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第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》

PanSci_96
・2014/07/09 ・4097字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

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黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

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1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

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這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

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黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

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1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

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美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

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本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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水面艦如何找到潛水艇?潛水艇如何隱藏自己?——潛艦與反潛的捉迷藏
PanSci_96
・2023/11/25 ・5953字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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潛水艇到底有多重要?

最近關於潛水艇的新聞可不少,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子還有烏克蘭使用導彈與無人機成功襲擊俄羅斯基洛級潛艇的新聞,潛水艇的關注度一時間高了不少。

但是你一定好奇,潛水艇對國防來說,真的很重要嗎?還有,現代觀測技術那麼發達,在這些儀器的眼皮之下,潛艇真的還能保持隱形嗎?

反潛方怎麼找到藏匿海中的潛艦?

潛水艇以安靜、隱蔽著稱,有著極重要的戰略價值,不僅可以水下布雷、隱蔽投送兵力與物資;它難以被發現的特性,更是打擊水面艦的刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。

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當然,要造一艘能潛在水下的潛艇肯定不簡單,畢竟如果在水面下出事了,很難立即取得救援,安全的要求遠高於其他載具。另一方面,以隱蔽為最高原則的潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,都需要新科技的改進,來讓自己發出的聲音降到最低。

但潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍,如果能隨時掌握這隻水中蛟龍的動向,潛艦的威懾力就會大幅降低,甚至能將其一網打盡。因此相對地,隱蔽的技術進步時,反潛的技術也有所突破,透過光學、聲學、磁場等技術,要讓潛艦原形畢露。

潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍。圖/imdb

既然我們知道潛艦的隱蔽性是最高考量,現在我們就站在反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。
主動偵查其實跟「通訊」很像,都是傳送一個訊息到目標物,再接收傳回來的訊號。只是通訊的訊號是對方主動回傳回來的。主動偵查呢,則是訊號碰到目標物再反射回來被我們接收。沒錯,這跟蝙蝠的回聲定位很像,只是一個在水面上,一個在水裡。

為什麼水中使用的是「聲納」而非「雷達」?

現代遠距無線傳輸的方式主要有兩種,電磁波通訊與聲波通訊。在水面以上,我們通常以電磁波傳輸,因為在空氣中這麼做最有效率,因此不論是無線通訊還是手機微波訊號,多是以電磁波的形式在傳輸。
可惜這個方法到水中就不管用了,為什麼呢?電磁波穿過水的時候會因為兩個原因,讓強度快速衰減。一是電磁波容易被水吸收,二是電磁波與水分子碰撞會產生散射,舉例來說,太陽光也是電磁波的一種,而太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。

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太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。圖/unsplash

這種電磁波衰減的程度有多少呢?具體來說,在最清澈的海水中,可見光每前進 1 公尺,亮度就會衰減 4% 。如果想使用無線電通訊,以一個頻率 1000 赫茲的電磁波來說,每向前進一千碼(大約 900 公尺),訊號強度就會減少 1300 分貝。這邊說明一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量的單位,而是可以用在各種需要表達強度比例的單位。

電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。圖/PanSci YouTube

舉例來說,電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。在前進一千碼時減少 1300 分貝,就意味能量會衰退 10 的 130 次方倍,小到等於沒有。在實務上,通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,如果從電磁波換成低頻聲波,每一千碼的損失約為 0.01 分貝,跟電磁波相比起來可以說是幾乎沒有損失。

通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,低頻聲波可以說是幾乎沒有損失。圖/PanSci YouTube

因此在水中,大家聽到的不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)的全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查的技術。在水裡我們用的是「聲納」,是利用聲音當傳輸訊息與探知物體的手段。

此時蝙蝠的回聲定位使漆黑水底頓時明亮起來,聲波在海裡的傳播速度約為每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波與接收到聲波的時間差,我們就能辨別物體的距離。例如我們在聲波發出後的 10 秒後接收到反彈的訊號,就代表聲波來回走了 10 秒共 1 萬 5 千公尺的距離,我們和目標物就是這個距離的一半,也就是 7 千 5 百公尺。

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聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇的眼睛,裝在水面艦上,可以成為抓出潛水艇的掃描儀。潛水艇沒有聲納,姑且可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面對潛水艇就只能海底撈針。

