Space X補給火箭，升空後不到三分鐘即爆炸

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／林彥興（EASY天文地科團隊總編輯，現就讀清大天文所）

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分，SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年，世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際，以及雙助推器同時著陸的震撼。

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們，對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力，從低軌小衛星共乘、高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦，而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技，在大幅降低成本的同時，也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天，獵鷹九號已經發射 49 次，佔世界總發射次數的約 35%；論發射酬載總質量，世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。^[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀，面對少數特別重的酬載（也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體），或是要把酬載送到特別高能量的軌道時，仍然力有未逮。怎麼辦呢？基本概念很簡單：在獵鷹九號第一節兩側，再綁兩根第一節火箭，給火箭更多的燃料、更強的推力，就能把更重的酬載，送到更高更遠的地方，這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上，人們將中間那根第一節稱為芯級（Core Stage），兩側的則稱為助推器（Side Booster）。根據任務需求，芯級和助推器可選擇不同的回收模式（陸上回收、海上回收、不回收）。在完全不回收的模式下，獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力（LEO），比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

風光亮相後？

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭，一般不會有客戶願意買單承擔風險，因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西，常稱為「假酬載 Dummy Payload」，向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載，也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢？
大老闆 Elon Musk：「啊，那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

首飛隔年（2019）四月和六月，獵鷹重型分別進行了兩次任務（福衛七號就是其中之一噢）。但在這之後，獵鷹重型彷彿就進入了休假期，長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢？這背後的原因有非常多面相可以討論，比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限，在此就不展開細說。但總之，對太空迷們來說，這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型，但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

機密任務 USSF-44

回到正題，本次 USSF-44 任務的目標，是為美國太空軍發射機密軍事衛星，前往地球同步軌道。

在上面的影片中，我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後，火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒，幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收，毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒，芯級耗盡所有燃料並脫離，由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性，第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器，如何自行返回陸上降落場，並最終成功降落。

本次任務的成功，不僅宣告著獵鷹重型的回歸，也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」，而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」（相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文）。擁有將衛星直送 GEO 的能力，對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面，雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了，但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好，不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧！

還要再等三年嗎？獵鷹重型的未來

那麼，何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢？答案可能比你以為的要快。按現在的規畫，明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射，分別是 ViaSat-3 與 USSF-67，都是 GEO 直送任務。但當然，這是火箭發射，再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看，未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括：

• 大型行星探測器：靈神星（Psyche，左圖）任務與歐羅巴快船（Europa clipper，右圖）。

• 阿提密斯計畫：月球門戶建造（PPE 與 HALO 艙段）、VIPER 月球車、月球門戶補給（Dragon-XL）。

• 旗艦太空望遠鏡：羅曼太空望遠鏡（RST）。

• 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中，都是關鍵角色。接下來幾年，就讓我們拭目以待，一起見證獵鷹重型大展身手吧！

企業家Elon Musk領導的太空探索科技公司Space X原本計畫在美國當地6月28日發射無人火箭「獵鷹9號」（Falcon 9），將補給品及科學裝備送至國際太空站，卻在升空後不到三分鐘就發生爆炸。

獵鷹9號原先計畫將裝有四噸食物、燃料及科學裝備的「飛龍號」（Dragon）貨運太空船送至國際太空站，在太空站停留一個月後，再將一千四百磅的硬體設備、垃圾等貨物帶回地球。在升空之前一切正常，火箭的九具推進器在升到高度27英里時也都正常運作；但升空兩分多鐘後，感測器感測到火箭的液氧罐出現壓力過高的現象。獵鷹9號最後於當地上午十點半爆炸解體，並墜毀於大西洋中。

過去十個月以來，已經有三架原訂將補給品送至國際太空站的火箭發射失敗。目前共有三名太空人仍駐紮在該太空站中，兩位是俄羅斯籍的太空人Mikhail Kornienko和Gennady Padalka，一位是美國籍的Scott Kelly。

NASA表示，這幾位太空人手中的物資能夠讓他們再撐上四個月，之後也相繼會有來自日本、俄羅斯的火箭運送補給物資過去。

NASA署長Charles Bolden表示，對於這起火箭爆炸事件，他們也感到非常沮喪。他說NASA會與Space X密切合作，以查明事發原因並找到解決之道，讓其餘火箭能夠順利升空。

在獵鷹9號已執行的十九次發射中，這是它的第一起失敗紀錄。其所屬的公司Space X近期才獲得美國空軍認證，讓Space X能夠發射軍用衛星。Space X一直以來也都在與波音（Boeing）公司競爭，挑戰成為第一間將載人火箭成功送上太空的民營公司。

