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登月快要半世紀了,但你了解月球嗎?──《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2016/05/05 ・3129字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

月球起源的謎團

自古以來,月球一直籠罩著神祕的面紗。首先,就讓我們從月球的起源開始探究起:目前最主流的假說是大碰撞說,我們可以從月岩的定年研究得知,月球大約在45億年前形成,相當於太陽系最初形成的3000至5000萬年後。而地球在形成之後,就被一個大小和火星差不多的天體撞擊,天文學家將這個天體命名為忒伊亞(Theia)。這場撞擊所產生的殘骸散落在地球附近,最後凝聚成今日我們所稱的月球。至於月球的組成成分究竟是來自地球,還是當初撞上地球的小行星,又或是兩者皆有,至今仍備受爭論。

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忒伊亞(Theia,神話故事中月球女神塞勒涅的母親)假說中,一個火星大的星體撞擊了地球,撞擊所產生的殘骸最後凝聚而成了月球。圖/wikipedia

月球是天空中第二亮的天體,亮度僅次於太陽,它以各種不同的方式影響著地球上的生命。月球、地球及太陽的重力交互作用讓海洋有了潮汐,每天的長度也因此微幅增加;我們還根據月相制定了曆法。直到1959年,蘇聯太空船登陸月球之前,我們都只能從遙遠的地球對月球進行研究。1969年,人類首度踏上月球;直至今日,月球仍是宇宙中除了地球之外,人類唯一駐足停留之處。

歷經數十年的研究,我們總算對這顆衛星有了多一點了解。我們知道月球內部和地球一樣有分異作用,分為核心、地函和地殼。核心部分富含鐵,液態外核包圍著中央的固態核心,核心和其他部分相較之下小得多,半徑僅約350公里,約為月球半徑的20%。在核心外圍,是500公里厚的部分熔融邊界層,科學家認為這是月球形成後不久,地函的岩漿海洋冷卻結晶所形成;至於地函,這層堅硬的岩石有1000公里厚。月球的地殼也是岩質,厚度約60至100公里。對月岩進行分析後,科學家發現大部分的月球地殼是由鋁和鈦組成,且含有大約等量的三斜鐵輝石(pyroxferroite)和矽鈦鋯鐵礦(tranquillityite),科學家最初在月球發現上述兩種礦物,但後來在地球上也有找到。月球的表層被破碎的岩石粉末覆蓋,這層風化層有著如雪片的質地,聞起來還有些火藥味。

太空人在月球上都要戴著頭盔也是有原因的:月球的大氣非常稀薄,大氣中沒有氧氣、氮氣或氫氣。事實上,月球大氣的總量不到10噸,因此太陽風能夠長驅直入,撞擊月球表面形成濺射,使粒子噴灑進入大氣。月球內部也會放出揮發性氣體,使表面出現釋氣現象,這些過程會持續產生鈉、鉀以及氬、氡、釙的化合物,太陽風則會帶來氦-4,因此我們能在月球大氣中找到這些物質。至於存在於地球上的氧和其他中性元素,只會在月球的風化層中出現,但在大氣中卻付之闕如;這可能是因為太陽風會快速地將這些元素吹至太空。

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月球的身高體重

月球是太陽系中密度第二高的天體,僅次於木衛一埃歐(Io);它也是太陽系中第五大的衛星,前四大衛星分別是木衛三甘尼米德(Ganymede)、土衛六泰坦(Titan)、木衛四卡利斯多(Callisto)和木衛一埃歐。月球的直徑約為地球的四分之一,但其質量卻比0.0125個地球質量還要低。

月球有特殊的重力特性,雖然它和地球不同,並沒有雙極磁場,但卻有外部磁場,其重力僅約地球的六分之一。此外,月球還有許多質量聚集的「質量瘤」,形成強大的重力異常區,且大多集中在最大型的盆地附近。目前我們對於質量瘤的形成機制仍不太清楚,但盆地附近的重力異常可能來自於充斥其中的極高密度熔岩流。我們一直在月球上搜尋水的蹤跡,   雖然月球表面沒有水,但彗星帶來的水,或是太陽風的氫和風化層沉積物的氧交互作用所產生的水,仍可能潛伏在終年幽暗的盆地下。

月球呈現同步自轉,也就是它的公轉週期和自轉週期相同,因此月球一直以同一面面對地球;我們稱面向我們的那面為正面,另一面則是背面。有時候我們也會將背面稱為「暗面」,但其實背面和正面接收到的陽光照射量相同。

