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探尋下一個希望之星:火星任務

探索頻道雜誌_96
・2015/07/15 ・7237字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 597 ・九年級

撰文:劉莎拉(Sarah Liu)

2011年,有個名為「火星一號」(Mars One)的非營利組織與國家航太機構攜手合作,研究如何讓人類永久居住在火星上。從最初的20萬2586位申請者中選出705位候選人進入第三輪面試。隨著四位火星殖民勇士的決選時刻逐漸逼近,《探索頻道雜誌》四處探查如果這充滿爭議的火星單程任務真的成功了,到底會發生什麼事?若他們順利抵達火星,到底會過著怎樣的生活?

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版 請點擊此處

除了週日,睡眼惺忪的黛安娜.麥葛麗絲(Dianne McGrath)每天早上6點前一定會穿上運動鞋,拖著身子上健身房。如果不上健身房,她早上5點半前就會出門跑步。全世界都還在睡覺時就起床運動雖然孤單,卻是有代價的。她喜歡美食,密集運動能讓她偶爾享用巧克力和蛋糕也不用擔心。對一個在澳洲墨爾本蒼翠郊區跟她擦身而過的陌生人來說,清晨就飛奔在人行道的麥葛麗絲除了令人羨慕的身材外,似乎沒什麼特別之處。但在接受《探索頻道雜誌》訪談的幾個月後,她說不定會收到一封改變一生的信。身為火星一號計畫的太空人候選人,麥葛麗絲可能得放棄巧克力、蛋糕,還有晨跑的習慣。事實上,她可能得放棄熟悉的一切,因為她將踏上前往火星的單程任務。

長久以來作家與哲學家都做過這個遙不可及的夢:殖民火星,那裡是終極疆界。六十多年前,美國科幻作家雷.布萊伯利(Ray Bradbury)出色的超現實作品《火星紀事》(The Martian Chronicles)描繪了人類拓荒者在這顆紅色行星上的故事;1952年一隻名叫萊卡(Laika)的俄羅斯狗狗烈士初次被送入太空。1969年人類成功漫步月球並安然返家。接下來我們似乎已做好商業化太空飛行的準備,不論是超級富豪或贊助商均可超越大氣層,旅行外太空。

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每個里程碑都是億萬資金與男女太空人冒著生命危險的成果,不斷地拓展理解和知識的界限,滿足人類探索世界邊境的古老執著。人類已在83%的地球表面留下足跡,其中遭到破壞的地方當然也不少,而浩瀚的太空即如最後的疆界。

「地球表面已探索完畢,現在只能往上發展,」道格拉斯.瓦寇須(Douglas Vakoch)說。他是「地外智慧生物搜尋」協會(SETI)星際信息組合部(Interstellar Message Composition)主任。

事實上,火星熱的再度流行似乎是人類近代史的重要特徵;1965年美國航太總署(NASA)的水手4號太空船傳回21張紅色行星的照片,這是人類初次窺見這片塵土飛揚、坑坑洞洞的荒地,也把火星熱推上高峰。50年後的今天仍有科學家渴望重燃阿波羅登月任務的「光輝歲月」,他們大力鼓吹的不只是載人火星任務,更要在那裡留下足以維續的人口。

新型太空競賽

儘管目前有太空人派駐在國際太空站(ISS),但是殖民無人探訪過的鄰近行星依然超乎想像。支持者認為殖民火星的可能性正在升高,因為技術愈來愈先進,而且我們對火星的認識也與日俱增。

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一場新型太空競賽似乎已經展開,我們離布萊伯利的怪誕夢想可能比過去想像的更加接近。不同的是,國家資助的航太機構不再獨自發號施令。現在他們與許多民營企業和非營利組織共享控制權,正因為如此,我們難以判斷他們的計畫付諸行動的可能性。

專家認為民間的火星任務可以把某些直接的失敗風險納入考量,包括死亡的可能性,這些都是NASA等國家機構不願再承擔的風險。已經宣布要在火星任務上分一杯羹的民間業者包括高調的SpaceX公司,創辦人是特斯拉汽車公司的伊隆.馬斯克(Elon Musk),以及由億萬富翁丹尼斯.蒂托(Dennis Tito)領軍的Inspiration Mars Foundation。

