【還能怎樣】徐盺煒：頁岩氣革命對能源發展之影響

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

文／曾泰琳｜台灣大學地質科學系

隨著國際油價的上漲，人們不斷努力尋找石油替代能源或是精進探採技術以提高產能，終於在 1990 年末於北美地區成功開採頁岩油氣並開始量產。開採過程中的關鍵步驟之一是將加壓液體灌入地底，使緊實的頁岩層產生微小裂縫，再通過這些相連通的孔隙將底下的油氣沖洗（flush）到地面上蒐集，這種高端的技術稱為水力壓裂法（hydraulic fracturing），此原理也常被應用在地熱能源的開發以加強地熱流通量。雖然水力壓裂技術已存在數十年，也一直有所改進，近期學者們卻開始對這種破壞岩石的開採方式表示關切，因為在這些生產區已出現一些「不尋常」的地震活動。

美國中部地區的統計結果顯示地震在近幾年有明顯暴增的跡象（下圖）。規模大於等於三的地震數量由 1973–2008 年間平均每年24 個增加到 2009–2014 間的 193 個，而現在單是 2014 年就有 688 個地震發生。地震發生頻率增加的地方並不是隨機的，而是在特定的區域，許多是油氣開採作業區附近，有的則鄰近回收水灌注井（wastewater-injection well），因此懷疑地震是人類活動引起而非自然發生。雖然被懷疑為觸發的地震其最大規模都在 4.5 至 5.5 之間，在台灣只能算是中型有感，但在平常沒什麼地震活動的美國中部就顯得相當突兀，也有一些災情傳出。要分辨人為與天然地震並不容易，需要好的佐證資料，提升對小地震的偵測能力。

這幾年來陸續有學者針對油氣開採區做詳細的地震觀測，想要藉此了解注水與地震的關係及特性。以美國 Ohio 的 Township 為例，2014 年的地震群在其發生的空間與時間皆可跟水力壓裂工地的施作對應上，於是可以認定地震是被誘發的，而觀測到的地震規模普遍都在芮氏規模三以下。

最近 2015 年 1 月 23 日在加拿大 Alberta 的 Crooked Lake 則發生了一起芮氏規模 4.4（地震矩規模 3.8）的有感地震。加拿大學者試著監控井壓及地震活動的變化，將地震以雙叉分法（double-difference）精確定位，結果證實 2011~2013 年的群震活動在附近數公里外之作業井施行灌注的時間相符，兩者時間序列的交互相關高達 99%，井壓大約 60 MPa。隨後該區又在 2015 年 6 月 13 日發生一起同樣規模的地震，顯然類似的活動可以不斷發生。

從斷層面解來看，這類地震都比較像是屬於剪切錯動型態的地震，並沒有很強的體積變化或非力偶分量。地震規模及數量則可進一步推求 b 值（即大地震與小地震的數量比關係），這些地震的 b 值估算約為 0.8–0.9，與水力壓裂產生裂隙所直接造成的地震（b 值 ~2）不同，因此一般相信這些地震可能是原已存在的老斷層被觸發而引起錯動。

到底水力壓裂如何影響地震的發生呢？斷層錯動需要達到一定的有效應力人為的影響（無論注水或抽水）都可能造成應力與孔隙壓力的變化，當剪切力上升、正向力下降、以及孔隙壓力增加之時較容易達到斷層破裂（或錯動）條件而引發地震。一般來說地震誘發可以是發生地本身的應力受到擾動，也可能是距離較遠的觸發，兩種狀況都被發現過。誘發地震發生時會釋放原本累積在斷層上的大地應力（tectonic stress），跟天然地震其實沒什麼不同。

那麼這種被誘發的地震規模能到多大呢？這個問題目前尚未有定論，原本 2015 年初所發生的 Alberta 地震被認為是加拿大觸發型地震中規模最大的一個，沒想到 2015 年 8 月時又出現一個更大的類似地震在加拿大 British Columbia，規模為 4.5，而 2011 年美國 Oklahoma 中部所發生的規模 5.7 地震也被懷疑與注水有關。由於這種利用注水壓裂岩石的方法在開採工程上已經變得相當普遍，站在地震危害的角度來說，未來應要持續評估它對環境所可能產生的影響，謹慎看待。

資料來源：

• Ellsworth (2013) Injection-Induced Earthquakes. Science, 341, doi:10.1126/science.1225942.
• Rubinstein and Mahani (2015) Myths and Facts on Wastewater Injection, Hydraulic Fracturing, Enhanced Oil Recovery, and Induced Seismicity. Seismol. Res. Lett., 86, 1060-1067, doi:10.1785/0220150067.
• Schultz et al. (2015) Hydraulic Fracturing and the Crooked Lake Sequences: Insights Gleaned from Regional Seismic Networks. Geophys. Res. Lett., 42, 2750-2758, 10.1002/2015GL063455.
• Skoumal et al. (2015) Earthquakes Induced by Hydraulic Fracturing in Poland Township, Ohio. Bull. Seismol. Soc. Am., 105, 189-197, doi:10.1785/0120140168.

