太空科技

太空科技──追月族的賭注與抱負

2016/10/19

photo credit: Shutterstock

過去幾週裡，火星在美國科技媒體上受到高度曝光。先是特斯拉電動車創辦人依隆．馬斯克估計，10年之內，人類便可以登陸火星：如果能發展出一次乘載100位旅客的太空船，在地球和火星中穿梭往返，一位旅客的費用只需要20萬美金（剛開始時高達100億）。總有一天，地球人移民到火星的人口可能高達百萬之多。

如果這樣的前景太「馬斯克」，任期只剩100天的美國總統歐巴馬也描繪出他的太空夢，希望能在2030年，也就是1969年人類首次登陸月球之後60年，重返太空，登陸第二顆星球──火星。總有一天，他的孫子騎在歐巴馬的肩上，會舉頭遙望夜空裡的點點繁星，尋找那些住著地球人的星球。

自從1972年阿波羅17號最後一次登陸月球後，人類對太空的挑戰從「飛得更遠」轉向「待得更久」。在環繞地球軌道飛行的國際太空站（International Space Station）上，美蘇太空人停留的時間最長達到437天。除此之外，美國太空總署（NASA）的日常任務，似乎也逐漸脫離了新聞媒體和一般大眾的視野。

但在2002年馬斯克創辦了SpaceX之後，太空科技逐漸由冷轉熱，最近幾年再度激揚起人們的熱情。不同的是，這一次不再是國家任務，而是來自民間草根性質的淘金熱潮。根據統計，2015年太空科技（Spacetech）領域獲得18億美元的投資，相形之下，最熱門的虛擬實境VR/AR不過獲得了7億美元的投資，無人機只有4.5億。

追根究柢，人類為什麼要進入太空？太空科技可以帶來哪些直接的經濟效益？太空中既沒有可以付錢的客戶，也沒有空氣、耕地或水。地球上還有30億人口生活在貧窮水平線之下，發展太空科技的龐大經費如果用來脫貧，也許可以讓幾千萬人口有乾淨的飲水、便宜的電力、以及大幅降低死亡率的各種疫苗。如果用來開發新能源，也許在太陽能、風能、光合能源或其他科幻小說式的綠色能源領域會有突破性的發展。

但醉心太空科技的人卻有不同的觀點。

▋太空科技可以給人類帶來什麼？

有人認為，太空有如哥倫布時代之前的美洲，只有透過不斷的探險，才能知道最後會發現什麼樣的「新大陸」。宇宙與生命的奧秘，也許正在太空某一個角落中等待被發掘。地球上物理、材料、生物、能源、醫藥各種科技面臨的極限，也許在無重力、絕對真空的太空中才能得到突破。

有人認為，太空科技充滿顛覆的機會，在地球表面的各種科技如果能夠獲得10倍的進步，就是極其了不得的成就，但在太空科技中，100倍甚至於1000倍的改善，都是可能達到的目標。這樣的突破，也許對地表科技會產生想像不到的啟發。

也有人認為，人類在地球不一定有無止境的明天，在遙遠的未來，如果有一天人類生存受到威脅（例如核戰爆發），太空中總要有一顆星球，讓地球人的血脈在那裡可以存續；總得有一艘諾亞方舟，可以負載地球人進行星際遷徙。（想得太遠了，是吧？不過這正是依隆．馬斯克進入太空科技領域的原始動機──他個人的願望便是終老於火星。）

如果抱持以上觀點的都是一些瘋狂的科學家或是不切實際的創業者也就罷了，關鍵是許多創投家也用資金表達支持。2011年時從事太空科技的公司，在全球大概僅有125家，現在大約有1,000家。這些公司都在從事追月（moonshot）的計劃，成立這些公司的創業者、科學家、投資人，都算是追月族。他們以時間、金錢做賭注，以投資報酬為誘因，奔向充滿未知的太空。

這1,000家大大小小的公司想要解決的問題個個不同，入手處各有千秋，但大約可以歸納出以下幾個主要的方向：

▋既能升空又能降落的火箭

將載人飛行器或衛星送入太空最費力的任務是脫離地心引力，要完成這項任務既需要強大的加速度，又要精確安全。據統計，美國太空總署每一次太空梭發射任務大約花費10億美金，其中50%是火箭的費用。波音和馬丁洛克希德合資成立的United Launch Alliance，平均收費約在每噸＄2,500-3,500萬美金之間，因此發射一個地球軌道同步衛星需要5,000萬至1億美金。相較於波音747飛機3.5億美金的售價，等於每完成5次衛星發射任務，就燒掉1架波音747。

