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DNA 突然消失──《如果這樣,會怎樣?》

天下文化_96
・2015/02/04 ・2733字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

 

Q: 這也許有點恐怖,不過……如果某人的 DNA 突然間消失了,那這個人還可以活多久?

─尼娜.查爾斯特(Nina Charest)

A: 如果你的 DNA 不見了,你會立刻減輕大約 150 公克。

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如果某人的 DNA 突然間消失了,那這個人還可以活多久?圖 / By Tom Woodward @ flickr

減輕 150 公克

這種減重策略我並不建議。要減掉 150 公克還有更簡單的方法,例如:

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1. 脫掉襯衫

2. 去尿尿

3. 剪頭髮(如果你的頭髮很長)

4. 捐血,不過一旦抽出 150 毫升的血,就要停止靜脈穿刺,不許再抽更多血

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5. 拿著直徑 90 公分的氫氣球

6. 切掉手指

如果你從極區到熱帶旅行,也會減輕 150 公克。會發生這種事情有兩個原因:
一來,地球的形狀像這樣:

圖片1如果你站在北極,那麼你跟地心的距離會比你站在赤道時,減少 20 公里,因而在北極會感受到較強的地心引力。
二來,如果你在赤道上,離心力會將你往外甩。〈註 1〉

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這兩種現象的結果是:如果你在極區與赤道地區之間移動,你的體重可能會減輕或增重多達 0.5 %左右。

我一直強調體重是因為:如果你的 DNA 消失了,你察覺到的第一件事,並不是物質的有形損失。你可能會有感覺(隨著每個細胞略微收縮,產生一致的微小悸動),但也可能沒什麼感覺。

如果你失去 DNA 時正好站著,也許會微微抽搐。當你站立時,你的肌肉一直在努力維持你的挺直。那些肌肉纖維所施加的力不會改變,但肌肉纖維正在用力拉住的質量(你的四肢)會改變(變小)。由於 F = ma,因此身體的各個部位會略微加速。

之後,你說不定會覺得挺正常的。

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但這只是暫時而已。

毀滅天使

從來沒有人曾喪失所有的DNA〈註 2〉,所以我們無法斷言,這在醫學上會有什麼確切的連續後果。不過,為了對「可能會變成什麼樣子」有個概念,我們先來談談蘑菇中毒。

鱗柄白毒鵝膏菌(Amanita bisporigera)是發現於北美洲東部的蘑菇,它跟在美國及歐洲的親戚品種一樣,俗名也稱為毀滅天使

圖片2

毀滅天使是一種小小的、白色的、看似無害的蘑菇。如果你和我一樣,都被叮嚀千萬不要吃樹林裡找到的蘑菇。這一切都是因為鵝膏菌屬(Amanita)〈註 3〉。

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如果你吃了毀滅天使,一整天下來,你都會覺得沒什麼事。但到了當天晚上,或第二天早上,你就會開始顯現出類似霍亂的症狀―嘔吐、肚子痛、嚴重腹瀉。然後你開始感覺好多了。

就在你開始感覺好多了的時候,很可能已經回天乏術。鵝膏菌屬蘑菇含有稱為毒傘肽的化學物質,它會與某種用來讀取 DNA 訊息的酵素結合。毒傘肽使這種酵素動彈不得,徹底干擾「細胞聽從 DNA 指令」的作用。

毒傘肽對任何細胞都會造成不可逆的破壞。由於你的身體大部分是由細胞組成的〈註 4〉,這下可慘了。你通常會因肝臟或腎臟功能衰竭而死亡,因為毒素都累積在肝臟和腎臟裡頭,所以這兩種器官是最敏感的。有時候,重症看護及肝臟移植可能救得活病人,但是吃了鵝膏菌蘑菇的人,有非常高的比例最後會斃命。

鵝膏菌中毒的可怕之處在於讓人進入「行屍走肉」階段―這段時期你似乎好好的(或逐漸好轉),但你的細胞正不斷累積不可逆且致命的傷害。

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這種模式正是典型的 DNA 損傷,在那些喪失 DNA 的人身上,我們很可能會看到類似的情況。

以化療與輻射這兩種會造成 DNA 損傷的例子來描述,畫面會更逼真。

化療

化療藥物是「鈍器」。有些藥物比較明確的針對目標,但很多藥物僅僅是普遍干擾細胞分裂而已。化療能選擇性殺死癌細胞,而不會在消滅癌症時,同時危害病人,原因在於癌細胞一直都在分裂,而大多數的正常細胞卻只是偶爾才分裂。