但除了這些大公司外,還有一個看似希望不大的組織也來湊熱鬧:火星一號。這個非營利組織創辦人是巴司.藍斯斗普(Bas Lansdorp)與阿諾.魏爾得(Arno Wielders),他們顯然處於劣勢。當蒂托等大公司聲明要把目標任務日期從2018年延至2021年時,火星一號依然不為所動,毫不擔心大眾質疑科學家是否已具備支援人類在火星生活的技術能力。火星一號表示,他們的目標是九年後派遣第一支四人先鋒隊徹底探索火星,並且永遠居住在那個外星之地。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

單程票

火星一號計畫自2011年揭幕以來就備受關注,它預定2024年要在火星上建立永久的人類殖民地,儘管令人驚訝,但火星一號堅稱非常合理。於此同時,火星一號打算募集預估所需的60億美元,跟NASA為未來20年的深太空探索計畫評估的預算八百到一千億美元相比,實在小巫見大巫。

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這項火星任務被比喻為「遺民」,因為史上第一批火星居民將永遠無法見到地球上的家人朋友。另外,由於火星和地球每兩年就會達到最近距離一次,所以火星一號打算再募集四十億美元,目的是每兩年增加四位殖民人口,讓更多勇敢的探險家登陸火星。

這項看似簡單的計畫總共排定六個任務;對某些人來說也許簡單過頭了。2016年開跑的示範任務打算運送「必要的」補給品上火星。兩年後,火星一號將派出漫遊車尋找最適合殖民的地方。2020年,藍斯斗普和魏爾得想送以下的東西到火星:另一批補給品、另一輛漫遊車、兩組維生設備、兩組起居設施。

假設每個任務都進展順利,那麼兩台汽車大小的機器人漫遊車會先把所有裝備運送到殖民地點,並且在那組裝維生系統所需的太陽能板。接著從火星土壤中採集水,也就是「烘烤」土壤汲取水份。

除了應急的保久糧食之外,一開始的食物顯然相當稀少。火星殖民者到達目的地後,當然品嚐不到壽司和義大利香腸。他們一到火星就必須盡量找適合的地方耕種,或是以昆蟲和海藻為食;他們住在自給自足、能維持生命的生態系統裡,這個生態系統以某種方式製造可供存活的大氣。當終於有足夠的水和空氣可讓人類在人造大氣中存活夠長的時間,首批的四位「當選人」將展開為期七至八個月的火星之旅。

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像火星一號這般野心勃勃的計畫自然會受到讚賞、批評與嘲笑。儘管這項計畫一開始就吸引了20萬人報名,但最初尚未詳述殖民地基本需求的確切規劃。

2012年,藍斯斗普在 TEDx Talk 演講時宣布:「我們有送人和設備上火星的火箭。我們知道如何讓設備登陸火星。我們擁有讓人類生存於太空的技術,這樣的技術可用來維持人類在火星上的生活,」他說,「我們有支援任務的機器人能幫助火星上的人類。」

儘管未來十年開發必要技術的承諾似乎欠缺說服力,但藍斯斗普和魏爾得的團隊敢於夢想。當然,尚未清楚了解一切並不代表一定會失敗。歷史告訴我們無論面對怎樣的挑戰,偉大的成就需要企圖心和勇氣。

美國前總統約翰.甘迺迪曾說,我們選擇登月不是因為這麼做很容易,而是因為非常困難。既然人類能靠1960年代的技術成功登月並返回地球,誰說火星一號計畫不可能成功?《太空探索的心理學》(Psychology of Space Exploration)的作者瓦寇須告訴本刊,這項火星任務與過去的主要差異在於其終結性。他說:「大多數人難以想像加入火星一號的情況,因為他們無法想像拋下在地球上所愛的一切。」然而,他提醒我們,這種經驗在人類歷史上絕非獨一無二。「事實上,綜觀人類遷徙的歷史,無論是被迫離開或自願離開,所有的移民都經歷過類似的失落感。」他說。

