幫太空船寫程式的人:阿波羅計畫的工程師瑪格麗特・漢彌爾頓 ——《重返阿波羅》

解決問題是她最喜歡的事情

瑪格麗特・漢彌爾頓(Margaret Hamilton) 開始寫電腦程式時,還沒有「軟體工程師」一詞。漢彌爾頓 1936 年出生於美國印第安納州,1958 年畢業於厄爾罕學院(Earlham College),兩年後獲得在麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)寫電腦程式的工作。

在 MIT,漢彌爾頓開啟了後來延續整個職業生涯的興趣:修正程式設計錯誤。在程式設計初萌芽的時代,她和同儕從實作中學習工程和故障排除,用充滿創意的方法面對自己的工作。有時候他們可以透過大型電腦製造出來的背景噪音,分辨自己的軟體是否順暢運作。

瑪格麗特・漢彌爾頓。圖/Wiki

1963 年,漢彌爾頓正準備進入布倫戴斯大學(Brandeis University)的研究所攻讀抽象數學的學位時,MIT 取得 NASA 的合約,為阿波羅太空船設計導引和導航電腦(AGC)。

漢彌爾頓不想錯過這個機會, 聯繫計畫辦公室,分別和兩名計畫主持人進行面談。兩位主持人都當場決定雇用她,她建議兩人應該丟銅板決定她要去誰的團隊工作。

接下來幾年之內,漢彌爾頓成為 MIT 儀控實驗室(MIT Instrumentation Lab)軟體工程組(Software EngineeringDivision)的主持人,也是 AGC 背後的主要設計者之一。

為阿波羅導引電腦設計軟體時,漢彌爾頓和她的團隊必須創造新的軟體系統,以引導和控制阿波羅任務太空船前進月球。

「除了作為開路先鋒,別無選擇……找不到問題的答案時,我們只能創造答案。」

她後來回顧。

瑪格麗特・漢彌爾頓把她自己和麻省理工學院的工程師團隊為阿波羅任務的導引和導航軟體所寫的原始碼列表堆疊起來。圖/Wiki

團隊中充滿「天不怕地不怕的二十多歲年輕人」,他們有自由(也有壓力)來對付太空導航的挑戰。使用漢彌爾頓軟體的阿波羅計畫和太空實驗室(Skylab)計畫期間,從沒發生過嚴重故障。

然而漢彌爾頓的女兒蘿倫(Lauren)卻預示了一次最嚴重的錯誤。那時四歲的蘿倫在漢彌爾頓的辦公室玩著顯示器和鍵盤(DSKY),在模擬器的飛行途中,輸入了發射前使用的程式 P01,導致嚴重錯誤。

漢彌爾頓因此建議加入一行程式碼,以避免這種情況發生。但 NASA 告訴她,沒有任何太空人會犯下這種錯誤。

在阿波羅 8 號任務時,吉姆・洛維爾意外刪除了指揮和服務艙的導航數據,導致與漢彌爾頓女兒所造成的相同狀況。幸好電腦的設計很穩健,漢彌爾頓和她的團隊才能夠找到方法,在幾小時內從地面修正問題, 見證任務圓滿完成。

漢米爾頓後來為 NASA 發展太空梭使用的軟體。她也成立了兩間公司,專門設計可靠的軟體,並因為她為阿波羅計畫做出的貢獻,在 2016 年獲頒美國總統自由勳章(Presidential Medal of Freedom)。

她一直是工作場域裡少數的女性之一,在締造阿波羅計畫的成功、幫助推動電腦在外太空的運算上,她都是一位卓越的人物。

 

本文摘自 大石國際文化重返阿波羅

 

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第一位拍下太空彩色照片的太空人:約翰・葛倫 ——《重返阿波羅》

太空人約翰・葛倫與相機的相遇

約翰・葛倫。圖/Wiki

1962 年冬天,水星任務太空人約翰・葛倫在一間藥房買了一部安斯可全自動(Ansco Autoset)相機。儘管這部相機出身平凡,卻成了葛倫的得力助手,拍下了第一張人類從太空中拍攝的彩色照片。

時間:1962 年 製造者:美能達(Minolta) 來源:日本和美國 材料:金屬、玻璃、水晶、塑膠、魔鬼氈 尺寸:13.5 × 7.5 × 24.5 公分。約翰·葛倫使用Minolta的底片相機。圖/Smithsonian National Air and Space Museum 

一開始,葛倫的軌道任務並不包括拍照。飛行任務中指定使用的相機,是為了科學研究而配置,不是為任務做記錄,而且 NASA 認為,太空人拍照會干擾水星計畫的工程學目標。在美國第一次載人太空飛行時,並沒有手持相機的選項,尤其艾倫・薛帕德的自由 7 號太空艙根本沒有為飛行員設計的窗戶。

雖然到了水星任務的第二位飛行員高斯・格里森時,NASA 為他的自由鐘 7 號(Liberty Bell 7)安裝了一面梯形的窗戶,他的任務還是不包括攝影。但是葛倫相信,把太空飛行的冒險和世界分享是非常重要的,而且照片「有助於為看照片的人轉譯太空人的經驗」。

工程師改造現成相機,讓使用者即使穿著厚重的太空衣也可以操作。

他向休士頓的載人太空飛行中心(Manned Spaceflight Center),也就是後來的詹森太空中心(Johnson Space Center)主任羅伯特・吉爾魯斯(Robert Gilruth)提出請求,後來得到允許。

任務之前,葛倫去佛羅里達州的可可海灘(Cocoa Beach)理髮,之後在附近的藥房看到一部相機,他進去把相機拿起來看,注意到它有全自動曝光功能, 表示使用時不需調整相機,可以為短暫的任務省下珍貴的時間和專注力。這部相機除了當時最先進的功能,還有簡單、易於使用的設計。他花了 45 美元買下這部相機,帶回 NASA。

約翰・葛倫乘著友誼7號於地球軌道飛行時,使用安斯可相機拍下了佛羅里達海岸。

「一天之中看到四次美麗的日落,那真是無可言喻的感覺。」

──約翰・葛倫(JohnGlenn),在友誼7號飛行之後

相機的改良

因為葛倫必須穿太空衣飛行,會有厚厚的手套和魚缸型的頭盔,因此相機必須適當改造。美國無線電公司(RCA) 的一位承包人,綽號「紅」的羅蘭・威廉斯(Roland “Red” Williams)很快製作出槍把式控制握柄,把相機上下顛倒, 讓握柄和相機的過片桿和曝光鈕相連。

這個握柄讓葛倫用一隻手就可以拿相機拍照。然後威廉斯又在新的相機「頂上」加裝了拍立得(Polaroid)的觀景窗,讓葛倫拍攝地球時不受頭盔影響。

1962 年 2 月 20 日,約翰・葛倫乘著巨大的擎天神號(Atlas)火箭進入地球軌道,同時帶著安斯可和另一部徠卡(Leica)相機。他成為繼其他水星任務夥伴的次軌道飛行後,第一個在地球軌道上飛行的美國人。

約翰·葛倫使用的另一台Leica底片機。圖/Smithsonian National Air and Space Museum 

葛倫用安斯卡相機作為白天或拍攝地平線景觀的傻瓜相機,而徠卡相機則安裝了光譜鏡片,用來拍攝獵物座的紫外線影像。在微重力環境中,安斯卡相機運作得相當成功。葛倫後來回憶:「我需要用到兩隻手時, 就放開相機,讓它飄浮在我面前。」

雖然葛倫的照片傳遍世界各地,卻沒有達到後來阿波羅任務太空人照片的標誌性地位。要等很多年後,NASA 才開始重視太空影像的大眾傳播。因為NASA 官員把攝影視為工程記錄和科學研究的手段,所以遲遲沒有把照片視為早期飛行計畫的重要部分。

約翰・葛倫拍下的太平洋。

 

本文摘自 大石國際文化重返阿波羅

 

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蜜蜂與農藥的戰爭──歐盟禁用新菸鹼藥物的始末

  • 文/林宇軒│是個從學術象牙塔逃離的化學系所學生,比起做實驗,更愛分享科學故事,寫科普就是希望能和大家一起領略科學的力與美。

2018 年 4 月 27 日,歐盟認定新菸鹼類 (Neonicotinoid) 藥物對蜜蜂有害,決議禁止含有益達胺(imidacloprid)、賽速安 (thiamethoxam) 或可尼丁 (clothianidin0) 三種新菸鹼類農藥產品用於露天環境,一場持續超過 20 年的研究論戰才終於落幕。

bee pollination on sunflower

穿梭在花田中的蜜蜂/圖片來源:Unsplash

新藥有問題?!第一個「蜂」向球

要說起蜜蜂與農藥的戰爭,得把時間拉回到 1994 年的夏天。那時,風和日麗的法國田園,成片向日葵一如往常地隨風搖擺。在晴朗的天空下,綿延不絕的向日葵田間,偶有幾隻蜜蜂穿梭其中,牠們時而翩翩飛舞,時而駐足停留在向日葵上採蜜,並帶回自己所屬的巢穴供女王蜂與幼蟲食用。

不過仔細一看,這些蜜蜂似乎不太正常,他們只會在同一個定點飛來飛去,而沒有辦法朝下一朵花移動或飛回自己的蜂巢。不只野蜂不回自己的蜂窩,就連人類馴養的蜜蜂也出現這樣的現象,蜂農紛紛發現自家蜂窩裡工蜂的數量越來越少。

蜂農將矛頭指向這一株株的向日葵,他們認為都是因為蜜蜂從向日葵的花蕊上採粉、採蜜,才讓蜜蜂「迷航」、造成蜂農們損失慘重,並懷疑包裹葵花籽的披衣 (seed coating) 材料中含有一種會影響蜜蜂的物質。這項行之有年、為保護種子並供其營養的「種子披衣技術」,會在 1994 年才開始出現問題,是因為法國在這一年剛好核准了一種可添加在葵花籽披衣材料裡的新農藥,這個新核准的農藥正是屬於新菸鹼類分子的「益達胺」。