但如果火箭發射後可以順利回到地球，機體可以重複使用，據估計，發射成本至少可以降低30%，這便是SpaceX的主要訴求。經過超過10年的努力，SpaceX的發射火箭Falcon 9號終於在2015年底首次順利著陸成功。

火箭的設計也跟負載重量直接相關。未來的趨勢是衛星體積越來越小，特別是低軌道衛星（Low Earth Orbit，LEO，距離地球海平線100至1,200 英哩高度），甚至可以小於1,000立方公分（長寬高約10公分），稱為立方衛星（CubeSat）。當衛星體積大幅縮小，自然需要開發不同的火箭發射系統。

以下是幾家解決火箭發射瓶頸的公司：

Blue Origin：這是亞馬遜創辦人傑夫．貝佐斯全力支持的公司，也是他跟馬斯克間的瑜亮之爭。但兩人的目標顯然不同：馬斯克最終要上火星，貝佐斯只想在地球與地球太空站之間來回，運送物資（這可是亞馬遜的本業）和旅客。

Rocket Lab：這家新創公司的火箭像短程計程車，只把衛星送到LEO軌道。CEO的願景是單程價格低於500萬美金（一次火箭發射可以負載多顆衛星），消耗的燃料相當於從舊金山到洛杉磯一趟波音737的飛行。

Firefly Space Systems： 這也是一家發射小型衛星的火箭公司，雖然還沒有試射成功，卻已經贏得美國太空總署550萬美金的合約，開發專門立方衛星的火箭發射系統。

Bagaveev：這家公司的夢想是用3D印表機的方法製造完整的火箭發射器，未來可能的用途是客製化的發射系統，或是在太空中製造二次發射的火箭。 

Vector Space Systems：公司雖小，卻贏得了芬蘭Iceye公司的合約，從2018年開始發射21顆微型衛星，進入地球低軌運作。據該公司宣稱，每次發射的費用將低於200萬美金。

▋體積小、推進力強的推進系統

決定火箭性能的核心技術是推進器，一般使用的燃料有三種──化學、核能、以及電力，但目前執行發射任務的火箭全部採用化學方式。理論上，電力推進系統的爆發力（thrust）較差，但效率較高，因此不少新創團隊嘗試開發以電力發動的火箭推動系統。

Accion Systems：技術和團隊來自麻省理工學院，目標是開發出專門發射小型衛星的推進系統。

Ad Astra Rocket：這間公司的CEO既是科學家、資深太空人，還是第三代的哥斯大黎加裔華人。

▋建立無遠弗屆的地球網

雖然現代都市人一日不能沒有互聯網，但全地球還有30億人口生活在沒有互聯網的地區。在地球表面兩點間通訊，有線網路拉線成本太高，無線網路也需要建置密集的基地台，對於距離邊遠、人口疏落的區域，互聯網仍然鞭長莫及。但如果在地球低軌道的太空中佈建數量龐大的衛星，便可以覆蓋整個地球表面。因此有不少新創公司計劃透過低軌道衛星改善跟地球表面的通訊品質，這樣便可以增加全球互聯網的普及率。

OneWeb：這家公司的投資人可以說是冠蓋雲集，包括維京航空、Qualcomm，Airbus， Intelsat，無怪乎第一輪便籌集了5億美金的資本。該公司計劃發射648顆衛星，每顆重約200公斤，等到全部發射完畢，至少需要美金30億資金。

O3b：O3b是Other 3 Billions的簡寫，可見公司使命便是將互聯網帶給地球上其他30億沒有跟互聯網連線的人口。公司歷來募集資金已經高達10億美金，剛在今年7月份被大股東比利時的衛星營運公司SES收購。

Kymeta：要能在地面跟衛星發送訊號，最需要突破的技術是天線，訊號越弱，天線越大。這家新創公司發明了特殊的材料結構，可以大幅縮小天線面積和耗電量，甚至在汽車頂上都可以跟遠在2萬英哩之遠的同步衛星通訊，無怪乎區區一家天線新創公司便能夠募集1.4億美金的資金，連比爾．蓋茨都是主要的投資人。 

▋明察地球秋毫的衛星

低軌衛星距離地球表面越近，對地球看得越清楚，加上攝影器材解析度和性能日新月異，以及用人工智慧和機器學習來分析影像的功力突飛猛進，過去幾年從事地球圖資和數據分析的新創公司猶如雨後春潮，一波接續一波。有的純粹設計開發新型衛星，加強影像採集能力；有的專注在某些特定垂直領域，例如海運、漁業、農業、林業、氣候等，從衛星圖資或其他資料中提煉有用的情報，提供給政府或私有部門（據說對沖基金常購買上市公司的停車場空拍相片，從停車數量來揣測公司業績的走向）。

