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太空科技大突破!專訪臺灣學界自製的大型混合式探空火箭【團隊篇】

馥林文化_96
・2014/09/23 ・6419字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

2016.8.24 編按:樂團五月天「頑固」MV 是受到前瞻火箭研究中心(Advanced Rocket Research Center, ARRC)吳宗信老師及團隊研發自製火箭的故事啟發。

文/劉珈均    協助取材/邵意翔、ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

圖01_S
圖01:2014年3月最新的HTTP-3S火箭在屏東海岸準備發射的情形。

「十、九、八、七、六、五、四、三、二、一!」第一道、第二道點火指令下達,直徑 15 公分、高 4.2 公尺的 HTTP-1 火箭冒出幾縷白煙,噴出刺目橘紅火光,一聲呼嘯巨響瞬間飆衝上天,破空留下長長尾雲,大夥兒全看呆了,興奮的大吼大叫「還在飛耶,超遠的!」「我們成功了!」「哇!」「注意看哪!」

過一會兒,火箭失去蹤影,激動的歡呼聲轉為嘈雜低語,幾十張臉仰望天空,雙眼搜尋著火箭,「應該差不多要開傘了。」「它有飛那麼久嗎?」「回報高度。」「開始追蹤訊號。」一個沉穩的聲音透過無線電指示:「觀測站有沒有收到訊號?收到請回答。」

這是 2010 年,臺灣學術界第一個試射成功的混合式燃料火箭 HTTP-1 在屏東旭海升空時的情形。

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這混合式燃料火箭是由交通大學機械工程系教授吳宗信,以及臺北科技大學、成功大學、屏東科技大學四校約三四十位師生自力研發製作。當時創下了全球學術界自力研製火箭的飛行紀錄。他們用參與學校所在地新竹(Hsinchu)、臺北(Taipei)、臺南(Tainan)、屏東(Pingtung)的英文縮寫 HTTP 作為研發的混合式燃料火箭名稱,不僅代表著整合性的通力合作,也隱含著研發的未來可能性如網際網路般無遠弗屆。

團隊主要成員包括太空中心火箭專家陳彥升、北科大電子工程系教授林信標、成大工程科學系副教授何明字、屏科大車輛工程學系教授胡惠文。這些跨校成員們自2008年開始自力研發、製作火箭。HTTP-1 火箭發射成功,是前瞻火箭研究中心(Advanced Rocket Research Center,以下簡稱 ARRC)「正式」成立的契機,2012年在私人與企業捐款之下,ARRC 成為正式機構,並作為團隊名稱與「品牌」,由吳宗信擔任中心主任。

2012 正式確立名稱、成立機構之後,行政工作更順暢,也與太空中心簽了合作備忘錄。並陸續加入交大機械系教授陳宗麟、銘傳大學資訊管理系助理教授余仁朋、海洋大學商船學系副教授黃俊誠與中央大學教授張起維。

在學界要單獨從事這樣的研究相當辛苦,人力、資金、場地都是挑戰。吳宗信說:「有太多理由可以放棄了!會繼續作是因為學生的熱情。」他說,上一代常覺得下一代不夠努力,但每個世代面對的課題、接收的資訊並不一樣。「我發現只要給學生相當的基礎和動機,給個適當的環境,其實學生的潛力是無限的。」在試射現場,往往是學生獨力進行系列工作程序,老師旁觀,在必要時指導一下。

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從小火箭一步步升級為百公斤的探空火箭

走進 ARRC 團隊在交大的實驗室,架上桌上琳瑯滿目擺著工具,甫於2013年底試射成功的APPL-7 II佇立一旁,白色箭身頂著赭紅鼻錐,刷著寶藍標誌,如士兵站哨般神氣昂揚。

ARRC 團隊的靈魂人物──交通大學機械系教授吳宗信是位臉龐瘦削,講話速度飛快,擁有十足的親和力與科學家氣質的老師,他是美國密西根大學航太工程博士,授課與研究領域涵蓋流體力學、熱力學、電漿相關實驗與模擬、火箭研究與實作。說起團隊研製火箭的故事,吳宗信笑著說:「這是一個自找麻煩的故事,」有人聽了他們的計畫,直呼他們是瘋子,根本不可能實現,「但我們就是要做做看。」

