韋伯究竟有何特別之處？它將帶給我們什麼樣的新奇發現？又為什麼一再擴增預算與延後發射呢？

本系列文章，將會從觀測波段的選擇、到鏡組結構的設計、軌道的放置，深入探索處處充滿精彩故事的韋伯太空望遠鏡。

以紅外線仰望星空，究竟會看到甚麼？

科學研究仰賴著理論與實驗的並行。而在天文學中，由於我們難以在實驗室中複製出天文等級的環境，因此天文學家往往以「觀測」取代「實驗」，藉由望遠鏡仰望星空，來探索宇宙的奧秘。而 1960 年代開始有了太空望遠鏡之後，更是讓觀測資料的品質有大幅度的提升。

除了大家耳熟能詳、長壽的哈伯望遠鏡之外，其實已有數十台各式各樣的太空望遠鏡曾被發射到軌道上。這些太空望遠鏡的觀測波段跨了非常大的範圍，從伽瑪射線、X 光、紫外線、可見光、紅外線、微波到無線電波都有。而一台望遠鏡的觀測波段，很大一部分決定了它能看到什麼樣的東西，以及研究什麼現象。

宇宙中，不同的物體、事件會釋放出不同能量的電磁波，而我們肉眼所能看到的可見光，只是所有電磁波的一小部分。波長越短的電磁波（例如紫外線、X 射線、伽瑪射線）所夾帶的能量越高；波長越長的電磁波（例如紅外線、微波、無線電波）所夾帶的能量則越低。一般而言，越高溫、高能量的天體，可以放出越高能量的電磁波。

比如溫度約在數千到上萬度的恆星，就主要放出可見光；低溫的物體，例如人體、塵埃以及系外行星，放出的輻射就以紅外線為主。而且因為波長較長，紅外線可以穿透一些可見光無法穿透的物質，讓天文學家看穿濃厚雲氣背後的目標。最後，利用紅外線，天文學家可以觀測到宇宙最早期的一批星系，對了解宇宙的演化歷史相當重要。

為什麼要把望遠鏡送上太空？

然而，觀測紅外線波段也有相應的缺點。

地面紅外線觀測最大的問題在於，大氣中的水氣會吸收紅外線，使得來自太空的紅外線來不及進入望遠鏡中，就被半路攔截，而且紅外線的波長越長，受到的吸收就越嚴重。因此，想在地面上進行紅外線觀測，就必須選擇乾燥的高山高原，才能達到較好的觀測效果，對環境的要求非常嚴苛。而且這僅適用於近紅外線（波長比較短的紅外線），對於波長數十至上百微米的遠紅外線，大氣層就幾乎是完全不透明的。

但是少了遠紅外線這個波段，天文學家就很難對宇宙中的塵埃、早期星系、系外行星等令人興奮的領域有進一步的了解。因此，即使用火箭發射東西上太空非常昂貴、即使要應付維修的不便與酬載的限制，科學家還是希望能把望遠鏡送上太空。於是，一個運行在外太空的大型紅外線望遠鏡的構想漸漸成形。

一波三折！韋伯太空望遠鏡預計 12/18 升空

美國太空總署（NASA）最早在 1996 年開始了一個名為「新世代太空望遠鏡」的計畫，預計將這隻望遠鏡作為哈伯的接班人，在哈伯運作 10 至 15 年退役後頂替它成為 NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡。2002 年，為了紀念領導阿波羅登月計畫的第二任署長詹姆士．韋伯，這支望遠鏡於是以他的名字命名，並預計要在 2011 年時發射。然而因為技術及預算問題，計畫一度差點腰斬，後來 NASA 將整個計劃大幅整頓，並將預定發射時間一路延到 2018 年（見延伸閱讀二）。

但事情依舊不如想像中的順利，2017 年 JWST 再度遭遇測試狀況不佳，2020 年又遇到肆虐全球的 COVID-19 疫情，使得 JWST 的發射時程持續推遲，從 2018 延到了 2019，又到 2020、2021，最終定檔為逼近年底的 2021 年 12 月 18 日。目前（截自2021/9/26日），JWST 已經被打包好，正由貨船運送至法屬圭亞那發射場，準備裝載在歐洲太空總署提供的亞利安五號火箭（Ariane 5）之上。希望這次，JWST 可以順利如期出航。

延伸閱讀

1. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二）
2. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
3. 淺談 JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃後的外星世界！——認識韋伯太空望遠鏡（四）
4. 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡 31 年來的維修升級史
5. The James Webb Telescope is delayed again. Here’s why. (inverse.com)