潛艦與反潛技術的發展

潛水艇在第一次世界大戰中開始展現出重要的戰略價值,其中最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。當時德國的對手英國是個島國,因此便想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船一律擊沉,希望能拖垮英國的經濟。雖然德國最後未取得戰爭勝利,但潛水艇也確實擊沉了多艘協約國的船艦,立下的戰績是有目共睹。

最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。圖/wikipedia

有鑑於此,反潛聲納的技術由此萌芽。第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。 1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始在英國海軍的艦艇上被運用。 1931 年,美國也發明了潛艇偵測裝置,並稱它為「SONAR」,顯然這名字取得比較好,也成為現在最常稱呼這種技術的名稱,聲納。

第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。圖/PanSci YouTube

至此,水面艦就像開了白眼一樣,潛水艇終於無所遁形⋯⋯真的嗎?聲納既然已經發明了百年,為何潛水艇至今似乎仍保有隱蔽優勢呢?在科技發達的現代,聲納為何還是無法抓出所有潛艇?

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很可惜,事情沒有那麼簡單。當大家帶著最新科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬對手,卻突然被隱藏 BOSS 跳出來狠狠地打了臉,他就是:物理。

什麼是「陰影區」?潛艦能夠躲藏的位置?

讓我們回到大家都做過的實驗,準備一個透明杯子裝水,把筷子插入水中。因為光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現偏折,水面上跟下呈現不同角度,看起來就像是被折彎了。

光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,聲音也是。圖/wikipedia

聲音跟光一樣都是「波」的一種,因此在穿過不同密度的介質時也會產生折射,路徑出現偏折。你說道理我都懂,但海裡面只有水,哪來的不同介質?

還真的有,那就是隨著經緯度與深度變化,鹽分、水溫、密度都不同的海水。鹽分、水溫、密度的升高,都會導致聲速變快。而這三者在海中的各處都不會是固定的。例如在不同深度的海水中,深度 1000 公尺內上層海域的斜溫層,當深度越深離海面越遠,海水越得不到太陽的加溫,因此海溫快速驟減,而海溫的降低也會導致聲速降低。深度超過 1000 公尺以後的深海等溫層,溫度、鹽分的變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始小幅度上升,因此聲速緩慢增加。

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每一處海水根據鹽分、水溫、密度不同,都會影響聲速。圖/PanSci YouTube

每一層有不同聲速的海水,就等於是不同的介質,聲波會在不同層的海水之間產生折射。類似的現象也發生在空氣中。在炙熱的沙漠或是天氣熱的柏油路面,偶而會因為空氣的密度分布不均,光線在不同密度的空氣間產生偏折,出現影像在空中出現的錯覺,也就是海市蜃樓的現象。

重點來了,在海裡的折射會是怎麼樣的呢?假設我們有一艘潛的足夠深的潛艇,海面附近的聲納發出一道聲音斜向海洋深處前進,根據決定折射角度的斯乃爾定律,當聲速上升,聲音會偏離介面的法線,偏向兩個液體的交界面。在海中的實際表現,就是聲音產生偏折,漸漸與海平面平行,當偏折的角度超過 90 度,最後甚至會向上偏折,產生全反射。

而斯乃爾定律也告訴我們,偏折的程度跟入射角有關,當角度超過臨界角時,才會產生全反射。根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上的敵人就永遠也無法透過主動聲納發現你。

根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。圖/PanSci YouTube

除此之外,從聲納路徑圖可以看得出來,在水中聲納走的路徑像是 U 字型一樣,會不斷在海面反射,在海中全反射。而線與線之間的空白處,是聲波不會經過的地方,也屬於陰影區。因此實際從水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線的時候會收到該點的訊號,如果要抓出敵人,就要在獲知訊號時抓緊時間。

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如何減少陰影區範圍?

為了減少這些陰影區死角的範圍,也有一些有趣但複雜的想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我就拉一排,減少盲區。或是透過小角度的海底反射,來覆蓋近距離內的更多範圍。然而這也不會只是畫一張圖那麼簡單,平常聲納就要過濾來自自身引擎的噪音,或是因為海底等非目標物的環境反射。多一次反射,就意味會多一道訊號反射到聲納中,要如何將這些訊號區分開來,判斷哪些是海床訊號,哪些是敵艦訊號,就各憑本事。

沒錯,就算有了聲納系統還不夠,海底資訊的掌握度和後期運算更是兵家相爭的關鍵。你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度的實際密度嗎?如果你不知道這些資料,就算接收到訊號,你真的算得出敵艦的位置嗎?