全世界最受歡迎的殺蟲劑──新菸鹼藥物

新菸鹼類分子並非 1990 年代才突然出現的,自 1970 年代起,就有不同的新菸鹼分子前驅物陸續被合成出來,而科學家們也發現了這些分子具有殺蟲的效果,如黃色貝殼商標的殼牌 (Shell) 公司,他們就在 1970 年代推出這類專利殺蟲劑,但是這個農藥的分子照光後卻會分解掉,使得英雄無用武之地、無法進行商業化產製賣給農夫使用。

一時的失意,並不代表尋找更高效殺蟲劑的旅程就此結束。1985 年,化學巨擘拜耳 (Bayer) 公司利用 10 年前殼牌公司的失敗產品做出第一個合成出來的新菸鹼類分子益達胺,比起之前各家廠商合成的各種前驅物分子穩定又有效。此後,拜耳公司將益達胺製成農藥,於 1991 年將產品推出上市,很快就在全球瘋狂熱賣。

其他公司當然不會讓拜耳專美於前,在益達胺上市幾年後,同為全球市佔率數一數二的農藥生產商先正達(Syngenta)也推出了新的新菸鹼農藥產品,這個新產品內含的新菸鹼分子是賽速安,也是一種殺蟲不手軟的分子。面對競爭對手的攻勢,拜耳公司繼續推出其他如可尼丁等產品,後來也相當熱銷。

這次歐盟所禁用的新菸鹼農藥正是這三者:拜耳的益達胺、可尼丁,以及先正達的賽速安。令人驚訝的是,由於它們殺死害蟲的效果實在太好,以至於在 2007 年,這三種分子和其他的新菸鹼分子農藥,在全球就有高達 25% 的市佔率總和。

探尋新菸鹼類農藥與蜂群減少的關係

讓我們回到 1994 年法國工蜂迷航的事件,當時蜂農發起的輿論持續得沸沸揚揚,這波民怨導致 1999 年法國禁止益達胺用於種子披衣技術中,不過當時並沒有任何科學證據可以佐證「益達胺是造成蜂群減少的元凶」,也就是說這項政策完全只是預防性措施。

為了解事情的真相,科學家著手研究益達胺與蜜蜂迷航之間的關聯。新菸鹼類農藥會殺死蜜蜂嗎?什麼樣的濃度會影響到蜜蜂正常的行為?而新菸鹼類的農藥影響蜜蜂行為的原理又是什麼?

科學家發現餵食高劑量新菸鹼藥物的蜜蜂 (Honeybee, Apis mellifera) 的確會死亡,但即使將劑量降低到不會讓蜜蜂死掉的程度,蜜蜂的行為仍然不正常,許多蜜蜂在接受該類藥物後會改變進食習慣,離巢覓食也變得較不頻繁,但只要每次出去、就會待上更長的時間。此外,也有研究發現該類藥物會影響蜜蜂的記憶和學習能力,使牠們辨識花朵的能力變差,甚至完全無法學會辨認他們所需要去覓食的花朵。

研究人員也找到了昆蟲會被新菸鹼類藥物影響的可能原因,由於新菸鹼類分子的高水溶性,因此能隨毛細現象散佈到植物體內各處,當昆蟲吃了植物的某個部位後,也一併吃進了新菸鹼類分子。當這些分子進到昆蟲體內後,便會和昆蟲神經系統的尼古丁乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChRs) 結合。一般來說,原本用來傳導神經電訊號的乙醯膽鹼分子和受體結合後,會刺激接收端的神經細胞繼續傳遞電訊號,直到乙醯膽鹼酯分解酶將它分解掉為止。然而新菸鹼類分子結合到昆蟲的受體上以後,卻無法被分解酶處理掉,反而一直卡在受體上,使得神經細胞不斷放電,造成昆蟲的神經系統過度興奮,最終導致昆蟲癱瘓、死亡。

這些對昆蟲來說相當致命的毒物,對我們人類卻沒有太大的影響。其實人體的神經細胞上也有這種接收神經傳導物質的受體,只不過昆蟲的受體和脊椎動物的蛋白質結構不同。新菸鹼藥物之所以不會對脊椎動物有太大的影響,是因為其與脊椎動物的受體結合力較弱,相對地容易從脊椎動物的受體上分離,當然也不會造成神經細胞過度興奮。

新菸鹼類藥物的作用模式/圖片來源:Bio Ninja

隨著新菸鹼類農藥造成危害的證據越來越多,歐洲食品安全管理局 (European Food Safety Authority, EFSA)統整諸多研究,並在 2013 年陸續公布幾項風險評估報告,報告指出這三種新菸鹼類農藥對蜜蜂的健康造成很高的風險。雖然當時沒有取得多數會員國的共識,但歐盟基於保護蜜蜂的立場,仍決定在 2013 年 12 月 1 日起「暫時限制」這三種農藥的使用範圍,只要是會吸引蜜蜂的植物、穀類以及其種子、土壤和葉面的處理等都不得使用。

不過,針對歐盟的暫時禁令,民間仍有許多不同的聲音。批評者認為此時為止的所有研究,沒有一個算是真正的野外調查,全都是實驗室裡的測試,只有少數幾項研究是「模擬」野外環境,但他們也質疑研究者怎麼知道餵了含有農藥的花粉,農藥的劑量就真的是跟野外環境相符合?

遺失的最後一塊拼圖──野外蜂群的大規模調查

一直到 2015 年 4 月,終於有了第一個確確實實的野外調查研究,。瑞典南部隆德大學的倫德洛芙(Maj Rundlöf)率領她的研究團隊親自種了 16 塊油菜花田,其中 8 塊種了含有可尼丁農藥的種子,另外 8 塊用的則不含農藥,每塊地彼此間隔 4 公里以上。他們統計了每塊地方圓 2 公里內區域的野蜂密度、獨居性壁蜂 (Mason Bee, Osmia bicornis) 的築巢活動性以及熊蜂 (Bumblebee,  Bombus terrestris)蜂巢的重量,發現有使用可尼丁農藥的田附近,野蜂密度較低、壁蜂築巢量下降,且熊蜂蜂巢重量成長得較為緩慢,也因此證實了新菸鹼藥物的確會干擾野生蜂群的活動。

File:Bombus terrestris queen - Tilia cordata - Keila.jpg

熊蜂/圖片來源:Wikipedia

File:Male red mason bee (Osmia bicornis), Sandy, Bedfordshire (8694209006).jpg

壁蜂/圖片來源:Wikipedia

論文發表後,多家大型企業的發言人發表聲明,認為這篇研究的證據並不足以支持倫德洛芙的論點。他們注意到論文中也發現一般蜜蜂的蜂群並沒有因為可尼丁而受到影響,並認為在「區域內野蜂密度」這個項目所統計到的野蜂數量過少,不具統計上意義,根本不能當作證據。

雖然這項研究有些微瑕疵,卻也讓質疑新菸鹼藥物的聲浪越來越大。為了解決這個證據支持性的問題,拜耳與先正達兩家公司決定挹注 300 萬美金(折合台幣 9 千萬),讓英國的生態與水文學中心(Center of Ecology & Hydrology, CEH)進行更大規模的野外研究。研究人員選定了英國 12 處、德國 9 處與匈牙利 12 處,共 33 塊油菜花田進行實驗,每塊油菜花田彼此距離 3.2 公里以上,在冬天的時候預先種下含有可尼丁、賽速安或是不含新菸鹼農藥的種子,並等到油菜花開花後,將一般蜜蜂與熊蜂的巢以及壁蜂搭配人為提供的築巢材料放到試驗田中央,等待 1~2 週後統計分析所受到的影響。

沒想到,最終實驗結果竟讓拜爾與先正達公司跌破眼鏡,根本可以說是自打臉。2017 年這項大規模研究發表在《Science》上,研究人員認為整體來說新菸鹼藥物對三種蜂類的確造成了負面影響,結果顯示英國與匈牙利農藥使用區的蜜蜂巢中的工蜂數量減少,在匈牙利更觀察到蜂卵數量降低,不過在德國農藥使用區的蜜蜂蜂巢卻匪夷所思地產生了更多蜂卵,而工蜂數量則沒有明顯變化。另一方面,野蜂的部分,發現農藥使用區的熊蜂女王蜂產卵量在三個國家都是呈現負相關,也就是農藥殘留量越高,產量越低;而農藥使用區的壁蜂製造的蜂房數量也不分國家都呈現負相關,農藥殘留量越高,壁蜂製作蜂房的數量與效率越差。

從播種到蜜蜂相繼迷航、死亡,這些殺蟲劑是如何對蜜蜂產生作用的?/圖片來源:科學月刊提供

不斷翻轉的結局

不過,拜耳和先正達兩家公司的發言人在論文發布記者會的當下,透過記者抨擊研究結論非常令人懷疑,他們緊咬著論文數據的的可信度不放,儘管如此,大量的統計分析結果的確受到許多科學家的認可,一位拜耳公司的科學家對此字斟句酌地表示:「我認為新菸鹼藥物的確是對蜜蜂有些本質上的影響,不過就實際情況而言,正確使用的話,我們還是沒看到任何有效證據可以說明這些藥物會傷害蜜蜂。」

2018 年 2 月,歐洲食品安全局再度統整近年研究,並正式宣告新菸鹼藥物危害蜂群證據明確,歐盟委員會最終在 2018 年 4 月 27 日決議,要在 2018 年底全面禁止戶外使用新菸鹼農藥,但居家環境仍可使用,以免繼續傷害蜂群。

持續了超過 20 年的研究論戰到此暫告一段落,不過仍有科學家對禁令表示憂心,因為禁用可能造成害蟲增加、導致農業產量下滑,甚至可能有農民為了要殺蟲而用了更毒的藥物,造成更可怕的環境問題。只是,新菸鹼農藥繼續用下去,也有機會讓蜂群崩潰,讓蜜蜂大量減少,或許這樣才是更加慘烈的,因為寂靜的春天可能會連作物都無法順利成熟結果。歐盟的決定的確影響了世界各國決定新菸鹼藥物的去留,但究竟禁用了之後結果如何,也只有時間能告訴我們答案。

在接觸過新菸鹼類藥物後,個體乃至群體的死亡可能「蜂」擁而至。/圖片來源:科學月刊提供

延伸閱讀

  1. Cressey D., The bitter battle over the world’s most popular insecticides,  Nature, Vol. 551, pp. 156-158, 2017.
  2. Butler D., EU expected to vote on pesticide ban after major scientific review,  Nature, Vol. 555, pp. 150-151, 2018.