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為了擁有更好的未來,火星一號很可能正是我們所需要的規劃,它能夠克服往返火星的困難、成本與風險,也能確保火星殖民完成有意義的工作。「火星一號是一項革命性的任務,因為它克服了過往任務最大的挑戰之一:安全返回地球,」瓦寇須說。他指出火星一號無須解決從火星發射並返回地球的複雜程序,它提供了一個簡單俐落的解決方案:太空人不必返回地球。

「一般的太空人不用太擔心,因為他們終將回到一個安全、熟悉的環境,再困難的任務都有盡頭。但火星一號不一樣,一旦出發前往火星,就等於下定決心選擇一種永遠無法『退出』的未知生活方式,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

火星上的生活

若想瞭解火星一號太空人必須忍受的生活環境,不妨想像一下人類祖先勇敢面對過的惡劣環境。遠在超市出現前,甚至在人類精通農耕前,早期的人類如何克服難以忍受的飢餓和寒冷?他們怎麼知道什麼東西可以吃,什麼東西不能吃?每一個清醒時刻都攸關生死。生活不是選擇低脂或無麩質食物,而是倖存或死亡。

同樣地,火星拓荒者也將面對陌生環境的種種危險,而且這些危險的性質大致上仍是未知數。雖然我們知道火星一天有24小時40分鐘,這是人類可以適應的差異,但是我們也知道有其他足以致命的差異。

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殖民者非常有可能為了生活在火星上而犧牲生命。除了兩顆火星衛星可能引發的驚奇之外,火星的每個角落都潛伏著危險。例如,在火星上長期處於失重狀態可能會讓太空人產生不可逆的生理變化,包括肌肉萎縮和骨質疏鬆症。但這或許不成問題,因為這些太空人不會返回地球。火星跟地球不一樣,大氣幾乎不存在(重量小於地球大氣的百分之一),所以無法為太空人阻擋高量的輻射或致癌的宇宙射線;他們接受的輻射和宇宙射線量遠遠超出NASA太空人的終身劑量。

長期輻射效應並非殖民者面對的唯一危險。火星大氣是由95%的二氧化碳和3%的氮組成,僅含有微量氧氣,人類的生命之源。這意味著若無輔助就無法呼吸。值得慶幸的是,據信水在火星內陸隨處可見,以永凍土的形式存在。不過目前僅在北極發現永凍土,南極的水以「乾冰」(二氧化碳和水的混合物)的形式存在。

火星的氣候是必須考慮的一個重要因素。一年之中最高氣溫為攝氏20度,最低氣溫為零下153度,比地球南極的低溫紀錄還少了59.8度。殖民者應該喝不到熱巧克力,只能喝昆蟲與藻類攪拌而成的冰沙。雖然富含氧氣的環境有失火之虞,但諷刺的是殖民者需要氧氣才能呼吸。

火星上的人類過著一種「恐怖平衡」的生活:少了不可或缺的暖氣系統會凍死,氧氣過多又可能發生自燃。強風在火星上引起猛烈的沙塵暴,這些沙塵暴可能妨礙太陽能板把太陽光轉化為充足的能量。2007年,NASA的火星漫遊車機會號與精神號(現已退役)就碰到這種情況。如果殖民地碰到沙塵暴,因應之道不是讓機器人休眠到沙塵暴減弱或是全面召回殖民者──他們只能等死。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

現實的檢驗

單程火星之旅加上剛才描述的最壞情況,不難讓人認為這是一個自殺任務。但是不同於二戰日本的神風特攻隊飛行員,這批勇敢的太空殖民者並非有意尋死。如果斷言可能出錯的事一定會出錯,或是預言這些太空人必死無疑,就等於漠視了他們自由選擇的權力與許多偉大夢想家的雄心壯志。