不過,有些人類細胞確實會不斷的分裂。分裂最迅速的細胞出現於骨髓中,而骨髓是製造血液的工廠。

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圖片3

骨髓對於人類的免疫系統也很重要。沒有骨髓,我們會失去製造白血球的能力,如此一來我們的免疫系統就毀了。化療會對免疫系統造成損害,使癌症病人很容易受到意外感染。〈註 5〉

身體裡還有其他類型的快速分裂細胞。我們的毛囊和胃黏膜也經常分裂,這就是化療會導致掉髮及噁心的緣故。

艾黴素(Doxorubicin)是最常見、最有效的化療藥物之一,功效是使隨機的 DNA 片段彼此連結、糾纏不清。這就像是拿強力膠滴在棉線球上,把 DNA 黏成毫無用處的一團亂。〈註 6〉以艾黴素治療幾天後,最初的副作用是噁心、嘔吐及腹瀉―這是有道理的,因為藥物殺死了消化道裡的細胞。

喪失 DNA 同樣會導致細胞死亡,可能也會產生類似的症狀。

輻射

大劑量 γ 輻射也會藉由破壞 DNA 而造成傷害;在實際生活中,遭輻射汙染的損害可能最接近尼娜提出的假設情境。和化療一樣,對輻射最敏感的細胞,正是那些骨髓裡的細胞,其次則是消化道裡的細胞。

如同毀滅天使蘑菇的毒性,輻射汙染也有潛伏期,也就是「行屍走肉」階段。在這段期間,身體仍然在工作,但無法合成新的蛋白質,於是免疫系統便不斷瓦解。

在嚴重輻射汙染的情況下,免疫系統瓦解是主要的死亡原因。如果無法提供白血球,身體就無法抵抗感染,連普通的細菌都能進入人體為所欲為。

最後的結局

如果失去 DNA,最有可能導致腹痛、噁心、暈眩、免疫系統迅速瓦解,並且因為急遽的全身感染、或系統性的器官衰竭,而在幾天或幾小時內死亡。

圖片4

從另一個角度來看,至少還有一點好處可堪告慰。如果我們最後終將生活在反烏托邦式的未來,到時候「歐威爾主義」政府要蒐集我們的遺傳訊息,並利用這些訊息來追蹤並控制我們的話……

圖片5

那麼,你就會變成隱形人了。

註:

  1. 是的,「離心力」。不然來打賭。
  2. 我沒有這方面的引證,但我總覺得如果有的話,我們應該會聽過。
  3. 鵝膏菌屬的好幾個成員都叫做「毀滅天使」,另外還有一種稱為「死帽蕈」,絕大多數的蘑菇中毒致死事件,都是這些鵝膏菌惹的禍。
  4. 引證:我找了你的朋友,趁你在睡覺時偷偷溜進你的房間,用顯微鏡檢查過。
  5. 免疫調節劑如「長效型白血球生長激素」(培非格司亭,pegfilgrastim),也就是倍血添注射劑(Neulasta),可使頻繁的化療更安全。在功效上,這些調節劑讓身體誤以為有嚴重的大腸桿菌感染需要抵抗,這樣便能刺激白血球生成
  6. 不過還是有一點點差別;如果你把強力膠滴在棉線上,棉線會著火。

WS147_如果這樣會怎樣_正書封

 

 

本文摘自泛科學 2015 年 2 月選書《如果這樣,會怎樣?》,天下文化出版社出版。

 

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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精準醫療新里程碑:免疫療法如何改變晚期頭頸癌一線治療格局?
careonline_96
・2025/08/16 ・2646字 ・閱讀時間約 5 分鐘

免疫治療大幅推進了晚期頭頸癌的治療成效,義大癌治療醫院腫瘤科主任謝孟哲醫師表示,「在開始任何第一線治療之前,務必進行PD-L1 CPS檢測,幫助醫師判斷該使用單獨免疫治療,還是免疫治療合併化療,才能發揮較佳的療效!」

頭頸癌是指發生在頭頸部的癌症,例如舌癌、口腔癌、臉頰癌等。謝孟哲醫師指出,根據衛生福利部國民健康署《111年癌症登記報告》,台灣每年有超過8000例新個案,其中近九成為男性,男性患者的年齡中位數為59歲。頭頸癌與吸菸、飲酒及嚼檳榔有很強的關聯性。