這次的發射失敗可能會讓美國國防部在國會中面臨極大的挑戰，而且可以想見的，Space X的競爭對手肯定也會針對此事件大做文章。

資料來源：

• A SpaceX rocket exploded on a mission to the International Space Station QUARTZ [JUN 28, 2015]
• SpaceX’s Falcon 9 Rocket Breaks Up After Florida Liftoff The Wall Street Journal [JUN 28, 2015]
• SpaceX rocket explodes after launch CNN money [JUN 28, 2015]

• 文／林彥興｜現就讀清大理學院學士班，EASY天文地科團隊總編輯

Starlink 是 SpaceX 正在組建中的全球衛星網路系統。從於 2019 年底至今不到一年半之內，SpaceX 就已經進行了超過 23 次 Starlink 衛星發射 (2021.04.12)。若是加上之前的幾批原型機，Starlink 的總發射數已接近 1600 顆，遠遠超越歷史上所有的衛星星座[註一]系統。但規模龐大的 Starlink 計畫在提供全球高速衛星網路的同時，也對近地軌道的環境，以及原本黑暗的夜空造成難以忽視的重大影響。其中，又以天文學家與天文攝影愛好者們受害尤其嚴重。而且，在可預見的將來，還會有更多企業投入近地軌道衛星網路的競賽。如何在讓世界更加緊密的衛星網路，以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡，值得所有人持續關注與理解。

Starlink 的存在價值：為什麼我們需要衛星網路？

對大多數的台灣人來說，網路並不是太稀罕的東西。因為我們的網路基礎建設相當完善，電信公司的光纖網路、無線基地台、Wifi 分享器在生活周遭隨處可見。甚至在高山或海邊的風景區，只要不是完全裊無人煙，也常常有不錯的訊號。我們早已習慣天天上網、逛臉書、滑 IG、打卡、發宵夜文，甚至許多人的工作與學習，都仰賴穩定而高速的網路。

但世界上並不是每個地方都如此。多數國家的網路基礎設施都遠不如台灣完善，全球約有半數的人口處於沒有網路可用的狀態。想要在合理的成本下，將網路的服務範圍擴張到深山、沙漠、大洋等地相當不容易。

那如果用衛星作為網路的節點呢？這樣不就可以不受地理易達性的限制，讓全世界所有角落都有網路可以用了嗎？沒錯，這正是 Starlink 所希望達到的目標。他們希望在近地軌道上建立起覆蓋全球的衛星通訊網路服務。而且為了讓 Starlink 系統的資料傳輸速度與延遲能夠和一般的地面電信公司競爭，他們計畫將超過 12000 顆通訊衛星[註二]部署在 500 至 1300 公里之間的多個軌道殼層上。

12000 顆衛星很多嗎？非常的多！這個衛星數量不僅遠超過以往任何衛星星座，甚至是人類發射過的衛星總數都大約只有 9000 顆而已。足見 SpaceX 的野心之龐大。這種覆蓋全球的衛星網路，有可能可以造福全球數十億無法上網的人，讓他們能夠享受到網際網路帶來的教育、資訊、娛樂等重要資源。

自 2019 年 11 月 11 日至今的約一年半內，SpaceX 每隔幾週就發射一次 Starlink，一次發射會送 60 顆衛星進入軌道。僅僅三次發射之後，SpaceX 就已經成為地表最大的衛星操作者；23 次發射之後，軌道上運作中的衛星已有六成都是 Starlink。

從 2020 年年中開始，Starlink 開始在北美地區進行測試，並表現出下載速度 50 – 150 Mbps，延遲 20 – 40 ms 的不俗性能，雖然價格略微昂貴，但仍受到不少偏遠郊區使用者的推崇。推薦大家親自上 Youtube 上看看那些數量龐大的測試影片，了解使用者們的想法。最近（2021.04）更看到多則實測 200 Mbps 下載速度的新聞，且服務範圍也擴展到英國、德國、澳大利亞、紐西蘭等地，發展非常迅速。人們相信，這種覆蓋全球的衛星網路，將有潛力把珍貴的網路，以及其附帶的教育、娛樂等資源，帶給全世界的人。