參考資料

NASA，〈James Webb Space Telescope〉

報導／廖英凱

對於開車族來說，在尋找停車位的過程中往往亟需耐心與運氣，即使好不容易排隊進了停車場，也常常找不到空著的車位。由中科院電子系統研究所空用電子組自行開發的「Zigbee停車管理系統」，利用以低速、省電、便宜為特色的Zigbee無線網路協定，搭配紅外線感應器與自行撰寫的使用者介面軟體，能以相當低廉且迅速的方式建置停車場內的車位管理系統。

目前市面上的停車管理系統，多為在出入口，或各樓層出入口做流量管制，使用者僅可知道各樓層停車狀況，卻無法知道空位的位置。少部分配置較高級的停車場，則會利用在車位地板下裝壓力感應器，或是在車位兩側或頂端裝設紅外線或超音波的感應器，再將感應器的線路鋪設至機房或管理室等，以知道空位的位置。其繁瑣的架構與施工配線讓成本大為提升，對於現有停車場的設備升級也是一大阻力。但中科院所開發的「Zigbee停車管理系統」架構相當簡單，是在每一個車位的正上方裝設紅外線感測器，一旦車位被使用時便會觸發紅外線感應器。而每一個感應器旁都會再連接著Zigbee的無線模組。使得每一個車位再佈線時，僅需要再車位上方牽設電源線路即可，由於室內停車場的車位多有照明，使得佈線變得相當容易。再利用Zigbee所支援的網路拓樸中的「環狀網路」，這讓每一個車位上方的Zigbee無線模組同時可以扮演接收資料、傳輸資料與轉發資料的角色。也因此不需要再架設無線網路的「基地台」便可讓各個車位感測器的資料傳送到管理主機。最後，再利用自行撰寫使用者介面軟體將傳送回來的資料做視覺化的呈現，以此控管每一個車位的狀況。

這樣便利的裝置，其關鍵在於負責傳遞訊號與撐起整個網路架構的Zigbee無線網路協定了。Zigbee自1998年起開始發展，於2002年起多家公司共組Zigbee聯盟以推動開發，並在2004年12月發行第一個標準協定。它被設計用來架構短距離傳輸的區域網路，與目前主流的wifi相比，他的傳輸距離較短（理想狀態100公尺）、速度較慢（512kB/s），但是更省電也更便宜，並支援樹狀、星狀、網狀與環狀等網路拓樸，可連結大量網路節點以減輕節點故障的影響。

現在，這套停車管理系統被應用在中科院的龍源院區的地下停車場中。管理界面上可以詳細地看出各個車位的使用狀況，在停車場入口處，也可以看到停車場內各分區車位的剩餘數量，幫助駕駛輕易地找到車位。工程師們也嘗試在Zigbee的架構下，搭配不同的感應器來來增強系統的可用性，例如搭配超音波讓車位偵測更佳敏銳，或是利用RFID紀錄每一台車的狀況以用作安全管制系統來使用。也計畫應用在倉儲管理中，作為庫存的維護與產品或人員所在位置的定位（Zigbee室內定位解析度約為一公尺）。而短距離、省電又支援多個節點的特性，也可用來取代如展覽館、會場內的無線對講機、導覽設備、同步口譯耳機等的通訊方式。

技術專頁:停車找 Zigbee

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夏天不開冷氣，真的會熱到讓人崩潰，但是打開冷氣，電力負載又會大幅提高，或是可能讓電廠跳電。那有沒有什麼方法可以不耗電，又讓人覺得一切都是那麼涼爽舒適？有的！科學家今年二月發明了超強大又超便宜的塑膠，可以讓任何接觸到這種塑膠的物體降溫至多10度！

讓熱輻射不被空氣吸收，散熱直接散到太空去！

世界上所有有溫度的物體都會輻射出電磁波，也都會吸收電磁波，從我們生活中的各種家具、房子甚至人體也都是如此。如果某個物體輻射出了電磁波，那它的溫度就會降下來，而如果它吸收了電磁波，那就表示那個電磁波的能量，使得物體的溫度上升了。

所以，你覺得很熱，絕對不只是夏天的問題，你也有一部分的責任（誤），人體會一直輻射出近紅外線，而輻射出來的近紅外線會被人體附近的空氣吸收，吸收了這些能量後，空氣就會被加熱，所以當我們走進人多的空間，一股熱氣襲來，就是因為我們感覺到了那些「被加熱」的空氣。