頭頸癌常對外觀、語言、吞嚥、呼吸功能造成損害,嚴重影響生活品質,而且可能導致失能。經過治療後,約5成的頭頸癌病灶會復發或轉移。

晚期頭頸癌的治療大多需要使用全身性治療,例如化學治療、免疫治療、標靶治療等。北榮腫瘤科主任楊慕華醫師指出,相較於傳統化學治療,免疫治療的治療機轉較精準,能夠顯著提升治療成效。免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitor,ICI)已是晚期頭頸癌重要的治療工具。

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人體免疫系統的T細胞具有辨識並毒殺癌細胞的能力,但是癌細胞能夠與T細胞的免疫檢查點接合,進而抑制T細胞功能。ICI免疫檢查點抑制劑可以阻斷癌細胞與T細胞的免疫檢查點接合,讓T細胞能夠辨識並毒殺癌細胞。

針對晚期頭頸癌,ICI免疫檢查點抑制劑可「先發使用」,在疾病復發或轉移時即開始啟用,或「後援使用」在其他標準治療無效後才開始使用。楊慕華醫師表示,最近幾年的研究顯示,免疫治療如果能夠在病人接受其他藥物治療之前使用,效果會比較好。甚至在術前先行給予免疫治療,能夠獲得明顯的臨床效益,包括整體存活期的延長。

可能的原因是當腫瘤尚未接受其他治療時,其抗原表現較清晰、免疫系統辨識力較強。楊慕華醫師解釋,在經歷過其他治療後,腫瘤微環境可能已經改變,而影響免疫治療的成效。因此,將免疫治療提早應用到治療的前線,對患者會比較有利。

目前在復發或轉移性頭頸癌的治療中,免疫療法與標靶治療皆已被列為第一線標準治療,不過台灣的健保限制兩者僅能擇一使用。謝孟哲醫師說,根據國際大型第三期臨床試驗,比較免疫治療與傳統化療合併標靶治療在第一線的治療成效,結果顯示免疫治療的整體存活期(Overall Survival,OS)優於化療合併標靶治療。

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根據PD-L1 CPS(Combined Positive Score)表現分數進行的次族群分析,若CPS 在20以上,單獨使用免疫治療的效果明顯優於化療合併標靶治療,不僅存活期更長,副作用也較少。若CPS介於 1至19,化療合併免疫治療的效果優於化療合併標靶治療。若CPS小於1,化療合併免疫治療與化療合併標靶治療的效果相當,差異不顯著。因此,臨床實務上,醫師會依據病人的PD-L1 CPS表現分數,來擬定合適的治療策略。

免疫治療的特點是反應時間相對較慢。楊慕華醫師指出,如果病況急迫,例如有大範圍的內臟侵犯或重要器官的壓迫(如氣管),可以採用免疫治療合併化學治療,有助於快速縮小腫瘤體積,同時發揮免疫治療的長期維持效果,為後續的根除性療法(如手術或放射治療)爭取更好條件。這種策略在多種癌症類型的研究中已證實具有效益,也逐漸成為臨床考量的重點。

若病人的腫瘤較小,且經檢測發現其PD-L1 CPS表現分數達20以上,這類病人非常適合單獨使用免疫治療。因為單用免疫治療能達到較佳的整體存活率,且副作用較小。謝孟哲醫師說,若腫瘤體積較大、轉移範圍廣或病情進展迅速,醫師就會傾向採用免疫治療合併化學治療。希望能在短時間內有效縮小腫瘤、穩定病情,避免因腫瘤惡化而導致的併發症。

另一個關鍵因素是患者的整體身體狀況,相較於傳統化學治療,免疫治療的副作用較低,對高齡或虛弱的患者而言耐受性較好。持續治療後,腫瘤可能逐步受到控制,不僅能改善症狀,也有助於改善生活品質、延長存活時間。

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精準醫療的發展,讓晚期頭頸癌的治療成效顯著提升,請務必與醫師詳細討論,共同擬定更有效且個人化的治療策略!

筆記重點整理

  • 頭頸癌常對外觀、語言、吞嚥、呼吸功能造成損害,嚴重影響生活品質,而且可能導致失能。經過治療後,約5成的頭頸癌病灶會復發或轉移。
  • 晚期頭頸癌的治療大多需要使用全身性治療,例如化學治療、免疫治療、標靶治療等。最近幾年的研究顯示,免疫治療如果能夠在病人接受其他藥物治療之前使用,效果會比較好。甚至在術前先行給予免疫治療,能夠獲得明顯的臨床效益,包括整體存活期的延長。
  • 目前在復發或轉移性頭頸癌的治療中,免疫療法與標靶治療皆已被列為第一線標準治療,不過台灣的健保限制兩者僅能擇一使用。根據國際大型第三期臨床試驗,比較免疫治療與傳統化療合併標靶治療在第一線的治療成效,結果顯示免疫治療的整體存活期(Overall Survival,OS)優於化療合併標靶治療。
  • 若病人的腫瘤較小,且經檢測發現其PD-L1 CPS表現分數達20以上,這類病人非常適合單獨使用免疫治療。因為單用免疫治療能達到較佳的整體存活率,且副作用較小。若腫瘤體積較大、轉移範圍廣或病情進展迅速,醫師就會傾向採用免疫治療合併化學治療。希望能在短時間內有效縮小腫瘤、穩定病情,避免因腫瘤惡化而導致的併發症。