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月全食發生時,月亮會偏淡紅色。圖/wikipedia

我們會用月相來描述所見的月球正面形貌,月相會隨著月球繞行地球以及地球繞行太陽的軌道而變化。當太陽和月球在地球的兩側時,我們會見到滿月;當太陽和月球在地球的同一側時,月球看起來則是暗的(我們稱為「新月」),在這之間的月相則是上弦月和下弦月。當太陽、月球和地球排列在一條直線上時,稱為「朔望」(syzygy),這時會發生日食或是月食(月球位於太陽和地球中間時會發生日食;地球位於太陽和月球中間時會發生月食)。由於月球軌道和地球軌道不在同個平面上,因此並不是每次新月或滿月都會發生日食或月食。古代的巴比倫天文學家發現,每隔18年左右就會發生類似的日月食,他們稱這個周期為沙羅周期(Saros cycle)。

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從觀月到登月

西元前五世紀,巴比倫的天文學家首度對月球進行記錄,印度、希臘、波斯和中國的天文學家也相繼提出理論解釋月光的起源、潮汐和月相。中世紀的天文學家認為月球是完美的球體,1608年望遠鏡發明後,人們很快就將望遠鏡轉向月球。17世紀末,義大利天文學家弗朗西斯科.馬利亞.格里馬迪(Francesco Maria Grimaldi)等人已為許多月面特徵命名。

1950年代和1960年代,美國和蘇聯的太空競賽最終聚焦於月球探索,先是派了軌道衛星前往月球,接著就是送上人類。蘇聯在競賽中拔得頭籌,月球2號(Luna 2)太空船於1959年撞擊月球表面,又首度於1966年在月球表面軟著陸,並將探測器送入月球軌道。但在1969年,美國關鍵的阿波羅11號(Apollo 11)任務讓人類首度登陸月球,贏得太空競賽的勝利。

人類曾一度認為,我們終將在月球上建立太空基地,不過這個願望至今仍未實現。美國航太總署(NASA)的載人太空計畫不斷改變,或許這個計畫最終會由其他組織或是私人企業實現。

近年來,NASA、歐洲太空總署(European Space Agency)、中國國家航天局(China National Space Administration)、印度太空研究機構(Indian Space Research Organisation)和其他組織仍不斷將軌道衛星和登陸器送上月球。2012年1月,兩艘名為聖杯號(Gravity Recovery and Interior Laboratory,簡稱GRAIL,意為月球重力描繪與內部結構實驗室)的太空船開始環繞月球,詳細地測繪月球表面,並對月球複雜的內部結構和重力進行研究。

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仔細觀察月球表面

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號),全見版請點擊圖片。

月球的兩個半球(面向我們的正面和遠離我們的背面)擁有相當不同的表面特徵,正面大部分是月海高地,月海是看起來顏色較深的區域(早期的天文學家以為這裡充滿了水,因此命名為海),高地的顏色看起來則較淺。其實月海並沒有水,它的顏色之所以看起來較深,是因為月海由早期火山噴發的熔岩凝固所形成;月球的背面正好相反,幾乎沒有月海。月球的正面和背面都布滿隕石坑,有些非常小,也有些寬達好幾公里;劇烈撞擊所產生的塵埃條紋,能由隕石坑中央向外綿延數百公尺。在月球形成後不久,山脈和其他火山地貌特徵就隨之成形,表面也逐漸冷卻、凝固。

登月阿波羅

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號),全見版請點擊圖片。

1962年5月25日,時任美國總統約翰.甘迺迪(John F Kennedy)提出在十年內讓人類登陸月球並平安返航的目標。這在當時是個雄心勃勃的計畫,但NASA竟成功地在1969年7月21日以阿波羅11號將人類送上月球。NASA前後共六度將太空人送往月球,但由於預算縮減和經費移往天空實驗室(Skylab)太空梭計畫,在1972年12月阿波羅17號返回地球後,阿波羅任務就正式畫下句點,從那之後就再也沒有人類造訪月球了。


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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號)

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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印度登陸月球熱門探測點——月球南極!那裡藏著什麼?為什麼各國爭先恐後?
PanSci_96
・2023/11/11 ・4407字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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你準備好要當月球移民了嗎?