Starlink 的環境影響：光害與壅塞的近地軌道

這樣的願景雖然美好，然而發射如此大量衛星，卻造成了許多未曾被重視的環境問題，讓 Starlink 自從建構之初就飽受各方爭議。

第一個引爆點是 Starlink 的光害問題。相信關注太空議題有一陣子的朋友，都有看過一整排 Starlink 衛星像一排閃亮的星際火車一般橫越夜空、毀掉天文觀測的照片或影片。雖然這些影片往往都拍攝於衛星剛發射時，正式運行中的衛星因為軌道高度較高，並不會如此之亮，但卻足以激起天文界對於這項計畫的反彈。對像是薇拉．魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）、史維基瞬變探測器（Zwicky Transient Facility）等大面積、高頻率的巡天觀測計畫影響尤其嚴重。當然，天文學家可以藉由各式各樣的演算法消除掉這些衛星通過的光跡，但是這不僅會增加資料處理的困難度，也可能降低觀測資料的品質。

另外，1979 年國際天文聯合會（IAU）定義，光害小於夜空自然亮度的 10% 處，才是適合建造專業天文台的地方。但在三月底發表於英國皇家天文學會月報的一篇專題討論中，研究人員估算了軌道上的衛星反射陽光而貢獻的背景亮度，發現竟然很可能已經超過了這個標準。衛星造成的光害嚴重性可見一斑。還有，作為通訊衛星，Starlink 會不斷發出強烈的無線電波，雖然已經刻意將通訊頻段與觀測頻段錯開，但是仍會對電波望遠鏡造成影響。相關報導可見這篇。

針對這些影響，一個常被提出的觀點是：既然 SpaceX 已經降低前往太空的門檻，為什麼不把望遠鏡都搬上太空，就沒這個問題了？但站在天文學家的立場，即使發射的成本降低，設計與建造一座太空望遠鏡仍是相當昂貴的。地面望遠鏡在建造技術的成熟度、維修升級的方便性等方面，還是有著太空望遠鏡無法企及的優勢。因此在可預見的未來，地面望遠鏡仍然會是天文學的重要支柱。

除了光害之外，將如此大量的衛星置於近地軌道之中，也讓近地軌道變得更加擁擠，衛星與太空垃圾之間的碰撞機率也隨之提升。2019 年 9 月，歐洲太空總署的埃俄羅斯氣象衛星為了閃避 Starlink-44 而調整軌道，就是一個著名的例子。其實，衛星為了閃躲太空垃圾和其他衛星而改變軌道是相當常見的事，但當軌道變得越來越擁擠，如何快速與正確的監控軌道上的物體、計算可能的危險碰撞，並即時與其它衛星公司協調讓衛星改變軌道等工作，就變得越來越困難且重要。

SpaceX 的努力：如何降低衛星的負面影響

值得慶幸的是，面對 Starlink 帶來的負面影響，SpaceX 並沒有兩手一攤、充耳不聞。從 2019 年開始，SpaceX 就與各領域合作設法降低衛星星座的影響。比如為了解決衛星的光害問題，SpaceX 曾嘗試把衛星塗黑、加裝遮陽板、改變衛星姿態等方式來降低衛星產生的光害。在埃俄羅斯衛星事件之後，SpaceX 也改進了他們的衛星控制系統，以更好的避開可能的撞擊。

享受便利與資源的同時，也要取得環境保護的平衡

無庸置疑的，Starlink 已經是史上規模最龐大的衛星系統。

而且無論你是否認同它的價值，可預見的未來 SpaceX 幾乎不可能放棄這項重要的生財工具。而且除了 SpaceX 之外，還有 OneWeb、LeoSat、Project Kuiper、鴻雁、虹雲等近十個計畫已被提出或正在建置，預計都會成為至少上百顆衛星的大型衛星星座。這些衛星網路擁有造福全世界人類的潛力，尤其是讓身處基礎設施不發達處的人們，享受到網際網路帶來的豐富資源；但另一方面，龐大的衛星也帶來嚴重的光害與太空垃圾問題，衝擊未來的太空發展與科學研究。如何在讓世界更加緊密的衛星網路，以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡，值得所有人持續關注、討論與理解。

註解

1. 衛星星座（Satellite Constellation）是由多個衛星組成且一起工作的系統。比如 GPS 導航衛星就是由 24 顆衛星所組成的衛星星座。
2. 基於各種政治問題，Starlink 的計畫部署總量仍有相當的變化空間。這邊採用相對保守的、已被核准多年的 12000 顆。

延伸閱讀

1. https://hchsastronomy.blogspot.com/2020/01/starlink.html
2. 【時事新聞】Starlink-1 升空一週年
3. Study finds nowhere on Earth is safe from satellite light pollution
4. SpaceX Starlink coverage map: When will it be available in my area?
5. Starlink And Its Impact On Astronomy
6. Starlink already threatens optical astronomy. Now, radio astronomers are worried
7. SpaceX’s Dark Satellites Are Still Too Bright for Astronomers
8. How to better manage space traffic: Aeolus/Starlink encounter shows emails and late-night phone calls no longer cut it