〈本文轉載自《科學月刊》2018年 7月號 583期〉

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108新課綱上線,國中生物科課程會有哪些變化呢?

  • 文/簡志祥
    任教於新竹市光華國中,經營部落格「阿簡生物筆記」。

編按:透過教育,能帶領我們更快的認識世界。但在求學時期,卻是讓好多壓力推拉著我們前進。於是周遭的風景模糊,甚至不知道自己的目的地;直到徬徨地到站,還有些人不知自己身在哪裡、該往哪去。這真的是我們希望的教育嗎?
在108新課綱上線之際,本次《科學教育科科科》專題特別邀請經營《阿簡生物筆記》的簡志祥老師撰寫他在生物科教學現場的第一線觀察。國中生物科課程的內容部分遷移至國小、高中,跨科主題和探究與實作課程的規劃,讓國中自然科的課室有哪些變化呢?

108新課綱上線,課程如何調整呢?

2019 年 8 月正式實施的 108課綱在自然領域出現了哪些變化?讓我用國中生物這個學科範圍來說明吧。

108課綱在國中自然領域出現了哪些變化?source:阿簡@Flickr

第一,生活科技和自然領域分家了。

九年一貫時生活科技和自然領域是併在一起成為自然與生活科技領域,因此有些學校會將這個課程配給自然領域的教師來授課,但有些教師會直接把這門課當作生物課來上,讓生物課一週變為四節課。然而新課綱實施之後,當生活科技離開自然領域後,生物課就只會有三節課。雖然有些教師會心中吶喊著「課的時間怎麼變少了」,但其實它沒有變少,它只是回到本來應該的狀態。

第二,課程內容改變了,有加也有減。

教師們常常會聽到來自學生或家長的抱怨,像是「國中自然好難,考試分數一落千丈,小學隨便考都是一百分,國中怎麼都七八十分,甚至不及格」。這樣的苦,學生最懂,因為國小和國中課本差好多。國中課本的文字數量、學習內容都比國小課本多很多,以致於很多國中新生一開始都會非常不習慣。

但其實國小可以學更多的內容,因此在新課綱中就把國中部份的學習內容移到國小了。舉例來說「生物體是由細胞所組成,具有由細胞、器官到個體等不同層次的構造。學生可用顯微鏡或放大設備觀察生物體的細胞」,這個在舊課綱是國中七年級才會學到的概念,但在新課綱則是調整到國小高年級。其他如「器官系統」、「蒸散作用」、「族群」、「群集」、「生態系」、「生物間的交互關係」、「水循環」等內容也都調整到國小階段,所以國小會學得更多一些了。

部分國中課程的內容遷移至國小、高中。source::阿簡@Flickr

除了將學習內容部份移到國小外,還有一些是轉移到高中階段。例如在物質循環的部份將「氮循環」移到高中,國中階段只保留「碳循環」。而遺傳學的部份,國中只以科學史觀點認識孟德爾的遺傳研究,保留可觀察的且受學生關注的遺傳現象,例如ABO血型與性別遺傳。演化學的部份,國中階段僅保留從化石可以知道地球上曾經存在許多的生物。其他遺傳學和演化學較為抽象或是國高中重複學習的部份,都是調整到高中階段。

新課綱在學科中也增加了一些學習內容,如「演替現象」、「微生物的多樣性與微生物對人類生活的影響」,這些在過去多半是教師在上課時本來就會提及的內容。另外,舊課綱的教科書對於免疫的概念通常只有簡單提及白血球會吞噬細菌或製造抗體,以及淋巴結會過濾病原體而已,而新課綱則是特別列出了免疫的學習內容:皮膚是人體的第一道防禦系統,能阻止外來物,淋巴系統則可進一步產生免疫作用。整體說來,在學科內增加的學習內容並不多。

不用只在教室以管窺天:跨科主題、探究與實作課程

另外,除了生物本身的學科內容外,在新課綱中裡還增加了一個稱為「跨科主題」的項目,規定了在國中階段無論生物或理化、地科在每學期至少包含一個跨科單元,這單元將用來整合自然科學的探究與實作,並以實驗、實作或探究方式進行跨科主題之教學。

例如,「光合作用」涉及到科目不只有生物,還有化學等等。source:hajninjah@Pixabay

在七年級的跨科主題是「從原子到宇宙」,因此在生物課程裡將會正式引入原子和分子的概念,以及認識生物體的四個元素:碳、氫、氧、氮,並且學習元素符號及主要性質。以往這些學習內容是教師在講解光合作用、呼吸作用或是物質運輸等單元時,會根據課程需求再進行補充的內容,但在在新課綱中就是直接列入了七年級的學習內容了。

在跨科主題中,也會介紹不同的十幂次數量級長度單位,如奈米、微米、毫米、米、公里、光年。學生也需要知道要用不同的尺度進行測量,例如可以用微米表示細胞的大小。或是運用比例進行推理與計算,例如知道生物圈的範圍與地球半徑的關係,或是依太陽系各行星間距離或行星直徑大小、重量的比例製作太陽系模型。

在新課綱中還有一個很大的不同,那就是在課綱裡規定對實驗課的要求,除了寫明「國民中學教育階段應有三分之一節數為實作體驗課」之外,還在課綱裡寫明了哪些學習內容需要搭配哪些探討活動。這些變化是因為新課綱相當強調探究實作,高中階段甚至還有探究與實作的一堂課。

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學生觀察動物頭骨。source:阿簡生物筆記

新課綱的內容規劃中,給了更多的時間讓教師能進行探究與實作的課程,在新課綱的規劃與期許下,教師在經營一堂自然科學課程時,要能搭配各種實驗或是實作的活動。而在實作上,不是動手摸摸實驗器材寫個紀錄本就結束了,更重要的是藉由這些實作活動,促進學生發展科學思考的智能,培養問題解決的能力,例如從發現問題到利用科學方法進行研究,並從數據資料中推理、進行論證或進行批判性思考。

雖然在課程中進行探究比直接講述還花時間,但這些可以透過課程的設計和組合來解決,詳情可以參看筆者先前的文章《趕課沒空上實驗怎麼辦?生物課可以這樣教……》,以及鄭志鵬老師和吳月鈴老師撰文的《自然新領綱與科學新教師》,相信這些文章都能夠給讀者不一樣的想法,只要願意開始踏一步,就會離目標更靠近一步。

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天氣預報再創新準度?福衛七號再造太空精準溫度計

文/林俊良│國家太空中心主任與成大航太所博士。曾任助研員、講座教授、系主任、產學營運中心主任及副校長。
方振洲/國家太空中心福爾摩沙七號星系計畫系工經理、系統工程組研究員及國立交通大學光電工程研究所博士。

過去,國家太空中心發射的福爾摩沙衛星三號,曾在 2009 年莫拉克風災前預測其超高降雨量,也準確預測 2012 年侵襲美國的珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 的路徑,並協助美國政府進行緊急疏散。

如今,福衛三號計畫的資料已免費公開給超過88個國家近4000個單位使用。而福爾摩沙衛星七號,也於今 (2019) 年成功發射,將擴大改善全球的劇烈天氣預測準確度,成為福衛三號後「2.0 版」的太空溫度計。

發射升空!—臺灣太空新里程

上 (6) 月 25 日,於臺灣時間下午 2 點 30 分,搭載 6 枚褔衛七號的美國 SpaceX 獵鷹重型火箭 (Falcon Heavy) ,偕同此次美國空軍的其他 18 枚衛星,順利於美國甘迺迪太空中心 (Kennedy Space Center, KSC) 發射升空。

發射後 91 分鐘,國家太空中心獲得由獵鷹重型火箭所傳回衛星與火箭分離時刻的狀態向量,隨即進行軌道計算,為後續地面站追蹤衛星的依據,同時將結果傳至位於澳洲的達爾文 (Darwin) 海外站及其他地面站,接收衛星資料。

發射後 165 分鐘,中心先與其中 2 枚成功通聯,後續再與其中的 3 枚完成通聯。最後,於當天臺灣時間下午 8 點 48 分於臺南的歸仁衛星信號接收站聯繫上最後 1 枚。

至此,6 枚衛星全部與地面完成通聯,並停留在離地表約 720 公里的同一個暫駐軌道上,確定第一階段任務成功。

福爾摩沙衛星七號模型。圖/維基百科

褔衛七號計畫是怎麼誕生的呢?