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進軍太空產業!SpaceX 啟航,台灣太空中心佈局低軌衛星供應鏈——當商用電子產品從地面上太空,必經哪些環境測試?
宜特科技_96
・2024/12/02 ・4779字 ・閱讀時間約 9 分鐘

低軌衛星引爆全球商機,全球太空經濟在 2040 年預計突破 1 兆美元,許多國家跟科技大廠都加速投入太空市場,台灣也成立太空國家隊。但面對火箭與太空環境嚴苛的考驗,如何在地面模擬測試,使產品能在軌道順利運行?

本文轉載自宜特小學堂〈從地面到太空 商用衛星電子零組件必經的測試〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

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自從 1957 年第一顆人造衛星發射後,現今已有近萬顆衛星在太空飛行,並且數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分,例如地圖導航、實況轉播等,另外.俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網,台灣也在今年四月的花蓮地震首次使用低軌衛星技術,協助災區通訊。因此,發展衛星科技除了民生用途,也深具國家安全考量。

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台灣從 2019 年到 2029 年,於第 3 期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣 400 億元,進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算,至 2030 年全球每年將發射 1,700 顆衛星升空,屆時將創造至少 4,000 億美元的產值。根據美國衛星產業協(Satellite Industry Association)預計,全球太空經濟在 2040 年更有望突破 1 兆美元,其中衛星產業占比上看 88%,達 9,252 億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌(LEO<2,000 Km)、中軌(MEO<10,000 Km)以及地球同步軌道衛星(GEO~35,800 Km),重量從幾公斤到數百公斤不等,其中 SpaceX Starlink 低軌通訊衛星近年轉商業化,開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星(CubeSat)造價門檻相對低,成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟,以及衛星發射和製造成本的降低,帶來龐大的太空商機,相應的電子零組件需求亦隨之增加,讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星依據軌道高度的分類。圖/宜特科技

衛星是由幾個次系統整合而成,包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載(Payload)…等。例如遙測衛星(Remote Sensing Satellite),它的功能是繞地球軌道拍攝照片,其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向;影像感測器則是攝取影像的酬載,電力次系統負責電力儲存與電源管理,最後將照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件,正統太空規的電子零組件要價不斐,且某些零件因各國管制政策不易取得,而商用現貨(Commercial Off-the-Shelf,簡稱 COTS),例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件,價格親民、性能良好,供貨也較充沛,近年採用 COTS 執行太空任務是相當熱門的趨勢。

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衛星的次系統。圖/宜特科技

那麼,COTS 電子零組件要上太空,必須經過哪些驗證測試?本文將從火箭發射環境、太空環境,逐一說明 COTS 欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

3.2.1 發射!火箭發射對電子零組件的影響

1. 振動測試

衛星在地面製造組裝,需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響;組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射,首先會承受火箭的劇烈振動,振動測試機可以在地面模擬火箭發射,以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小,例如美國 SpaceX 獵鷹重型火箭的振動測試參數,以每秒鐘 10~2,000 次的振動頻率,重力加速度到幾十倍,振動測試可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

美國 SpaceX 獵鷹重型火箭發射。圖/p.7, SPACE X FALCON USER’s GUIDE, August 2021

立方衛星振動測試。圖/Sat Search

2. 音震測試

火箭發射過程會產生音震(Acoustic Noise),尤其是面積大且薄的零件,特別容易受音震影響,例如太陽能電池板,天線面板等。音震可能會使這些零件破裂、機構損壞、功能異常。音震艙就是用來模擬火箭所產生的音震,測試時將液態氮汽化,此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力,再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙,測試音震艙內的衛星或零件。

音震艙測試。圖/European Space Agency

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3. 衝擊測試

當火箭離開地面抵達一定的高度時,各節火箭引擎開始陸續分離,接著整流罩展開釋放衛星入軌,這些過程都會產生衝擊(Shock),對衛星內部零件的焊接點、晶片,或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此需要在地面先進行衝擊測試,了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