舉例來說,冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。當你在不同緯度,不同海域作戰時,所需要的資料也不相同。

冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。圖/PanSci YouTube

台灣冬夏兩季分別受東北季風與西南季風吹拂,周圍又有黑潮、中國沿岸流等洋流影響,各層水溫隨季節變化影響劇烈,台灣海峽又因地形原因海流複雜,被稱為黑水溝。在此之上,能掌握好周圍的海流活動,除了能兼顧潛艦的航行安全外,也有助於提升潛艦的隱蔽性。

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潛艦與反潛的無數過招?

海洋的複雜性,構成了潛艦至今仍能維持隱蔽優勢的原因。而這場臥虎捉藏龍的對決到此還沒有結束,我們只介紹了第一招,後面大概還有 99 種招式等待要過招。例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠被動聲納安全航行並鎖定目標?

除了透過聲納,搭載磁性探測儀的反潛機怎麼從異常磁場訊號中辨別海底的金屬潛艇?又或是水面上的聲納會被全反射,那麼改變深度的話是不是就能解決了?實際上,既然在海面上聽不見,反過來把聲納放進海中,放在海水密度最低的「深海聲道通道軸」這個如同光纖般的區域,就能清楚聽到來自遠方的聲音。

諸如此類的軍事科技對弈,就像其他科技一樣,對決永遠不會結束。如果你還有那些想了解的面向,不論是潛艦或是其他軍事科技,也歡迎留言告訴我們。

最後也想問問大家,你覺得潛水艇最大的戰略價值是什麼呢?

  1. 多一種隱蔽武器,多一種威嚇,提升敵人的作戰成本
  2. 突破封鎖線,在關鍵時刻打擊敵人的大型艦艇
  3. 間諜作戰,深入敵後蒐集電訊號與艦艇聲譜特徵,偷偷獲取情報

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第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》
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・2014/07/09 ・4097字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

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黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

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黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

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在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

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黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

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1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

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打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

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美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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新好材料鈣鈦礦,改造太陽能電池
科技大觀園_96
・2021/06/17 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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隨著現代科技的發展,人類對能源的需求也逐漸增加,因此科學家一直努力尋找著合適的替代能源。其中最受矚目的能源之一,莫過於取之不盡、用之不竭的太陽能,因此科學家也一直想研發出理想的太陽能電池,能夠把太陽的能量盡可能的轉化為電能,並且長時間儲存起來。

一直以來,太陽能電池的材料都以最常使用的半導體材料——矽晶為主,然而自 2009 年開始,一種特殊的有機金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」引起了科學家的注意。「鈣鈦礦」原本是指鈣與鈦的氧化物 CaTiO3(結構可表示為 ABX3),因為有機金屬鹵化物的結構與鈣鈦礦 ABX3 同類型,所以統稱為鈣鈦礦(見圖 1)。太陽能電池用的鈣鈦礦,吸收光的效率很高,吸收光子後,可以很快地分離成電子與電洞,傳送到電極而產生電流。這樣的高效率讓科學家想到,何不用鈣鈦礦來製作太陽能電池呢?

圖 1、鈣鈦礦晶體結構示意圖。用做太陽能電池的鈣鈦礦通常為有機金屬鹵化物。(圖/林唯芳、王彥錡)

臺灣大學材料科學與工程學系教授林唯芳的研究領域一直以高分子材料為主,也研究過以有機材料來製作太陽能電池。鈣鈦礦的出現,很快就吸引了林唯芳的眼球。「鈣鈦礦這種材料簡直不得了。」談起鈣鈦礦,林唯芳透露著興奮的心情,因為和傳統的矽晶相比,以鈣鈦礦製作太陽能電池的製程簡單太多了!