褔衛七號計畫為臺美大型科技合作計畫,雙方於 2010 年完成合作協議簽署,執行單位為臺灣國家實驗研究院國家太空中心 (National Space Organization, NSPO) 與美國商業部國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 。

褔衛七號的任務目標,是由高度 520~550 公里、24 度傾角的軌道上部署的 6 枚衛星組成的星系,建立高可靠度的氣象衛星系統,每日提供南北緯 50 度間約 4000 筆的掩星資料,大幅幫助天氣預報、劇烈天氣預報準確度及電離層太空天氣監測。

福衛七號所肩負的使命

福衛七號的 6 枚衛星,每枚皆裝載全球衛星導航系統無線電訊號接收器 (TriG GNSS Radio occultation System, TGRS) 的主酬載,該儀器可接收全球定位系統 (GPS) 和全球導航衛星系統 (GLONASS) 的無線電掩星 (radio occultation) 信號。

透過掩星訊號接收天線接收訊號,再利用阿貝爾轉換公式 (Abel transformation) 算出折射率,因大氣壓力及溫度與折射率有關,故由該折射率可進一步轉化成氣象預報使用的大氣觀測數值。

一般而言,天氣預報所涵蓋的大氣範圍為對流層,當折射角度越大,代表氣體密度越高,而氣體密度與溫度、溼度和壓力亦有關,後續資料經地面處理和校正後,可推算大氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊。

由於此次任務是 24 度傾角的圓形軌道,收集的資料集中於南北緯 50 度範圍內,有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。

福衛七號有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。圖/Gunter’s Space Page

另外,福衛七號也攜帶 2 個科學酬載儀器,分別是離子速度儀 (ion velocity meter, IVM) 及無線電射頻信標儀 (radio frequency beacon, RFB),前者可量測電離層的離子密度、速度、溫度與行進角度,評估太空天氣對太空船和通信的影響;後者則可透過地面站接收該射頻信標儀的閃爍訊號,進而獲得區域性電離層異常區的分布。

看看我的發射載具,已經變得這麼厲害了

福衛七號外型為長方體,於單側裝載太陽能板,燃料加注後總重約為 300 公斤,衛星採用鋰離子電池,通訊頻段為 S 頻段,衛星本體裝置 GPS 接收儀以進行導航,設計壽命是 5 年。

而伴隨福衛七號搭載的衛星分屬 15 個計畫,總共 24 枚衛星。全部衛星總重 3.7 公噸,其中福衛七號總重 1.8 公噸,為主要的任務衛星。

發射載具方面, SpaceX 公司所研發製造的獵鷹重型運載火箭,由1枚強化後的獵鷹 9 號為主推進核心,外加 2 枚側掛的側推力器。

除了第一節火箭外皆可回收重複使用,本次發射採用的獵鷹重型運載火箭側推力器,為前次任務所回收的通信衛星再重新填注燃料組合而成。另外,這次採用回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。

回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。圖/Joel Kowsky@NASA

別再說天氣預報不准啦!

為了得到均勻分布的觀測資料,各枚衛星設計在 520~550 公里高的 6 個任務軌道執行任務,該操作將在發射後所有衛星完成本體和酬載的健康檢查後陸續進行。

預計在發射後的 19 個月完成星系部署,衛星本身不做軌道轉換時仍會協同暫駐軌道上的其他衛星持續對經過的區域進行氣象觀測。

操控方面,褔衛七號計畫包含衛星發射及初期軌道操作、任務軌道部署控制、在軌任務操作及海外支援地面站指令資料傳輸等。

操控系統包括位於太空中心的衛星操控中心、國內外網路系統及美國所部署於夏威夷等 10 個海外地面站,綿密的網絡系統可在平均 30~45 分鐘內,取得大氣層垂直分布結構的最新觀測資料。包含溫度、濕度、降雨率、太陽活動程度、太陽黑子數、行星際磁場和太陽風密度、太陽風風速及預估地磁對臺灣地區擾動等。

此外,福衛七號所提供的資訊將與其他訊息提供管道進行資料同化 (data assimilation) ,透過數學模型擬合大量的觀測數據,以提供最後的氣象預報結果,未來天氣預報精準度將可提高約 10%。

也許在天氣預報精準度提高10%的未來,我們比較不會遇到被天氣預報騙得淋雨的情況了吧。圖/Genaro Servín@Pexels

福衛七號的資料應用,中央氣象局結合學界建立本地掩星資料應用系統,落實氣象數值模式的應用效益,提升劇烈天氣的預報能力、降低災害預警的不確定性。

舉例而言,將掩星資料與既有觀測資料同化後,對 2009 年莫拉克颱風的歷史資料進行模擬分析,發現颱風行進預測路徑非常接近實際颱風行進路線,顯見掩星技術具體實現後的效果。

福衛七號若成功,氣象資料多更多

目前, 6 枚福衛七號衛星已與臺灣地面站成功通聯,規劃在發射後 1 個月內完成衛星全部功能測試,接著開始衛星軌道調整,由 720 公里的暫駐高度,逐漸下降至 550 公里,每枚衛星包含酬載資料校正需時約 108 天。

此時衛星即可接收全球定位衛星的資料,分析大氣層垂直結構的溫度、氣壓、濕度及電子密度等。

隨後進行資料校正與比對驗證,預計發射後第 7 個月可提供全球氣象界使用大氣量測資料及產品;而發射後第 16 個月則可提供全球氣象界使用福衛七號的電離層量測資料及產品;第 19 個月,6 枚衛星將全部部署到高度 550 公里的任務軌道,自此可提供中低緯度均勻分布的掩星觀測資料,該衛星系任務便正式開展。


 

本文摘自《科學月刊 08 月號/2019 第 596 期:仿物種智慧》科學月刊社出版

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美國食品安全現代化法案│食安簡史10:二轉培訓中心

食品安全近年引發許多焦慮,臺灣的食安政策究竟該如何制訂,才能讓大家吃得安心放心呢?本系列以歐盟、英國、美國、加拿大、中國等國為例,整理歸納系列文章,邀請大家破關點技,點好點滿成為食安鬥士。

2011年,美國國會通過《美國食品安全現代化法案》,是 1938 年《聯邦食品、藥品和化妝品法案》後,至今七十幾年最大的改革立法。

致命花生醬,美國再度重視食安問題

2009 年年初,正當美國首位非裔總統歐巴馬開始新任期之時,美國爆發大規模李斯特菌 (Listeria monocytogenes) 汙染的花生醬食物中毒事件,全美七百多人中毒,九人死亡1-3,美國國內檢討食安法律的聲浪再次掀起熱議。

在2011年,美國又發生了哈密瓜上帶有李斯特菌,導致大規模的食物中毒案件,最終造成科羅拉多州30人死亡,上圖為李斯特菌生活週期。圖/wikimedia

根據美國疾病管制中心 (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) 的研究,每年約有將近 5 千萬名美國人食物中毒,超過十萬人必需要住院,而且大約有 3 千人會因此而死亡3,4,而在歐美國家的社會裡,特別注重致病,甚至致死的食源性疾病和微生物,而對於食品參假等詐欺案件較不重視,此點彰顯了歐美政府的風險管理態度,以會造成人民立即死傷的高風險危害(食源性疾病)為主要管制標的,集中政府資源、最大效益地確保國民健康。

而美國對食品的進出口量逐年攀升,且中國三聚氰胺毒奶粉等國際食安事件凸顯了跨國食品鏈的複雜度,顯示查驗食品廠的制度急待改變。因此美國政界以此為契機,在 2011 年通過了《美國食品安全現代化法案》(Food Safety Modernization Act, FSMA),繼 1938 年《聯邦食品、藥品和化妝品法案》後,美國七十幾年來最大的食安改革立法。

美國食品安全現代化法案:法案精神

以下為美國食品安全現代化法案主要的精神3,5,6

  • 建立全面預防:FDA 將要求所有提供人類和動物食物的企業進行登記,並必須以科學風險評估為基礎,在生產商品的每個環節上提出預防的計畫和措施。
  • 提高查驗頻率:FDA 要求所有食品企業每兩年都要重新登記一次。同時國內、外的食品生產、加工商都要接受不定期的抽查,且抽查的商家數量將逐年增加。
  • 強調企業責任:FDA 有權要求進口商必須事先獲得進口認證,以確保食品符合美國規範。同時建立第三方認證機構和快速通關機制,提高配合廠商之商業誘因。
  • 擴張政府權力:除上述之權力外,FDA 也首次獲得食品召回的權力。只要 FDA 合理懷疑食品有危害美國民眾的可能,就可以施行召回的權力。
  • 保障舉報制度:FDA 和美國勞動部合作,確保舉報的員工不會被公司在事後歧視、懲處等不利的行為,若有秋後算帳的情形發生,公司不但要立刻恢復員工原本的權益,還得要給予補償性賠償。並且更重要的是,秋後算帳的舉證責任倒置,將有利於員工,雇主必須要自行舉證沒有報復舉報員工

美國食品安全現代化法案:配套執行細則

為了使美國《食品安全現代化法案》完備,在執行面上有七大執行細則陸續地公布7-13

  • 人類食品的預防控制原則 (Preventive Controls for Human Food Final Rule):在處理人類食品的企業裡,企業需要在處理食物的流程中針對已知、可預期的生物、化學、物理性危害進行分析,並提出預防性控制的方法、監督和驗證計劃等。同時生產操作和員工訓練都需要遵照《現行良好制造規範》。
  • 動物飼料的預防控制原則 (Preventive Controls for Food for Animals Final Rule):原則上和《人類食品的預防控制原則》相同,並且需要附上產品的召回計劃
  • 農產品安全與環境影響規範 (Produce Safety Final Rule and Environmental Impact Statement):本規範是針對生產食品的農場或產地環境進行規範,如:農場用水、土壤改良劑(推肥等)、野生動物、員工和機械等。
  • 人類食品和動物飼料運輸衛生原則 (Sanitary Transportation of Human and Animal Food Final Rule):本原則在防止在運輸過程中,可能會產生食品危害的行為,如:未能妥善冷藏食品,兩次裝運之間未充分清洗車輛,及未能妥善保護食品等。本原則將要求車輛和運輸設備、運輸作業、人員培訓和記錄皆能符合良好的衛生規範等。
  • 食品避免摻假原則 (Mitigation Strategies to Protect Food Against Intentional Adultertion Final Rule):本原則為檢視食品鏈上每一個環節的弱點,並制定監督改善計劃。本原則類似危害分析重要管制點 (Hazard Analysis and Critical Control Points, HACCP) 的概念,但為更強化。
  • 外國供應商驗證計畫(Foreign Supplier Verification Programs (FSVP) Final Rule):本原則為要求進口食品至美國的供應商,能完全符合美國的衛生規範,如:確保食品標籤完全正確、就潛在危害物質進行分析並制定防治計畫等。
  • 第三方認證組織計畫 (Accredited Third-Party Certification Final Rule):本計畫為鼓勵第三方組織能協助 FDA 替外國的食品商考核、頒佈認證。該證書為證明食品商符合美國 FSVP 計畫,利用此方式獲得認證,可獲得商品的快速通關權利,以提高商家的商業誘因,同時也能夠降低 FDA 查核的成本與障礙(就現實面來說,即便是財力驚人的美國,也無力獨自針對所有進口商進行綿密的審查,因此以第三方組織的方式降低官方的壓力,同時提供快速通關等商業誘因,鼓勵食品廠和第三方認證組織的良性互動。)。