圖02_S
圖02 交通大學機械系吳宗信老師。

吳宗信在交大主持的實驗室「熱流與電漿物理實驗室(Aerothermal & Plasma Physics Laboratory, APPL)」,近 30 人的實驗室有三分之一成員研究火箭,同時身兼 ARRC 團隊成員,加上機械系教授陳宗麟帶領研究火箭感測器的學生、吳宗信課堂的專題生,交大團隊約十幾人投入 HTTP 研發。

2007 年,吳宗信與在美國認識的好友、他口中的「幕後黑手」──太空中心的火箭專家陳彥升決定將混合式燃料火箭的研發發展為大型實驗計畫,學生在吳宗信實驗室裡,製作小型固態燃料火箭 APPL,2008 開始與成大、北科大、屏科大共約三四十名師生合作,一頭栽進這個「自找麻煩的」HTTP 火箭實驗計畫。APPL 名字取自實驗室名字縮寫,以糖精和硝酸鉀,加上少許氧化鐵反應作為火箭動力,又暱稱為「蔗糖火箭(Sugar Rocket)」。APPL 搭配著 HTTP 研究時程,事先測試用於 HTTP 使用的系統。

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「全臺灣找不到另一個跟這裡一樣特別的地方!」周子豪是火箭實驗室裡最資深的成員,從計畫起始之時就身在其中。他說,因為沒有任何基礎,一開始很茫然,毫無頭緒,不知該從何著手,他們想進行的事情在臺灣也沒有太多經驗供作借鏡,成員儼然像拓荒先鋒。一群大學專題生由小火箭開始摸索,後來周子豪升上研究所,著手研發 HTTP 火箭的發動機,當時大四的賴冠融隨即加入,加上實驗室學長們與老師的技術支援,由小火箭循序漸進至 HTTP。

吳宗信說:「雖然至今火箭點火次數超多,到現在還是會怕。」最初的蔗糖火箭曾經成功,也曾原地炸毀,還曾發生過在交大草坪上試驗時,噴嘴崩解彈射出來,後來搬來舊辦公室隔間板充當安全防護。

2009 年,他們第一次發射 APPL-1 小火箭,發射架為不鏽鋼曬衣架拼湊著用,後來也採取過木製架子加上一般的手推車固定的克難方法。隨著火箭系統壯大,團隊轉移陣地,尋覓更空曠的郊區試驗。

圖03
圖03:2009年發射APPL-1小火箭,當時的發射架十分簡陋。

2010 年 HTTP-1 火箭發射前,老師們緊張到睡不著,吳宗信與何明字老師甚至夢到計畫失敗,吳宗信回憶起發射火箭的那一刻,止不住笑容燦爛,眼裡也漾著笑意,成功那一刻的感動永生難忘,那次經驗讓大家相信,太空夢是有可能親手實現的。

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圖04
圖04:2010年HTTP-1火箭進行發射前的天線測試(發射端)。
圖05
圖05:2010年HTTP-1火箭進行發射前的天線測試(接收端)。

然而科學實驗的過程總是充滿起伏曲折,眾人灌注所有精力、智慧與期待,結果有可能唱反調或差強人意。2011 年 1 月他們在新竹香山濕地試射 APPL-4,主要是為了要測試降落傘,團隊成員拖著火箭走過泥濘的海灘地,火箭破空 500 公尺,不料加速規電路板裝反了,降落傘未打開,導致飛行電腦摔落地面,電路毀損。後續還有兩支 APPL-6,第一支卡在發射架,第二支的降落傘未開。同年8月,團隊重返屏東旭海試射 HTTP-2α,任務重點是回收火箭本體與資訊,因雨延遲兩三天,100 多人徹夜檢查火箭,複習發射程序,凌晨 3 點驅車到海邊準備,在 11 個月前同樣的地方倒數、點火,火箭卻冒出白煙而不動如山,原來是燃料槽的控制閥出問題,它處於高壓情況過久,馬達轉不動它,笑氣流不過閥門與燃料反應。團隊收工檢查、測試,第二天再試射一次亦然,眾人心情一下由頂峰跌到谷底,只能接受結果,收拾行李回去檢討。