本文轉載自「星期五的地質– Friday Geology」，由中華民國地質學會授權轉載。

今年 2015年 7月 1日，位於龍門的核四廠正式封存。這座三十幾年來於興建過程中曾停建再復建的核能發電廠，尚在測試階段，未曾正式啟用，就進入三年的封存計畫。近年來，核四爭議遲遲未能停消，反核、擁核的爭論也未曾平息。

能源議題無庸置疑與我們的過去、現在跟未來息息相關，關於能源的使用跟發展，我們還「能」怎麼做呢？

由工業技術研究院、PanSci 泛科學與經濟部能源局聯合主辦的還「能」怎樣—公民的能源通識課，一共有八場，全台跑透透，而首場就在8/6於台北正式開跑。這次講座的講者總共有兩位，分別是 PanSci泛科學的專欄作者 廖英凱以及成功大學資源工程系副教授 謝秉志。

這次邀請的兩位講者，對於能源議題的知識領域各有所長。廖英凱介紹一般民眾較為關心的台灣再生能源（風力、太陽能、海洋能、地熱能）及非再生能源（火力發電、核能）發展及現況；講者謝秉志則介紹較不為一般大眾所熟知的非傳統能源─（非傳統）油氣能源（頁岩氣、油砂、天然氣水合物）的潛力和發展。

由核能議題探討台灣能源供應狀況──廖英凱

能源議題分成三個面向 – 經濟、政治社會、安全 ，期中最能以科學角度解釋的便是安全問題,它主要又可分成兩部分 :

一、發電方式是不是安全的？
二、發電方式的相關產物是不是安全的。

其中，大家最關心的當然就是核電問題，我們可以用幾個簡單的問答來

Q：核電廠在極端的狀況下會發生核爆嗎？
A：不可能。

因為要產生核爆，要足夠多的中子撞擊，而核電廠所使用的鈾235濃度過低，用產生核爆所需的臨界質量是人類無法企及的無窮大（最左邊的紅線）；既然不可能達到幾何級數般的連鎖反應，自然也無法產生核爆。就像啤酒不能燒，但酒精濃度較高的高梁酒、藥用酒精是可以燃燒的道理類似。

Q：既然低濃度的鈾 235無法核爆，核電廠的能量從哪來？核電廠的核分裂怎麼發生？
A：核電廠用低濃度的鈾 235，運用精準控制中子數量和速度（還要叫中子慢一點），讓中子撞擊產生的核分裂足以引發下一次撞擊。

Q：福島核災的爆炸是怎麼一回事？
A：那不是核爆，是比核爆等級小得多的氫爆，但是氫爆把反應爐廠房炸開導致輻射外洩。

Q：人類在地球上已經丟過多少顆核彈？
A： 2053 顆。

核廢料主要分為兩種 : 高放射性廢棄物與低放射性廢棄物。高放射性廢棄物也稱作「用過核子燃料」、「乏燃料」，全部源自於核能發電產物。這些發電產物的處理程序大概是 :

1.從反應爐取出。

2.濕式貯存（貯存在核電廠的水槽裡冷卻）五年以上。

3.轉乾式貯存四十年（臺灣目前處在這個階段）。

4.尋找適合之深地質永久貯存或是回收再利用再處理。

另一種比較常見的低放射性廢棄物，主要也是來自於台灣的核能發電（包括核電廠除役的建材），其他醫療、工業、農業及學術研究。

相較於高放射性廢棄物，低放射性廢棄物的處置方式比較簡單 : 先固化封裝（包含金屬或粉末，都會先水泥化再放進桶子裡）、再設計一些工程結構或埋在地質障蔽（例如小山丘），尋找近地表處置或坑道存放。目前政府也想另尋較低爭議的低放射性廢棄物貯存地，有在考慮台東縣達仁鄉及金門縣烏坵鄉，但目前進度仍止於徵詢地方意見。

台灣再生能源發展狀況

若不想用核能發電，我們還有什麼其他自然資源可以運用在發電上呢？河川、風力、地熱、海洋能（洋流發電、溫差發電、波浪發電、潮汐發電）、太陽能等再生能源雖然發展前景看好，但是在發展這些自然資源的同時，也別忘了它們的發展阻力。

．水力發電：會影響河川生態。

．風力發電：受季節性影響，台灣夏天風小冬天風大，發電高峰和用電高峰錯置。除此之外，也可能帶來環境公害：噪音、陰影，甚至影響沿海生態。

．地熱發電：開發地都位處森林、山區及偏遠地區，有水土保護疑慮，目前的計劃案都停留在環評未過的階段，也還有管路結構和高溫鑽探等技術層面的問題仍待克服。

．洋流發電：設備必須符合防水、抗侵蝕，加上海底地形造成施工難度高，加上易受颱風來襲時可能造程設備損壞，建設完成後也可能造成漁業生態浩劫及航安問題。（地熱及洋流發電在台灣要進展到可以實際投入發電的階段，可能尚需5到10年的時間）

