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第一顆台灣自主研發的衛星「福衛五號」要啟程了,你對他,以及造他的人了解多少?

彭 琬馨
・2016/03/30 ・2545字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

Taiwan No.1~~! 如果你是太空迷,你應該已經知道,第一顆完全由台灣自行研發的遙測衛星,預計六月在美國發射;如果你還不知道,翻翻台灣衛星發展歷史,從 1999 年第一顆衛星(福衛一號)升空至今,將近二十年時間,國家實驗研究院太空中心才算是真正自製一顆衛星,不需要完全向國外採購衛星本體和重要元件,你就會了解這個消息對台灣太空界來說,意義非凡。

但衛星到底可以做什麼?特別對台灣來說,我們需要花那麼多錢做嗎?

記得 2009 年八月來襲的莫拉克颱風吧!短短幾天,台灣就有 681 人死亡,它造成近五十年來,台灣最嚴重的水災(沒有之一)。豐沛雨量引起土石流,位在高雄甲仙的小林村,一夕之間幾乎全遭洪水掩埋,當時國家太空中心提供關鍵的災區空拍影像,讓救難隊第一時間進行災情分析,加快救災與重建工程進度,背後功臣就是已經升空十多年、「人瑞級」的福衛二號遙測衛星。

2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供
2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供

原先預定執行五年就要退役的福衛二號,已經「超時」服役 11 年多,可以說是用到夠本,但終究要汰舊換新,後續任務就將由六月升空的福衛五號接手。

自主研發光學遙測酬載

「這是二十幾年來,我們第一次自己負責全部設計。」福衛五號計畫主持人張和本,跟我們談起第一顆全由台灣自主研發的遙測衛星,語氣興奮。

過去台灣擁有的衛星,零件大多購自國外,卻常因為無法取得關鍵零組件延誤發射時程。這次國家太空中心花費八年左右規劃,從衛星的規格設計、到內部軟體開發通通自己來,在沒有相關經驗的情況下土法煉鋼,光是一開始衛星規格的設計就耗費三年。張和本以「全新的挑戰」形容這次經驗,過程中辛酸血淚,就跟很多男生都有的當兵經驗一樣,如今想起來在心中也是甜。(大概啦)

差一點行嗎?科學家的艱困挑戰 太空中固定超大型鏡面

遙測衛星就像是太空中的超大型數位相機,繞地球的同時幫忙紀錄地表影像變化,福衛五號每隔一天的早上 10 20 分經過台灣,能提供黑白影像(兩公尺)、彩色影像(四公尺)的照片,相較於福衛二號解析度提高不少,舉凡國土規劃、環境監測、災害評估都是衛星影像能應用的範圍。其中「光學酬載」就是福衛五號影像成形中最重要的部分,主要由「遙測取像儀」、「聚焦面組合件」與「電子單元」等三個次系統所組成。

遙測取像儀好比一顆大型的太空級望遠鏡頭,包含一個主鏡與一個次鏡,其中主鏡片直徑長達 45 公分,是國內製造最大的非球面鏡片。你可以想像,要把這麼大一個鏡片固定在 720 公里的外太空拍照,鏡面還要在火箭發射時加速度最大值達到 25G 的情況下不變形,足夠讓研究團隊搔破頭皮。最後,太空中心利用一種特殊的機械角鍊(isostatic mount, ISM)配合特殊膠合技術,才成功讓變形量下降到 10 奈米以下,大約是人類頭髮的萬分之一。(這過程之後有機會再詳細介紹)

福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供
福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供

 

量身訂做金縷衣  保證衛星零失誤

除了要確保衛星不會在發射過程因為震動損壞,太空中極大的溫度落差(最高攝氏 120 度、最低負 120 度)也是衛星運轉要克服的主要環境因素。想像自己白天在非洲大草原上揮汗如雨、太陽下山後卻要適應北極零下的嚴寒氣候……好吧,根本無法想像。總之,鐵打的金屬可能都會因溫差過大而故障。為了確保儀器在太空中能確實執行任務,太空中心替福衛五號量身打造金光閃閃的「多層熱絕緣體」,用來隔熱與保暖。

每個衛星在送上太空之前,都會經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列的測試,確保衛星在運送升空過程,不會因為劇烈震動、噪音溫差等問題罷工。「我們會附上一個保證書,不是保固喔!保固只是說壞了我們會負責修,保證書是保證它不會壞掉。」太空中心整合測試組組長陳維鈞對福衛五號的測試品質毫不猶疑(真希望我的手機廠商也能這樣)。

福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供
福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供
福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供
福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供

難以計數的投入 成就一個福衛五號

斥資 36.64 億(其中 20 億為火箭發射成本)打造的福衛五號,從數字看來超級昂貴,但負責品管的陳維鈞形容,站在大家面前的成果,只是研發團隊心血結晶的冰山一角,一般人或許只看到這顆重達 525 公斤、高 2.8 公尺的衛星,不清楚要撐起這樣一個衛星,背後需要投注多大的研究心力,不只軟硬體開發、相關配備也要一併到位。「我們希望用五號證明給世界看,台灣真的可以自己把衛星做出來!」福衛五號從無到有,張和本就像是她的爸爸一樣。

福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供
福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供

說到這裡,你可能會想,能自己做衛星又如何?畢竟如果跟國外買省時又省事,何樂而不為?

「如果有人把美國 NASA 開發出來的科技應用,標示在民生用品上的話,你會發現,其實很多產品都跟太空研究脫不了關係。」張和本說。

我們都知道,雖然不直接為了產業而研發,但因為要克服太空任務的極端挑戰而征服的技術與創意高峰,時常能回過頭來在地球上派上用場。但這種不確定性高的前瞻投資在台灣似乎很難被認同。身為計畫主持人,張和本不方便多說,但依舊感嘆,台灣有很多優秀的研究人員,技術研發不輸給外國,假設國家對太空科技有更長遠的規劃,或許衛星研發可以不用再等下一個十年。


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彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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