圖06
圖06:2011年HTTP-2α發射前成員仔細檢查系統,不料仍發射不成。

距離 2011 年的發射後,經過兩年的檢討與新人員加入,2013 年 9 月一行人又浩浩蕩蕩地來到屏東東部海岸,準備發射約 4 公尺高的 HTTP-2β 火箭。這次升級了配備、新增了記錄火箭飛行軌跡與姿態的高階光纖陀螺儀、全球定位接收機GPSR。火箭雖然順利將射上接近十公里高空,但通訊狀況卻嫌不佳。

同年底的 APPL-7II 多了個小衛星作為酬載儀器,這是新加入的團隊,中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製罐頭衛星(CanSat)「阿亮一號」,隨小火箭升空測試通訊與感測器。APPL-7II 不負眾望任務成功。

圖07
圖07:2013年APPL-2火箭發射,衝上湛藍天際。
圖08
圖08:2013年順利發射的APPL-7II火箭整體照。

2014 年,火箭研究邁入第 7 個年頭,步伐愈來愈穩健,團隊在今年2月甫完成小型火箭 APPL-8 試射,測試降落傘,3 月 24 日試射總重 300 公斤的 HTTP-3S(S 意為單節火箭),接下來更要一步步試著讓火箭穩定旋轉、設計兩節式火箭,年底將挑戰 HTTP-3 火箭送上 150 至 200 公里高空進行科學實驗。

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圖09_S
圖09:小型火箭APPL-8,2014年2月於香山濕地試射。
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圖10:大型火箭HTTP-3S,2014年3月24日於屏東東海岸試射。
圖11_S
圖11:HTTP-3S試射現場,左起為太空中心張浩基博士、陳彥升博士、朱志雄博士、吳宗信、胡惠文、蘇芝明。

多領域的技術結合

圖12_S
圖12:火箭發射前的系統測試畫面。

火箭是集大成的專題研究,一枚探空火箭需要航電系統、感測系統、通訊系統、火箭結構、火箭構型、回收系統相互搭配,加上關鍵的燃燒推進系統。火箭的重心、材質、起飛後的飛行姿態、儀器通訊、何時開傘、降落,每個要求都得納進火箭設計的考慮,也需要精準掌握環境條件。火箭組裝前,各環節系統須經測試、預演等一連串複雜的準備步驟,稍微疏忽都有可能是致命傷。人造衛星、軍事國防、正興起的太空旅遊業,皆需要火箭技術做為基礎。

各校的領頭教授依個人擅長領域分工合作,吳宗信負責推進次系統,同樣是交大機械系的陳宗麟教授負責感測器部分;成大工程科學系副教授何明字負責航電次系統;屏科大車輛工程系的教授胡惠文以前從事汽車工程,現在帶領學生負責研究發射系統、火箭結構與材料;北科大電子工程系教授林信標負責遙測通訊。每個月團隊輪流往返於新竹、臺南或屏東之間開會,報告進度。

詢問起這群夥伴相遇的經過,吳宗信回答:「這很巧!像是天公伯冥冥中有安排。」他解釋,他與這些老師們以前在美國讀書時就認識,沒想到專長領域剛好互補,可以一起做火箭!