．太陽能發電：夜晚和日照不足其他的替代能源。另外，太陽能板的構造為半導體，製程有產生污染之疑慮，雖然在台灣尚未發生，但大陸已經有相關汙染事件

據工研院能源局及綠色公民行動聯盟的報告指出，再生能源發展未來潛力有限，在2025年，再生能源也。若是想要非核家園，以德國2013年的一周（7/1~7/7）用電量為例，白天太陽能發電約占總發電量1/3，然而大部分的發電量還是倚賴火力發電。回到台灣，若是在再生能源全力開發後，再加蓋2~5座台中火力發電廠的發電量，想必就能解決用電問題。但提到火力發電，就絕不能不提煤碳燃燒產生的空氣汙染、氣候變遷、全球暖化及全球暖化後續帶來的問題和影響。

以比爾蓋茲提出的公式：CO₂ = P × S × E × C（人類產生的排碳量 = 人數 × 每一個人使用的服務 × 這些服務所消耗的能源 × 以及生產這些能源所產生的二氧化碳）這個公式來思考，隨著全球人口數目、科技的發展，全球暖化和氣候變遷的問題恐怕難以避麵，雖然許多人都說要發展再生能源跟綠能，但以臺灣的環境而言，未來能源並不是個容許無限想像的問答題──恐怕是一個選擇非常有限的選擇題。

https://www.youtube.com/watch?v=SaJoR9k5oLI&feature=youtu.be

油氣能源的現在與未來──謝秉志

呼應比爾蓋茲提出的 CO₂ = P × S × E × C 公式，因為世界人口只會增加，經濟、科技的發展也需要許多能源，對於能源的需求只會越來越高，儘管大家都希望再生能源的發展可以讓化石能源比例壓低，根據一些比較有權威性的報導，在 2035年時，除非再生能源有突破性的進展，化石能源預計還是會佔七成。

其中，油氣資源主要可以分作兩大項：傳統油氣資源和非傳統油氣資源，非傳統油氣資源比較有名的例子，包含美國的頁岩氣、台灣有可能發展的天然氣水合物和加拿大的油砂。

非傳統油氣資源──頁岩氣、油砂

首先是這兩年最火紅的頁岩氣。顧名思義就是從頁岩岩層裡所開採的天然氣，在過去，因為技術層面的問題，導致頁岩氣資源難以被運用，但是在水力壓裂法（Hydraulic fracturing）技術日益成熟後，各國也重新開始省視頁岩氣的可能性。

例如：美國因為成功地商業化開採頁岩氣，已經是全世界最大的天然氣生產國，預計到 2040年，美國有將百分之五十的天然氣會來自頁岩氣，到了 2080年甚至有可能達到能源自主，成為第五個能源自主的國家。

接下來是最早出現的非傳統油氣─油砂。油砂是一種含有高粘度石油的砂子，必須要使用特殊方法讓它流動才能生產出來，，加拿大是唯一將油砂商業化開採的國家，也因此成為世界石油蘊藏量第三大的國家。

天然氣水合物─台灣的機會

再來看一下台灣的機會—天然氣水合物。

所謂的天然氣水合物，又稱可燃冰或甲烷氣水合物，天然氣水合物通常存在於海面下，必須派出探勘船進行震波測勘，如果我們發現反射面和海床的形狀平行我們稱為擬海底反射（BSR）就是天然氣水合物最底層的訊號，因為在天然氣水合物的下方通常是天然氣層，其密度很低，聲波從高密度的地方進入低密度的地方訊號差異會很大，所以就會出現強烈的擬海底反射訊號。

天然氣的開採說來容易，只要挖一口井到達天然氣水合物的地層裡面，把壓力降低，就會造成物質流動，天然氣就自然流出來了 。問題是，在海域上鑽井要價不菲，成功率只有七分之一，總投入的成本更是可觀，所以儘管台灣的西南海域藏有全世界最龐大的天然氣資源，據推估大約有兩兆七千億立方公尺資源量，但礙於技術瓶頸尚未突破，眼前並無商業化的機會。

二氧化碳捕獲與封存

提到油氣資源，不免就得一併提到碳排放的問題。二氧化碳封存的概念其實很簡單，就是「從地下來，回到地下」，在自然界也有非常多的例子。在美國有許多濃度超過百分之九十純二氧化碳氣層，在地底存放了上百萬年，也沒有發生任何意外。

台灣目前已經有相當成熟的地下儲氣技術──台灣飛牛牧場旁的鐵砧山上有一個很有名的鐵砧山儲氣窖，這個儲氣窖原本是生產天然氣的地層，天然氣使用完畢之後，地層結構就變成儲氣窖，經過多次地震測試確定是相當安全，可見二氧化碳地質封在台灣技術上已經是可行的了。

但即使可行，我們如果要進行碳封存，首要之務是與當地居民妥善溝通，當地民眾也必須完全參與了解達成共識，民眾擔心的點有幾個：會不會發生地震、會不會外漏等等，科學家一定要好好與民眾說明與溝通。

https://www.youtube.com/watch?v=12JX1N0t63U&feature=youtu.be