火箭整流罩打開釋放衛星。圖/German Aerospace Center 

衝擊測試。圖/金頓

4. 電磁相容性測試

此外,因為各種電子零組件集中在火箭狹小空間內,衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務,因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試(EMC),確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

電磁相容性測試。圖/ European Space Agency

  1. 熱真空循環測試

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行,大約九十分鐘繞行地球一圈,衛星繞軌飛行處於真空環境,同時也會面臨溫差挑戰,當衛星被太陽正面照射時,其溫度高達攝氏 120 度,遠離太陽時,溫度可能低到零下 120 度。另外,真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀,真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏(Leak),或是零組件釋氣(Outgassing)產生汙染。

熱真空循環測試(Thermal Vacuum Cycling Test)可模擬太空環境真空狀態與溫度變化,測試時會將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內,再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射,此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態,須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長,也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

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熱真空艙測試。圖/TriasRnD

  1. 輻射測試

少了大氣層的保護,電子零組件在太空環境會直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言,輻射環境包含輻射帶(Van Allen Belts)、銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays,簡稱GCR)以及太陽高能粒子(Solar Energetic Particles,簡稱SEP),這些輻射環境充斥大量的電子、質子,以及少數的重離子(Heavy Ion)等,若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂(Upset)、當機,甚至永久性故障。衛星在軌道運行壽命短則幾個月,長則數十年,衛星在軌道運行時間越長,受輻射衝擊影響就越大。

地球軌道輻射環境。圖/宜特科技

輻射對電子零組件的影響有以下三大類:

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太空輻射對電子零組件的三大效應。圖/ESA

  1. 總電離劑量效應(Total Ionizing Dose Effect,簡稱TID)

電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是 TID 效應的主因, TID 會造成 MOS 電晶體 Threshold Voltage 緩慢飄移,零件漏電因此逐漸增加,漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置,依賴太陽能蓄電,電力相當珍貴,若衛星內諸多的電子零件都在漏電,將造成衛星電力不足而失聯或失控。

  1. 位移損傷效應(Displacement Damage,簡稱DD)

質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應,稱為位移損傷效應(DD),屬長期累積大量質子的物理性損傷,質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外,形成半導體的缺陷,零件漏電也會逐漸增加,其中光電零件對 DD 效應較敏感,例如影像感測元件,DD 會造成影像品質降低,另外也會使衛星使用的太陽能電池(Solar Cell)轉換效率下降。

  1. 單一事件效應(Single Event Effect,簡稱SEE) 

TID 與 DD 可以看成慢性病,是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應,SEE 就是屬於急性症狀,隨機發生又難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的 SEE 效應,而重離子比質子更容易引發 SEE,太空環境的重離子數量雖然相對少,但殺傷力強,一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

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SEE 造成的故障可分成 Soft ERROR 與 Hard Error 兩大類。 Soft Error 的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等,重啟電路可恢復其運作,但若電子零組件對輻射很敏感,當機頻率過高則會影響任務執行,因此需以輻射測試評估其事件率(Event Rate)。Hard Error 則是永久性故障,例如重離子容易引發半導體零件栓鎖(Latch-Up)現象,若沒有對應機制,零件可能因大電流燒毀,因此 SEL (Single Event Latch-Up)是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

單一事件效應的各種現象。圖/宜特科技

太空環境有各種能量的粒子,包含:質子、電子、重離子…,能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼(鋁)阻擋,但衛星發射成本主要以重量計價,外殼厚度相當有限(通常為幾毫米厚的鋁材);而高能量的粒子則會穿透衛星外殼,影響電子零組件運作,因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響,在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS 電子零組件,都有一定的抗輻射能力,但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求。

美國 NASA 的太空輻射實驗室。圖/NASA

COTS 電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」,包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試,以及太空環境熱真空循環和輻射測試等,更多的測試項目就不一一細數,通過這些測試後,更重要的是取得「飛行履歷」(Flight Heritage),將產品發射上太空,若能成功執行各種任務,取得越多飛行履歷,產品的身價就越高,太空產業非常重視飛行履歷,飛行履歷也是產品的最佳保證書!

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宜特是亞洲最完整的太空環境測試第三方實驗室, 2019 年與國研院太空中心合作推動台灣太空產業發展。自 2021 年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟以來,我們已完成多種電子零組件的輻射測試,涵蓋了類比、數位、記憶體、射頻等。我們將持續建構更完整的太空環境驗證測試能量,提供一站式服務。協助廠商可專注於產品的設計與製造。

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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