人類再次展開登月競賽,準備重返月球。

今年八月二十三日,在全世界的矚目下,印度登月艇「月船三號 Chandrayaan-3」成功著陸於月球南極附近,展開為期半個月的科學探測任務,也成為人類史上第四個成功軟著陸於月球表面的國家!這更是 21 世紀以來除了中國嫦娥系列之外唯一的成功登月任務。

這次的登陸地點選在月球南極附近。除了月船三號,未來印度與日本合作的月船四號,以及中國的嫦娥七號、嫦娥八號任務,甚至是 NASA 阿提米斯計畫的首次載人登陸,地點也選在月球南極。

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問題來了,月球南極到底有什麼樣的魔力,能讓世界各國如此趨之若鶩?是有挖不完的石油?數不清的黃金?還是外星人留下的秘密裝備?

月球南極有什麼?

從人類的生存、家禽動物的飼養、到植物的灌溉,都脫離不了「水」這個在地球上再常見不過的物質。不僅如此,水電解之後得到的氧氣可以用於呼吸,氫氣則可以做為火箭引擎的燃料使用。想要讓人類走出地球,成為跨行星物種,確保充足的水源供給絕對是最核心的要務之一。

然而,雖然地球上的液態水很多,但正由於我們對水的需求如此龐大,如果要把所有需要的水都從地面用火箭發射進太空,需要的成本將非常驚人。

因此直接開採並使用本來就在太空中的水資源,才是合理且經濟的做法。沒錯,各國在將人類送上登月前,先將目光鎖定在了月球南極,關鍵就是要尋找「水」。

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如果月球上有水,不僅能幫助人類在月球建立起永久基地。月球,更將成為人類航向廣袤星海的第一片綠洲。

可是,缺乏大氣保護、日夜溫差超過兩百度的月球表面,真的會有水存在嗎?

由於缺乏大氣層,液態水在月球上要嘛會因為蒸發而散逸,要嘛會因為低溫結成水冰,很難以液態穩定存在。而即使是固態的水冰,也會在炙烈的陽光下昇華,因此月球表面的大部分地方是幾乎沒有水的。

但大家可以想像一下,月球的公轉軌道與地球繞太陽公轉的黃道面幾乎平行,夾角只有 5.145°。也就是說,月球不論在哪個位置,陽光總是直射在月球赤道附近。如果此時月球的南極點剛好有個向下凹陷,而且足夠大、足夠深的隕石坑,那麼在隕石坑之中的陰影區,就永遠不會照射到陽光。

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圖/wikimedia

這些地方被稱為「永久陰影區 Permanently Shadowed Areas」。由於不會受到陽光照射,因此永久陰影區附近的水冰,能夠持續存在數十億年的時間。

但是,雖然有「保存」水冰的條件,關鍵是永久陰影區中真的有水冰存在嗎?如果有,含量又有多少呢?這時,各國的探月任務就接手上場了。

月球南極真的有水嗎?

這些探月任務可不是一時興起,因為過去「月球上沒有水」的印象可是深植人心。直到 1990 年代開始,科學家才陸陸續續從越來越多月球探測器的資料中,發現水可能存在的蛛絲馬跡。

其中一次重大的進展發生在 2009 年。當時,NASA 使用擎天神五號火箭,同時發射了「月球勘測軌道飛行器 LRO」以及「月球坑觀測和感測衛星 LCROSS」兩個探測器。前者是一顆繞月衛星,後者則是一個撞擊用探測器。

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在發射升空之後,NASA 首先讓 LRO 與火箭分離,並進入月球軌道。接著,還連在火箭第二節上的 LCROSS,則跟著第二節火箭一起朝著月球南極的永久陰影區之一——卡比厄斯環形山飛去。在撞擊前數小時,LCROSS 與第二節分離,並讓第二節火箭以每秒 2.5 公里的高速,直直撞入永久陰影區,激起大量的月表物質。LCROSS 則直直飛入其中,檢測其中的物質成分。並在六分鐘後,同樣撞擊於月球表面。但就在這短短的六分鐘的犧牲打中,LCROSS 收集到的資料向科學家展示了,月球南極的永久陰影區中不僅確定有水冰的存在,更有汞、鎂、鈣、銀、鈉等其他諸多有用的物質資源。

2009 年 6 月 18 日至 2009 年 10 月 9 日 LCROSS 軌跡模擬動畫。圖/wikimedia

有了 LCROSS 的資料,再加上其他月球探測器,像是克萊門汀號、月船一號、LRO 等等,提供各種遙測資料,人類終於能掌握月球表面有水存在的證據。

時間回到現在,月球表面-尤其是月球極區的永久陰影區中,有水冰的存在已經是科學家的共識。但是這些水冰具體有多少,能否支撐人類在月球極區建立太空基地呢?這就只能實際派出登陸艇前往一探究竟了。

到月球南極尋找水冰吧!