美國《食品安全現代化法案》於 2011 年公告後,持續地和國內外的業者、民眾溝通,陸續地修改、調整並公布上述的七項執行細則。除了持續在網路和大眾溝通,以及藉由各種公聽會和業者交換意見外,食品企業也透過食品雜貨製造商協會 (Grocery Manufacturing Association, GMA) 在草擬法規時向政府單位反映業者意見。而 GMA 也扮演教育者的角色,協助食品業者遵循未來的規範14

歐巴馬簽署《美國食品安全現代化法案》。圖/wikipedia

美國《食品安全現代化法案》和相關執行細則將分三個階段進行,第一階段為制定相關政策、法規等;第二階段為制定細部實施計畫,規劃策略與協助企業等;第三階段為正式實施、監控、評估等。

目前美國政府的進度為第一和第二階段之間的過渡期,其工作重點是讓企業與利害關係人參與法規草案研議、利用各種方式讓公眾瞭解利害關係人的關切問題、藉由教育訓練讓企業加速了解法規、提高企業遵循之誘因等。值得注意的是,美國在推行如此龐大、重要的計劃時,法規制定的過程中仍持續地與利害關係人溝通對話,同時宣導法規精神,列舉未來政府和企業可能面臨之問題且共同尋求解決方案15。這種願意與民對話、公民參與,同時公佈政策的行程的風格深植於公務體系的精神,是非常值得台灣陳舊的官僚系統所學習的。

下一篇請見:美國政府的食安管理體制│食安簡史11:二轉培訓中心

參考資料

  1. 染菌食物照樣賣 美花生老闆遭判28年創首例。地球圖籍隊
  2. 花生醬污染害死9人 黑心食品老闆重判28年。蘋果日報
  3. 周超 (2012) 美国食品安全现代法案对我国食品安全监管的启示。湖南社会科学
  4. 林勤富 (2015) 美國食品安全現代化法進口食品管制度設計研究。國立清華大學法律研究所
  5. FDA Food Safety Modernization Act (FSMA). U.S. Food and Drug Administration
  6. 李婷、刘武兵 (2014) 美国食品安全管理做法及启示。世界农业
  7. FSMA Final Rule for Mitigation Strategies to Protect Food Against Intentional Adulteration. U.S. Food and Drug Administration
  8. FSMA Final Rule on Sanitary Transportation of Human and Animal Food. U.S. Food and Drug Administration
  9. FSMA Final Rule on Produce Safety. U.S. Food and Drug Administration
  10. FSMA Final Rule on Foreign Supplier Verification Programs (FSVP) for Importers of Food for Humans and Animals. U.S. Food and Drug Administration
  11. FSMA Final Rule on Accredited Third-Party Certification. U.S. Food and Drug Administration
  12. FSMA Final Rule for Preventive Controls for Human Food. U.S. Food and Drug Administration
  13. FSMA Final Rule for Preventive Controls for Animal Food. U.S. Food and Drug Administration
  14. 美國食品安全現代化法案 控管業者保食安。食力
  15. 廖鴻仁 (2015) 美國食品安全現代化法執行法規推動現況。行政院農業委員會

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登月大賽成功與失敗的故事:來自以色列民間的創世紀號

50 年前,美蘇之間的太空競賽造就了無數的故事和科技創新。50 年後,一支從 SpaceX 太空競賽誕生的以色列團隊,要挑戰一件前無古人的事情:靠著民間資助及技術能力,送一顆探測器上月球去。

目前歷史上只有 3 個國家曾經在月球上成功降落過探測器(軟著陸,不是計劃性墜毀的硬著陸),按時間排列依序為蘇聯、美國、中國。而最近幾年民營太空計畫和重返月球的話題和重要性越來越明確,Space X 的成功、美國宣布重返月球、中國登陸月球背面等等的事情,一再的告訴我們~舊愛可能還是最美,熟悉的月球在未來最對味。

或許有些天文迷已經知道 SpaceIL 團隊創世紀號(希伯萊語: Beresheet)的故事。但在最終報告還沒出來之前,我們還有很多時間可以認識一下這近期最野心蓬勃的登月計畫和與其團隊 SpaceIL 奮鬥的故事。

SpaceIL團隊與創世紀號(圖片來源:The Verge)

功敗垂成的 Lunar X Prize大賽

「今天我們要向世界各地的民間團隊提出挑戰,請他們設計、建造月球探測器,並儘速將成品送上月球表面,讓探測器在月面上移動 500 米,還必須回傳 1G 的高解析影像及數據。」

以上~就是大名鼎鼎的 Lunar X Prize 的比賽重點,看起來很單純是吧?這個著名的獎項在 2007 年宣布,原本預計在 2012 年結束,但是經過不斷的延期,最後才在去(2018)年 3 月由主辦單位宣告比賽結束。

長達 11 年的比賽過程,有將近 30 支隊伍參加,但沒有人完成任務。有些人可能會認為 Lunar X Prize 失敗了,但這其實可以視為一場慘烈的大成功:因為這些(雖然沒有成功登月的)團隊靠自己的能力,發展出了新時代的硬體和技術。

以色列登月團隊 SpaceIL的誕生

來自以色列,打造了創世紀號的SpaceIL 團隊,就是參賽隊伍之一。他們在漫長的競賽結束之後,仍決定堅持下去,試著去完成任務。

一切要從 2010 年說起,一位名叫亞里夫‧巴許(Yariv Bash)的年輕工程師,聽說了當時 Lunar X Prize 的事,而有個瘋狂的構想(可參見預告片 5:45的畫面),他找了另外兩位夥伴,分別是電子工程師跟電腦學家,想要從零開始參加這場競賽,連草圖都在第一天完成了,上面還寫了可能會有的問題和時程表。

SpaceIL創辦人亞里夫.巴許(Yariv Bash),2015年在以色列Google年會上演講(圖片來源:SpaceIL

但是就像每一個剛起步的民營公司、創業者會遇到的問題:他們需要錢。

他們很幸運的某個大型會議上遇見以色列媒體業富豪莫里斯卡恩(Morris Kahn),非常樂意贊助整個計畫。 SpaceIL 團隊由此建立,開始了他們另類的月球探測器計畫,該探測器後來經由民眾投票取名為創世紀號。

創世紀號很小,沒裝燃料大約才 160 公斤,尺寸跟廚房餐桌差不多大。而在沒有多餘時間或人力設計零件的情況下,他們利用很多現成物件,加入一些巧思,然後大量運用 3D 列印技術來產生需要的設備,例如它的腳有另外鋁製的蜂巢結構,用來吸收與月球表面接觸時的衝擊能量。為了節省太空艙的建造費用,SpaceIL 甚至沒在上面裝太多的防護設備。

「老實說……這些東西(太多的零件)很可能會變成阻礙,在前往月球的路上就壞掉,所以你如果想做個簡單的首次太空任務,只要規劃能撐幾天的系統就好」計畫主持人巴許在紀錄片《登月50周年鉅獻:以色列登月計畫》裡面說到。

SpaceIL三位元老當初在酒吧見面時的合影,當時桌上的紙已經畫出和寫出了探測器的重點(圖片來源:Discovery《以色列登月計畫》節目截圖)

Lunar X Prize 競賽取消後,很多團隊都停止開發,但是仍有少數幾個公司繼續堅持自己的道路,SpaceIL 就是其中一個(另一個比較有名的是Moon Express)。Lunar X Prize 宣布結束時,創世紀號已經設計好,也準備好要搭載在 Space X 的火箭上,只差沒有發射。團隊此時需要新的一輪資金才能在接下來 1 年內順利發射,幸好另一位猶太裔富商謝爾登‧阿德爾森(Sheldon Gary Adelson)此時加入了這場計畫。最後~創世紀號完成了,花的不多……總共花了大概 1 億美金。

創世紀號的旅程與目的

2019 年 2 月 21 日,創世紀號搭著獵鷹型火箭,跟著一個美國空軍的機密衛星和印尼的通訊衛星一起升空。

它預計在離開地球軌道之後,獨自旅行七週才會到月球……等等,阿波羅計畫不是 4 天就到了嗎?為什麼創世紀號要這麼久?這也就跟整個創世紀號的設計理念有關──它走去月球的最快路線,而是要靠著重力拋射,走最省燃料的路線。創世紀號總共要走 640 萬公里,比阿波羅 11 號還遠了 1 倍,但它只需要多裝 570 公斤的燃料而已,跟其他登月計畫相比,根本是芝麻般的重量。

至於創世紀號的任務是什麼呢?當然不只是拍拍照這麼簡單。

創世紀號登月模擬圖(圖片來源:Parabolic Arc)

在今年月球與星球科學協會(Lunar and Planetary Science Conference, LPSC)中,SpaceIL 團隊針對創世紀號的任務提出了詳細的說明。除了研究與測量月球本身的磁場之外,創世紀號最特別的任務內容大概就是要重新登陸在當年阿波羅 17 號著地的地點:澄海。當年阿波羅計畫總共在澄海登陸兩次,傳回的資料讓科學家發現這個地方有磁場異常,這在月球上是很少見的一件事情。

紀錄片《以色列登月計畫》中提到:「我們計畫連接磁場異常與特殊地形的關係,主要利用剩磁的特性。磁場與月球地貌的理應是連續性的關係,如果我們假設寧靜海的磁場相對於月球其他地方(或其他區域的玄武岩)更高但是也比較穩定,但這裡只有表面破裂的地方產生磁場,因為場線與地貌有關係。」