麥葛麗絲等候選人當然已考慮過潛在風險,只是不會把心思一直放在風險上。 「火星上可能出錯的事情很多。我們的身體極限將受到考驗,而且基本上我們就像活生生的實驗品。」她說她已在地球上花了很久時間準備和思考火星生活的各種可能性,她告訴本刊,「如果我既害怕又擔心,就不會加入這個有去無回的任務。」

儘管如此,連科學界都對這個偉大的計畫欠缺信心,遑論候選人本身。「我的主要顧慮是,我們尚未開發出人類登陸火星及在火星上生活的必要關鍵技術,」美國普渡大學航太工程研究生馬克斯.費金說。

費金也是火星一號的候選人,他承認自己尚有顧慮。「我擔心火星一號計畫並不了解自己所面對的問題規模有多大,」他說。本刊問他有沒有任何事會讓他改變心意,不去火星。他的回答很明確。「當然有。如果無法確定所有的必要工作都已完成,讓任務擁有合理的成功機率,我不會不理性地冒然出發。我可不想自殺,」他就事論事地說。

也許是因為火星一號計畫的含糊不清與那些沒有答案的問題,導致某些懷疑人士批評火星一號只是個噱頭。湯姆.瓊斯(Tom Jones)是四度登上太空的NASA太空人,也是科學家和《天空漫步》(Skywalking)一書的作者,他告訴《探索頻道雜誌》火星一號感覺像是個「公關花招」。

假設火星一號計畫成功了,將開啟無限可能。但有許多人,包括瓊斯在內,不僅擔心計畫本身是否完善;他們也相信人類的技術能力太過有限,前往火星等於白白犧牲。

有些人甚至用數據證實自己的疑慮。有一組美國麻省理工學院的研究生預測,火星一號的第一批四位殖民者只能活68天就會窒息身亡。為了避免這種可怕的情況,他們需要一套系統讓氧氣過多會產生問題的地方排出氧氣。目前開發的排氧系統並不適用於太空。

與其犧牲生命,已從NASA退休的瓊斯支持以循序漸進的方式舖築人類的火星之路。「以現有技術看來,火星一號的目標在技術上無法實現,」他說,「只有在人類學會採集太空資源之後,才有可能殖民火星。例如以商業規模採集陽光,從月球或小行星採集水、建材和稀有金屬。」

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

瓊斯認為在殖民之前以這種循序漸進的方式準備,風險一定會小很多。「企業的成功將為火星的登陸與生活提供技術跟資金,」他說。

於此同時,NASA正在開發2025年之前將人類送上小行星所需的技術,而登陸火星的時程則是定於2030年代。

火星一號的問題不只如此。火星一號任務能否成功,絕大部分取決於能否為殖民前的五個前導任務募得所需資金,更別提載人任務本身的成本。藍斯斗普和他的團隊目前依靠捐款、贊助、投資,甚至是 Indiegogo 群眾集資平台。

火星一號以媒體做為主要收入,或許是這項充滿野心的計畫最令人不以為然的一點。簡單地說,四位殖民者將受到24小時的全面監控,他們在火星上的私人生活會在地球上播放。是的,這是火星版的《我要活下去》(Survivor)。

第一組太空人需要60億美元,之後的每一組太空人需要40億美元,這的確不是兒戲。火星一號的確把大量資源集中於一處,尤其是他們公然模糊科學與娛樂之間的界線,這或許不是為艱辛的火星來回之旅提供資金最有效也最符合道德的作法。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

「火星一號的最大威脅是資金,」瓦寇須說,「創始人如何確保地球持續關注火星?如果送第一代殖民者上火星的創投業者認為不值得繼續投資,該怎麼辦?後續的金援從何而來?」更讓人害怕的是,誰願意告訴火星殖民者節目被取消了?

在太空科學的領域拓展人類疆界可能會產生一種英雄主義心態,在這種心態下,我們很容易漠視太空旅行更人性化的一面。考慮殖民火星可能會遇到的問題時,焦點都放在技術上和財務上的可行性。但是除了實用性之外,也可能會出現心理上的問題。

火星一號的殖民者不但遠離地球,為了在火星上生存還得面對各種危險,這種情況為太空旅行心理學提供了許多新的領域,能讓研究人員細細思考。想像一下永遠生活在太空艙裡的生活。太空艙的大小,根據瓊斯的描述,「相當於兩輛廂型車疊在一起之後再拆掉座椅。」那會是怎樣的感覺?