製作太陽能電池,竟和刷油漆一樣簡單

首先,以矽晶做為材料時,為了減低晶格裡的缺陷數量,必須經過約 900℃ 的高溫長時間處理,然後再以半導體高真空高溫製程製作成二極體太陽能電池,工序繁瑣嚴苛。但鈣鈦礦太陽能電池是以溶液塗佈薄膜的形式來製作,所以不需這麼高溫,也不需要真空環境,只要在一般環境裡就可以製作。 

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鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖 2,在製造時,每一層都只需要簡單的塗佈,再以紅外線快速烘乾長晶[註1]即可,烘乾需要的時間甚至不到一分鐘。林唯芳形容:「整個過程就像刷油漆一樣簡單。」而因為鈣鈦礦太陽能電池的製作就像刷油漆一樣,因此比起矽晶,鈣鈦礦更容易做出大面積的太陽能電池,甚至是塗佈在各種基材上,做出可撓曲、各種色彩的太陽能電池,應用更加廣泛。

圖2、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。(圖/林唯芳、王彥錡)

不過林唯芳也說,目前鈣鈦礦和矽晶相比,使用壽命短了許多,矽晶太陽能電池一般認為具有 30 年左右的壽命,但鈣鈦礦的結構大約只能維持 10 年。這是因為鈣鈦礦的晶體結構中,ABX3 各成分之間只是單純的彼此堆疊及配位鍵[註2] ,並非以共價鍵結合,鍵結不夠強的情況下,容易受到破壞。林唯芳的團隊也嘗試著用加入不同離子的方式,增加鈣鈦礦的穩定度,延長使用壽命。

鈣鈦礦與矽晶的合作無間

林唯芳強調:「我們對太陽能電池的期許,除了大面積、長壽命外,更重要的是高轉換效率。」這幾年來,在林唯芳團隊及全世界科學家的努力下,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經追上矽晶太陽能電池,約在 20-25% 左右。不過,鈣鈦礦和矽晶並不是對立的角色,包括林唯芳在內的許多科學家,都正在嘗試讓這兩種材料「合作」——他們將鈣鈦礦與矽晶疊起來,達到更高的光電轉換效率!

鈣鈦礦與矽晶的比較表。(圖/何庭劭繪)

這是因為鈣鈦礦能吸收轉換的光波段和矽晶不同,鈣鈦礦主要吸收較高能量的短波波段,矽晶則以較低能量的長波波段為主,所以若讓太陽光先後穿透鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池,就能更有效率的利用太陽光裡各種不同波段的光。

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在疊層的做法上,有些研究團隊是在製作太陽能電池時,改變製程,設法將矽晶與鈣鈦礦疊層。不過林唯芳和聯合再生能源公司合作,將兩種太陽能電池獨立製作,只是將鈣鈦礦太陽能電池的電極轉換成可透光的材料,然後直接機械式的疊起。林唯芳解釋:「這樣做的好處在於可以維持現有的矽晶太陽能電池的製程,再加上簡單的鈣鈦礦太陽能電池製程,在現階段的技術上是最有商機的。而且現在鈣鈦礦太陽能電池還是比較容易損壞,如果它先損壞了,我們可以只要替換新的鈣鈦礦太陽能電池上去就好。」

圖 3、鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層,可以增加光電轉換效率。(圖/林唯芳、吳庭慈)

談起這幾年鈣鈦礦的興起,林唯芳認為這是非常有希望的一種材料!在這幾年的積極努力下,林唯芳不但在鈣鈦礦太陽能電池的研究上有進展,還為技術的產業化努力,鼓勵畢業同學廖學中與許哲溥,創立前創科技公司,專精於鈣鈦礦太陽能電池材料的製造和生產,並和臺大機械系的黃秉鈞教授、億尚精密機械公司合作,共同研發了專門塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池的機器(如圖 4)。另外也和生產矽晶太陽能電池的聯合再生公司合作,發展大面積高效率層疊太陽能電池,形成了上中下游完全自主整合的一條鞭生產鏈。

林唯芳說:「這對我們臺灣的產業界也帶來了貢獻,雖然我是做學術研究的,但能幫助到臺灣的產業,我也覺得很開心。」而鈣鈦礦這個「大自然的禮物」,將為太陽能以及人類生活帶來的改變,也值得我們期待。

圖 4、鈣鈦礦太陽能電池薄膜製造機。(圖/黃秉鈞)

備註

  1. 製作有結晶的鈣鈦礦薄膜。
  2. 配位鍵的鍵結能量比共價鍵低。 

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》
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・2014/07/09 ・4097字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

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黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

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黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

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在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

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黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

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1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

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打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

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美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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