團隊希望創世紀號上面搭載的磁力儀能帶給我們更多資訊,讓我們瞭解月球的磁場變動歷史。將月球岩石磁力與地質年代的研究連結起來,會讓我們對月球的形成歷程有新的認識。

阿波羅11號太空人在完成登月回來後,檢視帶回來的月岩(圖片來源:NASA)

創世紀最後的旅程與未來

密集研究月球地磁,需要在月球軌道上待很久的時間,這也是創世紀號面臨的挑戰。因為資料需要花兩天的時間傳送回地球,這段期間內會遭遇到月球軌道上高得誇張的溫差。在任務第四天,正準備要點燃推進器的那一刻,甚至發生了電腦停擺的情況。SpaceIL 團隊認為故障原因可能是宇宙射線或范艾倫帶的輻射線能量超出預測值,儘管最後使用遠端通信的方式修復了這種情況,但並不是這台迷你探測機最後的苦難。

今年的 4 月 11 日,創世紀號離開月球軌道開始往月球表面墜落,過程中通訊都沒問題就此進入著陸程序,創世紀號逐漸往月球表面降落,途中還傳來一張在太空中拍攝的照片。在接近月球表面時,創世紀號點燃反向火箭,照理講這時候應該要減速的,但回傳資料顯示垂直速度還是很快,主引擎似乎出了問題,在離地 150 公尺處……創世紀號的訊號停止了。

創世紀號與月球合影(圖片來源:Calcalistech)

所有軟登月的任務中,任務是否成功都要取決於著陸。沒錯,最近一次嘗試要登陸月球的新成員創世紀號,最終與以失敗收場。SpaceIL 團隊在斷訊後就無法再聯絡上創世紀號,只是到今天,都還沒有確定的答案到底為什麼機械會在最後一刻失靈。

但是之後無論是誰、無論來自宇宙何方,只要找到創世紀號,就會發現團隊在船上塞了幾件非常特別的物品:一枚小硬幣上刻寫了整部聖經,每個字母都只有微生物大小;還有一個時光膠囊,這個時光膠囊容納了所有參與建造這艘太空船的人的夢想和希望。

雖然創世紀號的登月最終失敗了,但要提醒大家,最偉大的技術和突破,都是在一群人協力追逐同一個夢想中的過程產生的。

除了科學儀器外,創世紀號另外攜帶的一份資料:研發過程中的文件、學生的畫作、聖經文本和以色列歌曲(圖片來源:Phys.org)

 

Discovery頻道登月50週年鉅獻》每週六晚間 7 點播出
《登月50週年鉅獻:以色列登月計畫》8月3日晚間 7 點首播

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從炫技料理到可食用水球:食品科學中的晶球技術(下)

上一篇文章,我們介紹了在分子料理中被稱作晶球技術的「人工魚卵製造技術」,為了達到球化效果,各式膠體、乳化劑、安定劑與鹽類等食品添加物進入調理場中。身為主要添加物之一的「海藻酸鹽」凝膠與成膜的特性,可保留液體狀的中心,常應用於包裹或製作特色食品。接下來,就讓我們來揭曉這些技術在應用上有哪些變化吧!

哪些因素會影響晶球成品?

圖/pixabay

除了海藻酸鈉與鈣離子的濃度會影響產物,還有許多因素會影響晶球膠體成型的外觀、粒子強度,以及包覆性。

反應速率

各種鈣離子化合物與褐藻酸鈉溶液的反應速率不同,藉由使用不同種鈣離子化合物(如:氯化鈣,乳酸鈣與葡萄糖酸鈣)所造成反應速率的差異,可以製造適當厚薄與硬度的晶球膠膜。

溫度

高溫可以加快鈣鹽與海藻酸鈉的溶解速度,這時海藻酸鈉還不會與鈣離子產生反應,等到冷卻後反應生成「熱不可逆凝膠」,在高溫下依然能保持此物理型態。

製作過程凝膠順序的差異

改變凝膠順序是另一種常見的手法,可以分成「基本球化」與「反轉球化」等兩大方向。

原圖參考資料 Tsai et al 2017

  1. 基本球化技術採用直接滲透,在食品(溶液,如果汁等)中加入海藻酸鈉,然後滴入含有鈣離子的溶液中。操作簡單,但成膠速度會受鈣離子擴散影響,長時間反應甚至會變成整顆球體凝膠,因此較適用於餐廳廚房快速製備上桌的分子料理。
  2. 「反轉球化技術」,利用食品本身含鈣的特性,或額外添加鈣的方式,滴入褐藻酸鈉溶液,讓周圍膠化形成膠膜,所形成的球殻厚度通常比基本球化的球殼再厚一點,較容易維持球形,但相對不脆且不易爆開,此方法可以預先製備球體,也能夠避免酸性、含酒精或本身含有大量鈣離子的液體無法適當溶解海藻酸鈉的問題。
  3. 「二次凝膠球化技術」,則是將反轉球化所形成的晶球,再放入鈣離子溶液中,形成更強的交聯反應,以提升膠膜穩定度,此種方法常用於保護與控制釋放機能性成分之晶球製作。

剪切力、流體方向與液滴形狀

在工廠大量製作時,為避免因生產速度過快,導致液滴無法呈現球狀,可利用控制剪切力,與控制流體方向等工程技術加以改善。綜合上述條件,再搭配射出力道與剪切刀片模具,就可以生成各式形狀與口感的海藻酸鈉凝膠,如:仿海藻脆絲、髮菜、素魚翅、素海蜇皮,以及仿魚子醬等多樣化食品。

除了料理,也來參一腳減塑行動

為了減少寶特瓶與塑膠的使用量所研發的 Ooho 可食用水球,也運用了晶球技術的原理。

每顆裝有 20-150ml 的水,包覆在雙層可食用膜中,雙層可食用膜的主要成分為氯化鈣及海藻酸鈉。為了盛裝較多水量,一開始會先將水冷凍後,沾附氯化鈣溶液,再與膠體溶液反應形成包覆膜,待解凍後,即可完成一個個方便攜帶,不用塑料包裝的水球了。其中,外層膜可防止汙染,食用方式可直接吞入,吸食裡面的水分,或是將外膜撥開後吞入。

研發團隊目前與大型活動如博覽會,音樂祭,馬拉松等配合,減少寶特瓶與盛裝用的紙杯、塑膠杯的浪費;近期也應用於裝載果汁,醬料與雞尾酒等。雖然要完全替代塑膠包裝,還有許多像是保存期限、裝載量、在沒有額外包裝的情況下,是否堅固與方便攜帶,以及是否能夠大量運輸等問題尚待解決,但這只是個開端,期望未來能有更多的應用。

日益精進的微膠囊技術:除了褐藻酸鈉以外,還有……

除了上述所說的分子料理與食品外,這種凝膠特性在食品業還有更多發展空間。「微膠囊」可以當作一種微粒包裝技術,藉由不同的高分子聚合物當壁膜,包覆著固體、液體或氣體之核心材料。根據不同壁膜的厚度與性質,能夠改變溶解度與分散性、讓液體形式的食品可以轉變為固體、降低揮發性、保護機能活性、防止營養物質損失,以及增加吸收效率等功能,廣泛應用於醫學,食品,藥品與化妝品工業中。

食品中常見的壁膜材料除了褐藻酸鈉外,可依照材質特性分為:

  • 水溶性膠體:洋菜、紅藻膠、卡拉膠、三仙膠等
  • 纖維素衍生物:羧甲基纖維素
  • 蛋白質類:吉利丁、膠原蛋白等

有些微膠囊技術(如:微流道技術)雖然在實驗室或中間型工廠開發成功,卻因製造成本過高而難以在食品業界量產,不過在生醫藥領域仍有持續開發的優勢。目前多應用於製作固化香料、酸味劑、天然色素、營養劑、益生菌,與風味調味料等。

分子料理與食品科學的相輔相成

圖/pixabay

分子美食學——用科學的方式,理解食材分子經過烹調的科學原理,運用所得的經驗和數據進行再創造,除去料理迷思,事半功倍做出的料理。

分子美食學最開始的發起者並非職業廚師,而是由化學家 Herve This 和物理學學者 Nicholas Kurti 所創立。雖然料理說白了,就是一連串的物理反應和化學作用,但是美好的飲食饗宴,卻來自料理者對於美味的執著。

在食品業,因為「假魚子」遭受抨擊的晶球技術,用於分子料理卻廣受歡迎,亞德里亞公開食譜的方式,或許也是另一種讓民眾接受度提高的原因之一。即使在科學家眼中,分子料理屬於食品科學的一部分,但往往食品工廠誕生的食品卻常止於製造出來而已,對於建立與消費者溝通的橋梁,與了解消費者需求這部分,不可否認,分子料理提供了更好的五感體驗,這也是食品科學可持續進步的新方向。

參考文獻

  • 黃玉鈴, 蔡豐富, 張修銘, 王文良, & 江伯源. (2012). 海藻酸-“鈣鹽”-微膠囊成型性及粒子品質比較. 農林學報, 61(2), 185-202.
  • 詹現璞, & 吳廣輝. (2011). 海藻酸鈉的特性及其在食品中的應用. 食品工程, 1(7).
  • Ahirrao, S. P., Gide, P. S., Shrivastav, B., & Sharma, P. (2014). Ionotropic gelation: a promising cross linking technique for hydrogels. Res Rev J Pharm Nanotechnol, 2, 1-6.
  • Fu, S., Thacker, A., Sperger, D. M., Boni, R. L., Buckner, I. S., Velankar, S., … & Block, L. H. (2011). Relevance of rheological properties of sodium alginate in solution to calcium alginate gel properties. Aaps Pharmscitech, 12(2), 453-460.
  • Lee, P., & Rogers, M. A. (2012). Effect of calcium source and exposure-time on basic caviar spherification using sodium alginate. International Journal of Gastronomy and Food Science, 1(2), 96-100.
  • Tsai, F. H., Chiang, P. Y., Kitamura, Y., Kokawa, M., & Islam, M. Z. (2017). Producing liquid-core hydrogel beads by reverse spherification: Effect of secondary gelation on physical properties and release characteristics. Food Hydrocolloids, 62, 140-148.
  • The Making of Sodium Alginate and Its Surprising Uses, Alginic Acid
  • Spherification
  • 利用微流道操控技術生成褐藻酸鈣微粒子作為奈米金載體之研究
  • Notpla

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令人驚奇的分子料理是這樣來的:食品科學中的晶球技術(上)

2003 年,解構主義代表費朗‧亞德里亞 (Ferran Adrià) 使用特殊烹調法製作了一系列讓美食家與世人驚奇的分子料理,包含液態晶球橄欖、哈密瓜仿魚子醬,可說是為餐飲開啟了新世界大門。

但是你知道早在那之前就存在的「素魚子」與「素魚翅」就是用一樣技術製作出來的嗎?這到底是什麼技術呢?