火箭藉由不同的氧化劑與燃料搭配、混合燃燒產生高溫高壓氣體,經噴嘴加速噴出,推動火箭向上。交大的學生解釋,火箭主要的燃料模式分為固態、液態、混合式。固態燃料設計最簡單,備便性最佳,但點火後便無法控制推力,安全性較低,部分燃燒配方會產生對人體有害的氯氣;液態燃料火箭的燃料利用效率最大,但燃料槽設計、管線結構複雜。最常用的氧化劑為氧氣,若以氣體儲存,儲藏器必然笨重龐大,通常將之降溫至 -183℃ 成液態氧來縮小體積,但低溫又可能導致管路結冰或金屬脆弱,無法承受振動,因此設計須考量種種因素,成本也貴上許多。

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ARRC 團隊的 HTTP 系列火箭最突出的成就在於燃料設計,採用混合式燃料,以俗稱「笑氣」的一氧化二氮做為氧化劑,通過控制閥注入以人造橡膠聚丁二烯(HTPB)的燃燒室,混合後燃燒產生高溫與高壓,做為火箭動力來源。此混合式燃料具有成本低、安全性高、系統簡單、可多次點火調整火箭速度快慢等多種優點。混合式燃料運用技術近幾十年才開始發展,尚不如固態與液態燃料成熟,要支撐起大型火箭,得繼續鑽研。

圖13_S
圖13:HTTP-2β火箭燃燒艙組裝情形。
圖14_S
圖14:HTTP-3S火箭燃料藥柱製作。

交大此燃料設計的效率表現亮眼,而要評估火箭的燃料利用效率,就得算「比衝」。舉個例子,比衝 250 秒的意思是,每秒反應 1 公斤重的燃料(含氧化劑)可以得到 250 公斤重的推力;若每秒能反應 2 公斤重的燃料,就獲得 500 公斤重的推力,以此類推。比衝除了與火箭性能和設計有關,也與周圍環境大氣壓力相關,HTPB-N2O 類型的混合式火箭在海平面的大氣壓力下,比衝理想值為 250 秒,在同一條件下,交大團隊研製的混合式燃料比衝比理想值低,若換算成真空條件則現可達 240 至 250 秒。

研發探空火箭還有另外一個目的,探空火箭是各國探測高空時的最佳選擇。在高度 40 公里以下的資訊可以靠探空氣球來蒐集,但要觀測更高的高空則需要發射一顆上軌道的人造衛星,成本約 30 至 40 億,價格不斐。理想中,成本較低的探空火箭可在短短幾分鐘行於天際的時間,迅速啟動儀器,觀測、紀錄、即時回傳資訊,而後返回地表;若作為人造衛星載具,火箭途中分節拋棄部分構造,飛上太空,以每秒 7.6 公里以上的速度背著人造衛星,以精巧的角度讓人造衛星入軌,高速與地心引力達成巧妙的平衡方可讓人造衛星保持在一個軌道,繞地球運轉。ARRC團隊的最終目標也是希望研製出小型人造衛星載具,支援太空和大氣科學的研究。

動手做的精神

「自力研發」是 ARRC 的原則,如此技術才能「操之在我」,火箭的材料必須到處尋求資源,買來原料自己設法加工,不會的地方就查書問人或查網路。擅於衝浪的成員莊康閔利用衝浪板製材的玻璃纖維製作火箭零件;魏世昕逛市集蒐購尼龍布尼龍繩、查找網路教學影片,一針一線縫出降落傘,收納降落傘的曲型管則是設計後找 3D 列印廠商列印出來的。部分元件其實隨手可買得現成品,但有的成本高,有的配備功能多於需求,成為火箭額外負擔。自主設計好處是成員對設備瞭若指掌,能屏除多餘部分,並依點子發想加進需要的功能。

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圖15_S
圖15:成員自行進行HTTP-1火箭航電骨架修改。
圖16_S
圖16:HTTP-3S火箭航電外殼修正加工情形。

「動手做」的體驗讓人學習思考、學習挫折、學習務實,一次次的失誤同時也是珍貴收穫,團隊學會和失敗相處,反覆的檢討、改進、練習、修正,漸漸讓火箭系統更周全。團隊一路走來,在先天不良的情形下,一點一滴刻苦建立軟、硬體資源,克難帶點跌跌撞撞,但底子磨練得紮紮實實。「這個火箭計畫不僅訓練學生,也訓練了老師。」吳宗信坦言,臺灣學界大部分人多埋首理論,少有實地觀察、研發,實地了解火箭各系統如何搭配、運作細節的機會。