因為空氣會吸收近紅外線的緣故，地球輻射出來的能量就會不斷的被空氣吸收，再輻射釋放出來，再被吸收，再被釋放出來……，如此循環下去，使得能量不太容易散出去，而這也是溫室效應保持地球溫度恆定的原理。

研究人員想到，如果可以讓物體輻射出的電磁波，不會被大氣吸收的話，那輻射出來的電磁波就能順利穿透大氣層，消散在外太空，能量就不會被鎖在大氣中，尤其是物體附近的空氣。而隨著時間的推移，輻射出越多的能量，物體的溫度就會慢慢降低。

近年來，研究人員利用這個被稱為「被動冷卻」的概念，試圖設計出一種盡可能不吸收可見光，但卻持續輻射出中、長紅外線的材料。2014年，史丹佛大學電機工程教授范善輝（音譯，Shanhui Fan）的團隊，使用半導體製程的鍍膜技術，創造出一種含有二氧化矽（玻璃）和二氧化鉿（Hafnium dioxide）的薄膜。當時他們發明的薄膜可以反射幾乎所有的光，而且能同時輻射出很多中紅外線，使得他們的薄膜產品可以將接觸物品的表面冷卻多達5℃。不過他們的發明得要使用無塵室來製作，所以成本超高，無法大規模量產。

當科羅拉多大學的材料科學家尹曉波（音譯，Xiaobo Yin）看到這個發明的論文時，他注意到范善輝團隊的設計是讓紅外線能在薄膜內部來回跳動，最終輻射出更多紅外線，這就像吉他的音箱一樣，聲波在裡面不斷反彈共振，而讓吉他的樂音變得更大聲。尹曉波的團隊計算出，如果在薄膜內放入直徑大約 8 微米（比紅血球稍大）的玻璃珠的話，能讓中紅外線輻射量大增。

他們的製作方式是，將玻璃粉與一種透明塑料原料（聚甲基戊烯, TPX）混合，然後把它們製成 300 毫米寬的薄膜，並且在其中一面塗銀，讓它具有像鏡子一樣的反射效果。如果把這個薄膜攤開來，底層的銀幾乎可以反射所有的可見光，所以就算在大太陽下曬，也不太會吸收能量。同時，薄膜也會吸收它所接觸的物體的熱量，並以中紅外線將能量輻射出去，所以這些熱能完全不會被空氣吸收，能一直傳到外太空而消散。

散熱塑膠薄膜，低成本又不耗電

這項發明其實能以現行製造薄膜型電子元件的方式製造（Roll-to-Roll精密捲繞對位技術），如果以這種標準化的製造流程生產，每平方公尺最多花台幣 15 元而已，成本相當低廉。

而在實際測試中，薄膜在中午的陽光曝曬下的輻射冷卻功率達到 93 W/m²，大致等於面積相當的太陽能電池產生的電力，入夜之後輻射冷卻功率還會更高，也就是說這種新式塑膠薄膜完全可以不分晝夜持續輻射降溫。根據他們的研究報告，最多能使鋪上這層塑膠薄膜的物體冷卻多達10°C，研究人員推估只要在屋頂上鋪上約 10-20 平方公尺的這種材料的話，就算是三十幾度的夏天高溫，也能讓房子維持在舒適的二十多度附近（台北的熱島效應根本不是對手了哇哈哈）。

如果想要調節降溫的程度，只需要將這種塑膠薄膜貼附在冷卻系統的水管上，再利用水將室內的熱能傳到降溫系統，調節水管中的水量，就能讓室溫穩定維持在不同溫度。雖然調節水量還是要用電，但比起現行冷卻室內空間的方式，可以剩下非常多的電力。

尹曉波教授和他的團隊已經開始嘗試應用這項發明，來降低建築物和其他大型結構的冷卻水，這在發電廠尤其有用。他也補充說，就算沒有銀塗層，塑料薄膜貼附在太陽能電池上，也可以降低太陽能板的溫度，而提高發電效率約 1-2%，也減少過熱而消耗太陽能板使用壽命的情況。

研究人員表示：「這個塑膠薄膜的優勢是全天候不用電或消耗水，我們很高興有機會能探索電業、航空航太與農業等領域的潛在用途。」

原始文獻：

• Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling, Science, DOI: 10.1126/science.aai7899

資料來源：

1. Cheap plastic film cools whatever it touches up to 10°C – Science
2. New engineered material can cool roofs, structures with zero energy consumption – ScienceDaily
3. How to keep cool without costing the Earth – The Economist

延伸閱讀：

1. 承認吧，其實你根本沒想到要省電？ – PanSci
2. 熱死了！冷氣怎麼開最舒服省電？ – PanSci