圖/pixabay

隨著亞德里亞公開製作食譜,各式球化技術料理如雨後春筍般萌發,各種可大可小的球體、多樣色澤、具有蹦開口感的菜餚大量湧現。填充的內餡可能是濃郁的高湯、清新的果汁、原汁原味的橄欖油、別具特色的香醋,又或是細緻的奶昔泡沫。不管是單獨食用或是搭配其他菜餚,都可以帶來口感、味覺與視覺上的驚喜,而這些驚喜可要歸功於亞德里亞遇見了早在 1980 年代就出現的「人工魚卵製造技術」。

「人工魚卵製造技術」在分子料理中被稱作晶球技術 (Spherification) ,在食品科學中則進一步稱作微膠囊化技術 (Microcapsulation) 。為了達到球化效果,各式膠體、乳化劑、安定劑與鹽類等食品添加物進入餐廳與調理場中,它們主要藉由凝膠化改變液體食材的黏性以保持形狀,乳化改變製品口感。

晶球技術的核心:海藻酸鹽的化學作用

其中最值得一提的添加物,莫過於海藻酸鹽 (Alginate) 了。「海藻酸鹽」凝膠與成膜的特性,可保留液體狀的中心,常應用於包裹或製作特色食品,如素魚子、仿果肉、爆爆珠等;而獲得 2015 歐盟永續競賽獎的「食用水球」也是利用此原理所製作的。褐藻酸鹽除了方便操作,又具有室溫下可凝膠與原料安全的性質,使其成為現今大多數分子料理、食玩與科學研究套組選用的熱門材料。接下來就讓我們一起來了解海藻酸鹽是如何對料理產生化學作用!

海帶。圖/pixabay

海藻酸鹽主要萃取自褐藻,如海帶、馬尾藻、囊葉藻或巨藻等,是細胞壁中的一種天然多醣。

海藻酸鹽的生產方式,使用乾或濕的海草(藻)經碾碎、水洗去除雜質、再經由鹼水進行萃取、藉離心去除不溶殘渣,得到粗海藻酸鹽溶液,後續再生產成不同型式。經脫色、脫味後用酸處理,降低溶解度,除去可溶性雜質與部分水,得到海藻酸沉澱,再與碳酸鈉作用得海藻酸鈉,經乾燥、粉碎、過篩得到適當顆粒大小的海藻酸鈉粉末,外觀通常為白色到棕黃色纖維、顆粒或粉末。

海藻酸鈉是目前產量與應用較為廣泛的種類,其他還有像是海藻酸銨,海藻酸鈣,海藻酸鉀等不同的鹽類化合物,在溶解度,成膠性等特性上會有些微不同。

海藻酸鈉為一種線性不分支的高分子聚合物,單體包含有 D-甘露糖醛酸 (D-mannuronic acid,M) 以 β-(1→4) 鍵結,和 L-古羅糖醛酸 (L- guluronic acid,G) 以 α-(1→4) 鍵結。M 和 G 單元會以 M-M,G-G 或 M-G 的組合方式通過糖苷鍵相連成為嵌段共聚體。M/G 比例會隨著原料種類、季節和產區有所不同,這些不同會導致褐藻膠的產率和黏度有所差異,使用高 G 型海藻酸鈉製備的凝膠,較硬脆、熱穩定性好;高 M 型的海藻酸鈉凝膠,硬度差但是較有彈性。

海藻酸鈉分子鏈上,含有大量的羧基 (-COO-) ,溶於水後具有一定的黏附性,因此有較高的黏度海藻酸鈉水溶液,常作為食品中的增稠劑、穩定劑、乳化劑等。此外,在酸性條件下,展開的 -COO- 因轉變成 -COOH,導致電離度降低、分子鏈收縮,使得海藻酸鈉的親水性降低;在 pH值增加時,-COOH 基團會不斷地解離,讓分子鏈可以自由伸展開,親水性得以上升。這樣對酸鹼值敏感、影響溶解度特性,讓海藻酸鈉在料理中的應用,有一定的侷限性,黏性最安定的範圍落在 pH值 6-9 之間。

海藻酸鹽與鈣離子的相遇

 

圖/pixabay

黏稠的膠體要轉變成透明,堅韌、具有彈性的「熱不可逆膠體」,需要與二價以上金屬離子(即鎂、鈣、鍶、鋇)產生交聯作用 (Cross-linking)。這個不可逆膠體的特性受海藻酸鈉類型、鹽類種類、價數、離子半徑、是否存在離子螯合劑、溫度和 pH值的影響。

海藻酸鈉中連續的 G-G 組合,溶於水中形成長鏈聚合物,與鎂離子反應後會增加膠體的黏稠度,而鈣離子則最常被使用於食品中。

當海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中,鈣離子會取代海藻酸鈉羧基上的鈉離子 (Na+) ,再結合另一醣醛酸分子上的羧基,形成離子架橋(圖a),這樣手拉手的結構,使海藻酸鈉分子間的聯結性更強,形成一個三度空間的網狀組織結構,像蛋盒一樣(圖b),也就是凝膠的形成,並可將內容物包裹於凝膠結構中,形成半透膜,於特定環境下將內容物釋出。

a. 海藻酸鈉與鈣離子的交連作用。b. 連續G-G組合與鈣離子形成的蛋盒模式與M-M組合形成的平滑聚合物鏈之示意圖。圖/Ahirrao and others (2014)

不過由於對酸鹼值敏感的特性,比較酸的液體像是蘋果汁就會受到影響。當pH值低於3.5時,海藻酸膠體溶液溶解度降低,阻礙晶球膠膜產生,則需藉由添加螯合劑、調整pH值,或是改變流程作法解決這個問題。

讀到這裡,我們知道了褐藻酸鹽的基本資料與晶球技術的操作模式,但這種食品添加物到底是如何應用在食品料理,乃至於日常生活中呢?讓我們繼續看下去〈海藻酸鹽從食品加工的「假食品」添加物,搖身一變開啟分子料理的新世界(下)〉。

參考文獻

  • 黃玉鈴, 蔡豐富, 張修銘, 王文良, & 江伯源. (2012). 海藻酸-“鈣鹽”-微膠囊成型性及粒子品質比較. 農林學報, 61(2), 185-202.
  • 詹現璞, & 吳廣輝. (2011). 海藻酸鈉的特性及其在食品中的應用. 食品工程, 1(7).
  • Ahirrao, S. P., Gide, P. S., Shrivastav, B., & Sharma, P. (2014). Ionotropic gelation: a promising cross linking technique for hydrogels. Res Rev J Pharm Nanotechnol, 2, 1-6.
  • Fu, S., Thacker, A., Sperger, D. M., Boni, R. L., Buckner, I. S., Velankar, S., … & Block, L. H. (2011). Relevance of rheological properties of sodium alginate in solution to calcium alginate gel properties. Aaps Pharmscitech, 12(2), 453-460.
  • Lee, P., & Rogers, M. A. (2012). Effect of calcium source and exposure-time on basic caviar spherification using sodium alginate. International Journal of Gastronomy and Food Science, 1(2), 96-100.
  • Tsai, F. H., Chiang, P. Y., Kitamura, Y., Kokawa, M., & Islam, M. Z. (2017). Producing liquid-core hydrogel beads by reverse spherification: Effect of secondary gelation on physical properties and release characteristics. Food Hydrocolloids, 62, 140-148.
  • The Making of Sodium Alginate and Its Surprising Uses, Alginic Acid
  • Spherification
  • 利用微流道操控技術生成褐藻酸鈣微粒子作為奈米金載體之研究
  • Notpla

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群眾募資也能蓋電廠?公民電廠讓發電走進在地社區

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

採訪編輯|劉芝吟   美術編輯|林洵安

除了自備環保筷,公民能為低碳做什麼?

想要節能減碳,隨手關燈、自備購物袋之外,你我還能做些什麼?中研院社會所參與「深度減碳政策建議」計畫,除了提出政策建議,也進一步從「公民電廠」尋找公民的角色和力量。在能源轉型的過程,公民電廠提供了另一種能源選項,更重要的是,將遙不可及的「發電」帶入大眾生活,並展現公民行動的可能性。

小市民集資發電

公民電廠是什麼?一人一股加入臺電?「從英文讀更清楚」主婦聯盟副執行長吳心萍說:「簡單來說,公民電廠(Community Renewable Energy Projects)就是一群人共同參與發電計畫。」這裡的一群人,可以是小企業、社區居民、有共識的社群,人人都有機會參與。

主婦聯盟副執行長吳心萍(左)、南部辦公室主任陳婉娥(右),分享 NGO 團隊執行中研院計畫案,走訪臺灣各地公民電廠的觀察。主婦聯盟在 2016 年也成為「綠主張綠電合作社」第一位法人成員,透過社員集資,尋找案場裝設太陽能系統,率先實踐公民參與綠能發電。
攝影│ 林洵安

在歐洲,公民電廠並不罕見,以德國來說,近半的再生能源發電裝置屬於市民或社區組織,許多民眾會在自家屋頂裝設太陽能板。韓國也以「省下一座核電廠」為目標,推動城市節能與公民電廠,成功讓首爾市達成 20% 能源自主。那麼,臺灣呢?