可惜的是,8 月 23 日成功在月球上著陸的月船 3 號和攜帶的月球車 Pragyan,在 9 月 2 號和 4 號就入休眠,推測可能是因為無法承受極低溫環境,至今還未能重新喚醒。

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Pragyan 登陸月球。圖/wikimedia

在未來兩年的月球極區無人探測任務中,NASA 的 VIPER 任務可以說是最值得期待的另一項任務。VIPER 全名為月極揮發物調查漫遊車,是 NASA 有史以來第一台「無人月球車」,同時也是 NASA「商業月球載酬服務 CLPS」系列任務的一員。CLPS 和過去的太空任務不同,是由 NASA 提供科研載酬,由商業公司提供載酬的發射、巡航、著陸等服務。本次 VIPER 任務選定的商業夥伴是美國的 Astrobotic Technology 公司,VIPER 探測車將會乘坐該公司的 GRIFFIN 登陸器降落在月球南極,透過各種儀器勘查月球極區揮發份的組成與分布。

這台重 430 公斤,體積與高爾夫球車相當的 VIPER ,身上塞有四個主要儀器。

首先是中子光譜儀,它會藉由量測月球表面中子輻射的能量分布,了解地底下氫原子的分布狀況,從而推測水冰的含量。

第二,近紅外光揮發份光譜儀,它會以近紅外光燈照射月表,並從揮發份的光譜分析它的化學組成,同時也能判斷水是以結晶、非晶質的冰,或是氫氧根離子的形式存在。

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第三,質譜儀,能藉由電場分離不同荷質比的物質。除了能知道月表有哪些元素以外,還能分辨氘與氫、氧-18 與氧-16 等不同同位素的含量,對分析水的來源至關重要。

第四個儀器名為 TRIDENT(The Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain),縮寫很酷,名字很長,但簡單來說就是一個裝有溫度計的鑽頭。可以從月面下一公尺處鑽取一段十公分長的岩芯,為前面幾個儀器提供樣品。

除了這些科研儀器以外,VIPER 上還有一對立體視覺攝影機,能夠拍攝具有距離感的照片,為探測車的導航提供參考。

VIPER 原型機。圖/wikimedia

有了 VIPER,NASA 還必須想好要把珍貴的探測車派到何處進行調查,才能盡可能發揮他的潛能。除了理所當然地要放在可能有水的地方之外,地表的起伏與材質也有要求,比如太陡峭的山壁顯然就不是個好選擇。同時探測的地點,還必須可以和地球建立通訊。

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更重要的是,由於 VIPER 是太陽能驅動的探測車,探測地點不可以長時間缺乏日光,否則探測車會不僅會因為缺乏電力,還會因為長時間處於酷寒環境中而壞掉。進入休眠的月船三號,就是因為設計上就沒有為度過月球寒夜做準備,因此任務的極限時間一開始就限制在兩週左右。綜合以上條件,科學家選定了月球南極 Nobile 隕石坑西方的高地作為 VIPER 任務的地點。這裡雖然不是嚴格意義上的永久陰影區,但是滿足有日照,且時間足夠短到允許地底下有水冰的存在。

為了有充分的時間進行探索,VIPER 設計時就有考慮探測器的電力與保溫,可以透過三個休眠時期度過月球的夜晚,執行至少一百天的任務。在這一百天中,VIPER 將會調查隕石坑周圍,了解到底有多少水冰和二氧化碳、二氧化硫等揮發物,為將來的登月計畫鋪路!

要前往其他星球甚至離開太陽系,比起地球,擁有較低重力的月球,一直被認為是人類出發太空的前線基地。人類想要成為跨行星物種,水則是絕對不可或缺的關鍵資源。而經過數十年的研究,科學家終於在月球發現可能蘊藏大量水冰資源的地方。我們離移民月球或其他行星,又更靠近了一步。

就讓我們一起期待這些探測器們,幫助我們揭開月球南極的神秘面紗吧。

跟大家說個小趣聞,月船三號著陸之後,印度為了慶祝任務成功而將月船三號的登陸點命名為「濕婆神之力 Shiv Shakti」。那如果今天是你的探測器成功登月了,你會想幫登陸地點取什麼名字呢?留言與大家分享吧!

最後也想問問大家,如果人類真的確保水源,並在月球南極建立起了月球永久基地,你會想移民過去嗎?

  1. 不只想,我還想接著去火星跟太陽系外呢
  2. 去旅遊的話剛剛好,我想去找露西和大衛約會的地方聖地巡禮
  3. 先等等,說不定月球背面,還有外星人在等著我們呢

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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

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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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