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羅賽塔號觀測到67P彗星沉洞發生噴發

臺北天文館_96
・2015/07/15 ・2078字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

正在環繞67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星〈Churyumov–Gerasimenko〉的羅賽塔號(Rosetta)太空船發現67P表面有許多塵埃噴流是一些活躍的窪坑(pit)噴出的,而這些凹陷處又極可能是突然塌陷的沉洞(sinkhole,或稱滲穴或陷孔、陷坑等)造成的。

羅賽塔號太空船已經環繞67P彗星一年多了,長期監測當彗星靠近太陽時,其表面與周圍的氣體塵埃暈狀結構的變化。在距離彗星幾百公里時,羅賽塔號就已經觀測到許多從彗核噴出的塵埃噴流,有著非常複雜的型態;而從去年開始,羅賽塔號上的歐西里斯〈OSIRIS〉相機以距離彗核中心僅約10-30公里的近距離進行高解析攝影,科學家們從其中一些影像發現這些塵埃噴流能追溯至彗表某些特定位置。這是彗星專家們首度看到這樣的景象。

在最新報告中,普朗克太陽系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research)科學家尚-巴蒂斯特‧文森〈Jean-Baptiste Vincent〉等人列出彗核北半球上18個近乎圓形的窪坑,其中幾處是持續性活動源。這些窪坑的直徑約在數十到數百公尺左右,深度約從塵埃覆蓋的表層可至彗表以下210公尺左右。絕大多數活躍窪坑都可見有物質從窪坑內牆的破裂帶噴出。這些破裂帶的存在,意味著原本被困在彗表下的揮發性物質能更容易被加熱後逃逸至太空中。

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67P彗星上活耀窪坑。source:esa

這些科學家分析這些影像後,認為這些窪坑其實是地下洞穴的頂篷變得太薄,以致於無法支撐己身重量而塌陷成所謂的沉洞,類似地球各地因地下水或其他原因造成的「天坑」。這個過程使彗星內部突然暴露在外,讓原本掩藏在地表下的物質昇華噴出;而這個噴出過程又會導致窪坑持續被侵蝕磨損。不過,窪坑塌陷雖然很突然,但其實下方的地下洞穴是原本就存在於充滿孔隙的彗表下,只是隨著時間而讓這些孔隙逐漸擴大,這才造就了這些地下洞穴。

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文森等人推測可能有三種方式形成這些地下洞穴:

第一種可能:這些地下洞穴自彗星形成時就存在,當時形成彗星的原始物質團塊的直徑約數十道數百公尺大小,它們以非常低的速度彼此接近、互撞而沾黏在一起,所以會有許多孔隙;之後可能受到物質昇華的衝擊,或是地震搖晃,或是彗星其他地方噴出的礫石撞擊等作用,促使這些地下洞穴的頂端塌陷。

第二種可能:因陽光照射並穿透彗表塵埃層,使彗表下的二氧化碳或一氧化碳等易揮發的固態冰被加熱而直接昇華,造成這些孔穴。

第三種可能:水冰的物理狀態,從無定形的非晶狀態轉變成結晶狀態,在此過程中所釋出的能量,將導致比水冰更易揮發的二氧化碳和一氧化碳等固態冰昇華。

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無論後兩者的哪一個是地下洞穴造成的原因,都意味著:既然窪坑並不是整個彗表到處可見,顯示彗星內部的固態冰並不是均勻分布的。又,無論是上述哪一種過程造成了地下洞穴,這些洞穴特徵都顯示出:從彗表以下數百公尺身之處的結構,或甚至是組成成分都與彗表處截然不同,因為在地下洞穴被顯露出來之前,此處物質變幾乎沒機會改變過。

這些天文學家表示:每個窪坑的壁上所露出的內部特徵相差甚大,這些特徵包含裂隙物質、階地、水平地層、垂直條紋,或有的窪坑內還擁有暱稱為「雞皮疙瘩(goosebump)」的球狀結構。文森等人認為或許可以利用這些窪坑特徵來求取彗星表面的相對年齡,因為如同月表隕坑一樣,若彗表某地區的窪坑數量愈多,則表示這塊區域的地質年齡愈年輕,這塊彗表經歷過的變動也愈少。

這個概念最近在67P彗星南半球上也獲得觀測確認:南半球是高度變動過的地質,因為它接收到的能量明顯比北半球多,南半球表面的窪坑也與北半球的不同。

活躍窪坑的邊坡特別陡峭,沈寂窪坑則雖顯得比較淺平,但可能是過去很活躍的區域。文森等人指出:活躍窪坑是最年輕的;中等年齡的窪坑在其坑底有從邊坡滑落的礫石;最老的窪坑邊緣已經幾乎弭平,坑內填滿沙土。這個時間序列的演化概念還得得經由後續觀測予以證明究竟否正確。