2014 年,社會企業「一人一千瓦」率先展開公民發電計畫,號召有錢的出資當股東,有屋頂的出租當房東,合力鋪設屋頂型太陽能板。之後,不同組織陸續投入,換算一下年紀,臺灣的公民電廠才剛上幼兒園,仍在緩緩小跑步。

現在,這個腳步正慢慢移向在地社區。

圖說設計│林洵安、劉芝吟

達魯瑪克,臺灣第一家部落電力公司

2016 年 7 月,臺東卑南鄉的達魯瑪克部落一如往常,歡慶一年一度的小米收穫祭。但這一回,祭典的神祕嘉賓很特別:「太陽神」助陣發威!祭典會場架設了 3KW 電力的太陽能板,正式宣告達魯瑪克將成立部落電廠。

原民部落怎麼會和光電科技牽上線?故事得倒轉回 50 年前。當時,一場惡火燒毀達魯瑪克部落,全村滿目瘡痍。居民費盡辛苦遷移到新址,卻又遇上另一個惡夢——經濟部公告鄰村將為高階核廢料的埋放地。

達魯瑪克遠在東部山林,每遇颱風便常面臨斷電,最後卻得承擔全民核廢汙染的風險。

部落能不能有自主的綠能發電,不必再擔心自然災害,不用抗爭核廢選址?

部落自立的祈願悄然種下,數十年後,終於緩緩萌芽。

第一批太陽能板鋪設在活動中心屋頂,供給老人日托、課輔空間的用電。第二批則設在長老教會,提供電動車、手機免費充電。

部落裡保有日治時期的水力發電廠,也設置小型風力發電機,再加入太陽光電計畫,達魯瑪克一步步努力,立下終極目標:綠能百分百,自己用電自己發!

達魯瑪克在公用空間設置太陽能板,邁出部落電廠的第一步。
圖片來源│ 主婦聯盟

綠能百分百,推動部落願景

願景美,現實卻難一帆風順,部落電力公司的成立波折不斷。

起初,募資對象是族人,希望各家戶共同出資,將電力生產納入部落共同事業。但能源如同「空氣」,看不見、摸不到,要說服大家從口袋掏錢,絲毫不容易。

「太陽能板這麼貴,為什麼部落要花這筆錢?」「只要有電用,電費便宜,我們幹嘛去管發電?」各種質疑、不理解的聲音紛起。

溝通、對話、嘗試,是一條漫長卻重要的路。

部落和環團結盟相挺,開設綠能志工培訓營、部落會議討論發展性、帶孩子認識水圳和水力發電,透過各種活動,一點一點拉近村民與綠電的距離。

相比綠能發電的經濟產值,族人逐漸凝聚而成的部落價值,更為珍貴。

達魯瑪克部落在社區避難所設置小型風機,做為自主發電的一部分。
圖片來源│主婦聯盟

部落小學的孩子們,學習如何製作小型風機,透過實作課程認識部落的再生能源。
圖片來源│主婦聯盟

社區電廠像一塊大磁鐵,將族人村民聚合起來。3 年來,電廠發電 7119 度,減碳 3773 公斤,數字並不華麗,距離綠能百分百,達魯瑪克還在 9 局上半。然而,社區有了電力公司,發電除了自用,未來也能出售給臺電,大家對部落未來開始有熱切的想像。

「電廠如果有盈餘,我們可以用在哪?」綠能百分百畫出第一個大圓,族人慢慢交會出共同目標:透過風力、光電設施,希望部落的經濟自立,同時結合文化觀光、生態旅遊,打造出達魯瑪克品牌。如果願景也需要「粽子頭」,社區電廠也許是達魯瑪克擊出的第一棒。

社區電廠的臍帶價值

資料來源│公民電廠資訊網 圖片重製│林洵安

主婦聯盟分析,「第一桶金」是社區電廠的一大關卡。要說服鄰里的叔伯阿姨、阿公阿嬤掏錢投資,可謂高難度挑戰。社區某種程度就像「縮小版社會」,成員思考分歧。有人支持在地發展,有人認為下一代註定該往大城市去,也有長輩直言:「二十冬(年)才回本,我都不知道在哪了!」

現階段,政府補助仍是不可或缺的後盾。但長期來說,倡議者得各憑本事,運用在地手法和居民溝通,讓「發電」走入生活。例如,彰化臺西村從信仰中心切入,透過環保團體的相助,在村內「顯龍宮」架設太陽光電。電力自發自用,宮廟每月電費驟降一半以上,綠能成果超有感。

彰化臺西村的顯龍宮,屋頂裝設 3 KW 太陽能板,發電自用,是臺灣第一座光電宮廟。
圖片來源│主婦聯盟

對綠電累積好感,是推動社區電廠的關鍵。嘉義明華社區從 2010 年便循序展開光電計畫。例如,帶阿公阿嬤銀髮聯誼,參觀其他光電社區。高爾夫球車加裝太陽能板,變身社區小巴。家戶補助改裝太陽能熱水器。社區電廠的電力盈餘,也成為地方基金。
圖片來源│主婦聯盟

然而,社區電廠除了收益,還有另一層更重要的意義:價值最大化。運用盈餘改善社區生活,共享發電成果,也讓發電真正走入地方生活。

吳心萍說:「社區集資設置電廠,收益能回饋在地的社福公益,比如長照、托育、醫療。有些社區計畫做老人共餐,有的加開社區巴士,社區自己滿足需求,不用再仰賴外援補助。」

社區公民電廠如同「臍帶」,一方面圈起居民,把家戶變成共同「發電體」。同時,成果、養分也能再反饋輸送至社區,和鄰里居民互利共享。

上網團購……太陽能板

除了社區型,數位時代的公民電廠也要超 E 化。「陽光伏特家」建立募資平臺,開創出「網路集資型」公民電廠,讓你首度體驗,上網搶購的不是年節車票、阿妹演唱會,而是太陽能板!

平臺負責找屋主出租屋頂,評估成本,開設專案。民眾則可以挑選喜歡的電廠,上網認購太陽能板,變身合夥人。生產的電力定期出售給臺電,出資者每 2 個月就能收到一筆獲益收入。

由於投資門檻低(每片太陽能板約 15000-20000 元),預估約 6-8 % 內部報酬率,輕鬆打敗定存,讓熱門度急速上升。

資料來源│陽光伏特家
圖片重製│林洵安

網路集資型電廠,營運、設備維護由平臺負責,集資者不會直接介入電廠營運,但可以隨時上網了解電廠的運作狀況。
圖片來源│陽光伏特家

第一個集資案「臺南擔仔一號」,44 片太陽能板 5 天內銷售一空!紀錄還不斷被超越,現在專案一上線,往往數十分鐘被搶光,最高紀錄 1 分半秒殺!

你以為集資者都是年輕網購族?陽光伏特家的調查顯示,50-60 歲世代的搶購力超強!許多人認為這是穩定的長期投資,也有人打算為子女「定存」太陽能板。

主婦聯盟分析,群募平臺最大的優勢是擴散影響力,吸引不同類型、地區的網民。有人支持綠能,有人相中報酬率,有些人則是對光電有興趣但無法投入太多時間。群眾多元,讓陽光伏特家成長快速,目前已經有 80 多個案場,超過 1 萬名參與人次,而且每個計畫約有 7-8 成的新成員。

「不管投資動機是什麼,有了接觸管道,民眾就會更靠近能源議題。」吳心萍樂觀地說。

陽光伏特家第一個集資案:臺南擔仔一號。這棟民宅約 45 坪,樓下是牛肉麵攤,屋頂可鋪蓋 44 片太陽能板,如果由屋主獨力負擔,總金額約 80 萬。透過集資案,認購每片太陽能板只要 15600 元,小資族也能參與。
圖片來源│陽光伏特家

全民參與,才是真正的能源轉型

初綻開花 5 年,臺灣公民電廠的故事還在首部曲。除了資金不足、法規受限(臺灣有不少違建屋頂),目前的最大阻礙是什麼?陳婉娥觀察:「『人』,最難也最關鍵。怎麼讓民眾覺得能源有選擇性,和我有關係,而不是只要電費不漲、電廠別蓋在我家,其他我不管。」

不論是否支持綠能,願意討論就是破口,如何把「能源」具體活生生地帶入日常,便成為一大課題。最困難的這一關,就是公民電廠的價值:社區電廠紮根地方,群募平臺擴大戰場,能源合作社對議題有高度討論力,各自在守備區助攻。

主婦聯盟觀察,目前社會的鬆動、改變仍然零星,然而每一處公民電廠,都代表了某一群人正在接受、創造不同選擇——「民眾參與」正是能源轉型的核心。

陳婉娥回憶:「有一次,我在火力發電廠設立的討論現場。社區原本強烈反彈,但到了當天,有些居民已經放棄,開始討論回饋金。這讓我感觸很深,社區要蓋一座大型能源設施,民眾卻是最後一秒才知道,毫無選擇權,最後只能無奈地轉向要求補償。」

過去,「發電」離我們萬分遙遠,彷彿只有公投那一秒,大家才可能發聲。公民電廠或許提供了另一個解方,由下而上扭轉這個公式——「我/我們」有機會選擇怎麼發電、怎麼分配,思考規劃社區的模樣。此外,發電裝置的容量小,不一定得「鋪好鋪滿」,便有機會和農地、生態、文化共存。

總結目前的觀察心得,兩人說:

「我們每天用電,如果 80% 的人誤以為核電是主要能源,代表能源距離大眾仍非常遙遠,物理距離遙遠,心理距離更遙遠。也許,這就是公民電廠的重要意義。」

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為怕停電、省電費、挺綠能?臺灣公民電廠正發威,泛科學為宣傳推廣執行單位

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