如果心理上的適應力較低,那麼必定會伴隨火星之旅而出現的危險、孤立與監禁,可能會成為孕育寂寞、厭煩和憂鬱的溫床,讓人際衝突像致命的細菌一樣迅速惡化潰爛。

當你坐在太空梭裡準備發射、奔向太空時,就等於面對40%的載具故障風險與1.5%的飛行失敗風險。這時你才能開始體會那種無助感,因為你漸漸接受永遠無法返家的可能性。從最黑暗的角度來看這件事,其實無異於準備自己的喪禮。至少可以說是一場過往人生的喪禮。

對瓊斯來說,在他先離開家人又無法在發射前跟他們聯絡時,這種感覺變得更加強烈。「我很想念家人,不能向孩子道別也不能擁抱他們特別難受,但是發射前必須檢疫隔離,」他說,「如果這樣很難受,跟我的妻子說再見更是加倍難受。」

為了適應分離,瓊斯經由電子郵件與每週的通話跟家人保持聯絡,有時也會用視訊。他回憶起妻子跟孩子把寫給他的信和卡片藏在太空梭裡,要在太空梭進入軌道後給他一個驚喜。

「對我來說,每天收到家人和朋友的電子郵件非常重要,這給我一種歸屬感,雖然離開了地球卻沒有被人遺忘。」他說在危險的時候與地球上的任務控制中心保持聯絡,也是讓組員保持鎮定的重要作法。當瓊斯和他的團隊因為天氣狀況而須要著陸協助時,他們可以接受指示並確保操作安全。

雖然不是完全失去聯絡,但火星與地球之間的通訊時間差至少有44分鐘。情況危急時,44分鐘足以決定生死。根本而言,火星一號的太空人必須知道他們的緊急支援取決於自身的能力。

飛向宇宙,浩瀚無垠

火星一號是真正的跨國合作,將會從來自世界各地約20萬名的申請者中選出兩男兩女。這樣的作法或許能完整地代表人類,卻可能引發人際衝突,心理學家瓦寇須警告:「在最好的情況下,適應外國人的習慣與價值觀可能很難。在最糟的情況下,說不定會出人命。」

雖然危險可能多不勝數,但人類勇敢克服了無數的考驗才走到今天,這個想法讓候選人費金相信這個計畫能成功。「從人類過去遭遇和經歷過的逆境看來,我認為一小群精心挑選的菁英在經過十年的準備和訓練之後,絕對有能力面對人類祖先每天必須面對的情況,」他說。

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本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期,全見版請點擊此處

不過到最後,無論火星一號是否能離開地球,它都為人類這個物種提供了自我反省的機會,思考科學能不能或該不該幫助人類進化成多行星物種。同樣地,儘管志願者欣然離開地球,但是把人類當成終生離開地球的實驗品是否符合道德,可能才是我們必須認真思考的問題。

當然還有那個住在每個人心中的小孩子:興奮地面對離開地球生活的可能性,成為火星的永久居民。雖然難免艱辛,但是這個可能性的確給我們重新開始的機會;或者至少提供了一個世外桃源,以及最另類的生活方式所帶來無庸置疑的吸引力。

即使火星一號最後無法實現,這個計畫確實提醒了我們要再次大膽做夢,也引發了許多有意義的討論。如藍斯斗普所說,除了擴大科學的視野,火星一號也提供了比危機和戰爭更正面的新聞。

最後,如果有20萬人願意拋下人類祖先奮力創造的成就,再次勇敢拓荒,或許這件事本身就是人類身為探險家的證明。也許就是需要殖民火星這樣幾近真實的未來,才能讓我們想起身為人類的真實意義。

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年06月號第29期

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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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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參考資料

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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

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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