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彗星上的活躍窪坑。source:esa

67P彗表上的窪坑大多數可能在好幾次回歸之前就已出現,否則的話最近這次回歸時,應該會看到大量因塌縮引起的爆發才對。羅賽塔號的確曾在2014年4月接近彗星時觀測一次爆發,該次爆發預估噴出約1000~100000公斤的物質。雖然文森等人已經指出爆發是由窪坑塌陷引起的,但事實上一個典型窪坑發生爆發時所噴出的物質量並沒有想像中的多。

例如:假設測量到的彗星密度是每立方公尺470公斤,則寬約140公尺、深約140公尺這樣典型的大型窪坑,快速噴發釋出的物質總重量約為10億公斤左右,比在2014年4月觀測到的多了好幾個量級。

羅賽塔號計畫科學家們對於活躍窪坑如何演化非常感興趣,甚至或許在羅賽塔號仍環繞67P進行觀測期間,目睹新窪坑的形成。事實上,只要是彗星上的任何變動,特別是與彗表特徵活動有關連者,都能引起這些科學家興趣,因為這些都是能進一步瞭解彗星自形成之後迄今,其內部與表面曾如何演化的關鍵證據。羅賽塔號將於2016年9月終止延伸任務,在此期間必定還有更多機會能揭露更多彗星的秘密。

資料來源:COMET SINKHOLES GENERATE JETS  esa [2015.07.01, KLC]

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本文轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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水是從哪裡來的?改寫宇宙謎團:科學家揭露地球水源的真正來源!——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/25 ・2808字 ・閱讀時間約 5 分鐘

彗星送水論?地球的水是從哪來?

想知道古地球如何得到水的行星科學家將矛頭指向大泥球。似乎數十億年前曾有彗星雨落下,為我們帶來大量的水。

但,彗星又來自何方?

科學家長期認為彗星誕生於比火星更遠的寒冷區域。一九九〇年代,學者更進一步認定大部分彗星已經被日益成長的行星吸收。然而荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)提出不同見解,主張可以有數以兆計的彗星在太陽系邊緣存活,它們距離行星太遠所以沒被重力拉扯,最終圍繞太陽系形成巨大球形外殼,現在將該區域稱為歐特雲。歐特雲的大量彗星可以填滿地球海洋,問題是它們太遠,是地日距離的數千倍,實在不大可能到得了。

揚·歐特認為彗星圍繞太陽系形成遠距離的歐特雲,雖然數量足夠填滿地球的海洋,但距離遠到不易抵達地球。圖 / unplash

於是又有研究者懷疑部分彗星在太陽系較內側存活,或許是土星軌道外,這樣也比歐特雲近了一千倍。然而僅僅停留在臆測,因為想要在那麼遠的地方找到直徑不過數十英里或更小的彗星太困難,大家沒有傻到去做這種嘗試。

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唯二例外是年輕的麻省理工學院教授戴夫.朱維特(Dave Jewitt)和他的研究生盧珍(Jane Luu)。裘伊特頭頂高聳,笑容可掬,性格充滿英國式幽默,父母是倫敦的工廠工人和電話操作員。童年時偶然在夜空看見流星勾起他對天文學的迷戀。

從天文學觀測到重水比例:揭開水的宇宙密碼

一九八五年,他突發奇想將新的數位型光感測器 CCD(譯按:感光耦合元件)連接到望遠鏡,藉此在太陽系遙遠角落尋找彗星這種小天體。朱維特認為我們看不見不代表不存在,但研究需要資金,只可惜多數人都不相信,所以計畫案一次一次被拒絕。三十多年後,回憶起當初遭受的輕蔑他依舊義憤填膺。「最常得到的回答是『無法證明計畫裡的測量實際可行』,」他說:「我的天,這是什麼蠢邏輯?整個計畫的意義就是去做一些以前沒做過的嘗試。就算最後真的不可行又怎麼樣呢,重點不就是得試試看嗎?」批判他的人可能陷入了「現有工具檢測不到就代表不存在」的認知偏誤,習慣性地假設科學家尚未找到就代表目標處什麼也沒有。