未來

愈來愈大的目標帶來愈來愈多的挑戰,從小火箭到大火箭,並不是只要將火箭各結構等比例放大即可。將火箭尺寸放大不是簡單差事,還關係到結構的強度、耐熱度也要增加,但有些材料性質(如機械強度、化學特性)是不變的,火箭零組件牽一髮動全身,修改一處,模擬、試算工作就得再來一遍;控制火箭旋轉也有許多因素得考量,例如應該把火箭重心位置擺哪裡、要怎麼控制到適當的轉速,讓火箭穩定同時不妨礙搭載的配備儀器運作。周子豪說:「火箭最重要的是確保可靠性,讓一個元件運轉很簡單,但要讓所有零件同時順利運轉很困難,每次出問題的地方都不一樣。」

有別於其他研究單位多專精研究特定的火箭次系統,ARRC 團隊選擇集大成的整合,同時進行火箭各系統研製工作的方式。「臺灣沒這產業,但也是機會。」吳宗信強調:「學會設計並製作『系統』是國家科技進步的動力。」臺灣素以代工科技產品零件聞名,然而,如果有朝一日科技風向改變,不再需要這些零組件時,臺灣該何去何從?

國家實驗研究院的太空中心有系列探空火箭計畫,但這共計10枚的探空火箭的計畫將於今年結束。至今臺灣還沒有送衛星入軌的火箭載具技術,ARRC 團隊最終目標是研製出小型人造衛星載具,支援太空和大氣科學研究,讓臺灣能自主發射衛星,不需倚賴他國。美國詩人婁維爾說:「夢既無所忌,行亦無所懼。」這個自製火箭的計劃一路走來,正是為了未來千里之行的穩固打底,期盼有天臺灣在太空科技領域能獨當一面。

圖17_S
圖17:ARRC火箭隊全體隊員與HTTP-3S火箭合照。

各校團隊分工表:

學校 交通大學 臺北科技大學 成功大學 屏東科技大學 銘傳大學 海洋大學
領頭老師與實驗室 機械系教授吳宗信:熱流與電漿物理實驗室機械系教授陳宗麟:微機電伺服控制實驗室 電子工程系教授林信標:行動通訊實驗室 工程科學系副教授何明字:控制與訊號處理實驗室 車輛工程系教授胡惠文:複合材料與輕結構實驗室 資訊管理系助理教授余仁朋 商船學系副教授黃俊誠
學生 十幾人 2人 8人 4人
負責工作 推進力系統、感測器、火箭系統整合 通訊系統 航電系統 航架結構、火箭結構 飛行資料即時顯示系統 空氣動力設計
HTTP-2β火箭準備升空。(ARRC粉絲頁提供)
HTTP-2β火箭準備升空。(ARRC粉絲頁提供)
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HTTP-2β火箭升空。(ARRC粉絲頁提供)
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HTTP-2β火箭升空。(ARRC粉絲頁提供)

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版 2014/9月號

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馥林文化_96
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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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LDL-C 正常仍中風?揭開心血管疾病的隱形殺手 L5
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/06/20 ・3659字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作,泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通,多數人會想到都市裡的壅塞車潮,但真正致命的「塞車」,其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機,主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白( Low-Density Lipoprotein,簡稱 LDL )。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色,但當 LDL 顆粒數量失控,卻會開始在血管壁上「違規堆積」,讓「生命幹道」的血管日益狹窄,進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象:即使 LDL 數值「看起來很漂亮」,心血管疾病卻依然找上門來!這究竟是怎麼一回事?沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用?