朱維特和盧珍拒絕放棄,偷偷從其他研究案借用望遠鏡時間尋找數十億英里外可疑的微小物體。

很長時間毫無收穫。一年又一年,然後四年五年六年。直到一九九二年夏夜,他們在夏威夷大島茂納凱亞天文臺工作。那時候他們心灰意冷,覺得五年多光陰白費了,卻沒想到忽然發現了非常微弱的光點。察覺這個點微微移動時,朱維特還暗忖「不可能是真的」,但它確實存在。兩人找到的天體位於海王星外的軌道,後來進一步證實那邊還有數百萬顆彗星。該區域被命名為古柏帶,淵源是最早提出此概念的荷蘭天文學家30,他在一九五〇年代就探討了這個可能(諷刺的是他本人不相信)。

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科學家在古柏帶找到大量彗星,人體內的水看似已經確定來源。地球形成後不久,彗星從古柏帶,或許一部分從更遠的歐特雲抵達,送來覆蓋這顆行星表面的水。彗星堪稱飛行的冰山,攜帶的水量確實足以填滿地球海洋。理論很快得到多數人接納及傳播,謎題終於得到解答。

科學家認為古柏帶與歐特雲彗星攜帶的水,可能就是地球水源的來源。圖 / unplash

小行星的貢獻:來自太空岩石的生命之源

真的嗎?一九九五年,波瀾再起。亞利桑那州鳳凰城附近一場觀星派對上,輪到混凝土供應公司零件經理湯瑪斯.博普(Thomas Bopp)借用朋友的望遠鏡,他留意到視野角落有個模糊光點。同一天晚上,新墨西哥州克勞德克羅夫特村天文學家艾倫.海爾在家中發現同樣物體。這顆新發現的彗星,是有史以來見過最亮的,命名為稱為海爾─博普彗星。

翌年,戴夫.朱維特隨學者團隊返回茂納凱亞觀測站,這次以強大的電波望遠鏡觀測海爾─博普彗星。他們在海拔一萬四千英尺(約四千兩百六十七公尺)的稀薄空氣中每十三至十六小時輪班一次測量夜間光譜,試圖比較彗星中一種罕見的水形式比例是否與地球海洋相符。

或許有些人還不知道其實水分子有不同形式。大部分水由氫原子組成,核心只有一個質子。但還有別種水存在,由於重量多出一成所以稱為重水,其氫原子是同位素,核心除質子外還包含一個中子。重水很罕見,在地球海洋中每六千四百個水分子只有一個是重水。因此,茂納凱亞團隊準備測量海爾─博普彗星時原本很有信心會找到相同比例的重水,畢竟地球的水應該來自彗星。

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然而觀測結果並非如此。海爾─博普彗星重水含量是地球海洋兩倍。這就麻煩了,先前天文學家在哈雷彗星發現類似的高比例重水,當初只視為異常案例,然而後來在百武二號彗星又測量到相同數據。三次觀測結果一致成為難以忽視的證據,顯示彗星並不吻合地球海洋的水分子組成。

「天文學家對海爾─博普的觀測結果作何反應?」我問。

「嚇壞了。」朱維特的意思是指數據背後的涵義:「有點像新時代運動31的意識覺醒之類。」他笑了笑又說:「好像不該說這種話才對。」但顯而易見,學界頗受震撼,一夕間又不能靠融化彗星形成海洋了。雖然惠普爾沒說錯,彗星確實充滿水,但海洋來自太陽系其他地方。具體究竟是哪兒?

朱維特和其他許多學者一樣,注意力轉向飄浮在太空中的巨大岩石,即所謂小行星。

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從石頭榨水,乍聽很無稽,但事實上有些岩石確實可以。如果加熱隕石,也就是從小行星落到地球的碎片,困在晶體結構內的水分子就能變成水蒸氣。多年前科學家已經知道小行星含水,這些岩石含水量差異很大。多數靠近太陽形成的小行星幾乎不含水,但在火星之外冰冷區域形成者水分含量則可高達百分之十三。

朱維特等人的想法是:如果撞擊地球的小行星夠大就會帶來豐沛的水。此外,天文學家還知道火星木星之間軌道上有一大群小行星,並將該區域稱為小行星帶。而且,小行星中重水與彗星不同,吻合地球海洋和人體。各種線索指向我們這兒的水應該來自宇宙岩石。

感覺好像結案了,但其實小行星帶距離地球三億英里遠。從那種距離要一桿進洞得有多高明的技術?有足夠數量的小行星算準角度飛向地球以水覆蓋地表,這個現象發生機率有多高?人類又如何進一步理解?

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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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。
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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。
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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。
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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。
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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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