膽固醇的「好壞」之分:一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好?答案是否定的。事實上,我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種:高密度脂蛋白(High-Density Lipoprotein,簡稱 HDL)和低密度脂蛋白( LDL )。

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想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」,負責將壞膽固醇( LDL )運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少,清不過來,垃圾便會堆積如山,最終導致血管堵塞,甚至引發心臟病或中風。

我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種:高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)/ 圖片來源:shutterstock

因此,過去數十年來,醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL,女性則需更高,達到 50 mg/dL( mg/dL 是健檢報告上的標準單位,代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數)。女性的標準較嚴格,是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降,需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地,LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下,以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字,實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼,為何同為脂蛋白,HDL 被稱為「好」的,而 LDL 卻是「壞」的呢?這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪,會透過血液運送到全身,這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」,主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式,而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

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這些血脂對身體運作至關重要,本身並非有害物質。然而,由於脂質是油溶性的,無法直接在血液裡自由流動。因此,在血管或淋巴管裡,脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合,變成可以親近水的「脂蛋白」,才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠,製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中,低密度脂蛋白載運大量膽固醇,將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時,部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應,最終形成粥狀硬化斑塊,導致血管阻塞。因此,LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號,因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白(HDL) 則恰好相反。其組成近半為蛋白質,膽固醇比例較少,因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」,負責清除血管壁上多餘的膽固醇,並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此,HDL-C 被視為「好膽固醇」。

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為何同為脂蛋白,HDL 被稱為「好」的,而 LDL 卻是「壞」的呢?這並非簡單的貼標籤。/ 圖片來源:shutterstock

過去數十年來,醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物,如史他汀類(Statins)以及近年發展的 PCSK9 抑制劑,其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而,科學家們在臨床上發現,儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好,甚至很低,卻仍舊發生中風或心肌梗塞!難道我們對膽固醇的認知,一開始就抓錯了重點?

傳統判讀失準?LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年,美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校(UCLA)進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間,全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據,並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現,在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中,竟有高達 72.1% 的人,其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」!即使對於已有心臟病史的患者,也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

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這項研究明確指出,依照當時的指引標準,絕大多數首次心臟病發作的患者,其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著,單純依賴 LDL-C 數值,並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式,可能就像只計算路上有多少貨車,卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣,沒辦法完全揪出真正的問題根源!因此,科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」,找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」:L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡,誰才是最危險的分子,科學家們投入大量心力。他們發現,LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質,其成員有大小、密度之分,甚至帶有不同的電荷,如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

為了精準揪出 LDL 裡,誰才是最危險的分子,科學家們投入大量心力。發現 LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質,其成員有大小、密度之分,甚至帶有不同的電荷。/ 圖片來源:shutterstock

早在 1979 年,已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

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台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術,像是用一個特殊的「電荷篩子」,依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡,成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少,相對溫和;而 L5 則帶有最多負電荷,電負性最強,最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年,陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中,分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實,在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中,L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣,不僅天生帶有超強負電性,還可能與其他不同的蛋白質結合,或經過「醣基化」修飾,就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質,使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時,它並非僅僅路過,而是會直接「搞破壞」:首先,L5 會直接損傷內皮細胞,讓細胞凋亡,甚至讓血管壁的通透性增加,如同在血管壁上鑿洞。接著,L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後,血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

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然而,這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後,會堆積在血管壁上,逐漸形成硬化斑塊,使血管日益狹窄,這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂,可能引發急性血栓,直接堵死血管!若發生在供應心臟血液的冠狀動脈,就會造成心肌梗塞;若發生在腦部血管,則會導致腦中風。

L5:心血管風險評估新指標

現在,我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此,是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在,除了關注 LDL-C 的「總量」,我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」,即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念,從世界知名的德州心臟中心帶回台灣,並創辦了美商德州博藝社科技(HEART)。HEART 在台灣研發出嶄新科技,並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可,日本也正在申請中,希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說,如果您的 L5% 數值小於 2%,通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%,您就屬於高風險族群,建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時,務必提高警覺,這可能預示著心血管疾病即將發作,或已在悄悄進展中。

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對於已有心肌梗塞或中風病史的患者,定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外,糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群,以及長期吸菸者,L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代,無論是癌症還是心血管疾病的防治,都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標,而是進一步透過更精密的生物標記,例如特定的蛋白質或代謝物,來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值,或是對這項新興的健康指標感到好奇呢?

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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

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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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

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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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