Skybox：這家公司於2009年成立，2014年被谷歌以5億美金收購，今年改名為 Terra Bella。谷歌計劃在2018後發射24顆衛星，到時候全球空拍照片每天可以更新3次，我們在Google Earth上看到的空照圖，就不會再是6個月前的舊照片了。

Planet：原名為Planet Lab，自行設計的衛星重量僅5公斤，比Skybox的100公斤輕了許多。今年5月份時，8枚衛星由國際太空站送進軌道，加入現存將近100枚衛星的系統，因此Planet Lab目前可能具有最完整、最快更新的衛星圖資。

Orbital Insight：該公司先獲得Sequoia創投青睞，後來又得到谷歌加持，今年6月剛完成2,000萬美元增資。如果說Planet Lab是眼睛，Orbital Insight就是大腦。它透過人工智慧來判讀空拍影像，可以知道世界石油的存量、中國經濟景氣的升降、或是美國零售業的冷熱。

Spire Data：該公司計劃在2017年前發射100顆立方衛星，但它主要的商業模式不在提供圖資，而是成為氣象資訊、或是遠洋海運的衛星數據權威。

▋在太空中開採稀有元素

外太空星球上的各種物質當然不如地球豐富多樣，但在地球上稀少的稀有元素，外星球上常有可觀的蘊藏，因此居然也有好幾家新創公司計劃在太空採礦。

Planetary Resources：這家公司獲得谷歌創辦人佩吉和董事長施密特的投資，計劃開發精密敏銳的偵測器，探測小行星的物質成份，然後進行開採。

Moon Express：準備用無人機登陸月球，開採月球上藏量豐富的稀有金屬如釔、鎘、鈮。

Deep Space Industries：當太空中來往的人增多，便需要各種物質，這家公司計劃在小行星上採集水、磷、氮等元素，就近補給。

Astroscale：只要有人類的蹤跡，就有垃圾。地球軌道上其實充滿了太空垃圾。於是這家位於新加坡的新創公司募集了3,000萬美金，進行太空垃圾的清理工作。

▋在這場太空競賽中，台灣的位置

全世界太空科技領域裡，美國當然遙遙領先；俄羅斯雖然不差，但缺乏民間的經濟動力。中國與印度兩大人口大國企圖心最強，印度已經建立為西方公司發射衛星的服務模式，中國雖然無人機成功登陸月球，但載人任務還得等到2036年才能實現。

台灣在航太工業並沒有深厚的基礎，國家太空中心成立於1991年，之後成功地發射了福爾摩沙衛星一號、二號、三號，目前僅剩三號仍在運作，原計劃最近發射的福衛五號卻因故一再延遲。

看到美國民間主導的太空科技如此蓬勃發展，國際間一場太空競賽正在醞釀，對台灣這樣科技基礎有限、經濟實力薄弱的國家，我們有什麼樣的啟示？該如何作為？

既然全球太空科技似乎正面臨轉捩點，產業分工的局面也逐漸形成，在這個關鍵的時點上，也許我們可以藉機思考以下的問題：

1.台灣發展太空科技是為了國家戰略考量，還是經濟誘因？

2.在火箭、衛星和資料分析這三個面向，何者台灣具有競爭潛力，可以期待經濟綜效？何者出於戰略原因，必需優先掌握？

3.在衛星小型化的技術發展趨勢下，台灣如何審慎選擇衛星技術的開發方向？

4.當大量的衛星資料可以用較低的成本取得時，如何善用這些資料提高各產業的生產力，或協助改善國家治理？

5.每年台灣面臨10個颱風左右，每次颱風過境所造成的實質損失，或是過當的颱風假所造成的生產力損失動輒數十億台幣，是否可以建立先進的衛星系和預測模型，使颱風預測更為準確？

6.台灣資源有限，以上問題如何建立優先順序？

▋在太空科技中，重新發現地球

1966年當美國衛星首次進入太空時，美國作家Stewart Brand 四處奔走，呼籲太空總署公開衛星在太空中拍攝的地球相片。他所持的理由是：讓人類認知到，在一片漆黑的太空中，地球不過是一個孤島。

當阿波羅太空人登陸了月球，回望藍色的地球，才認識到：雖然他們的任務是到月球探險，結果卻重新發現了地球。

太空科技是一場追月的賭注，輸贏未卜，但如果這些追月族的抱負能夠激發起現實的人們一點想像、一點熱情，或許最大的收獲不是征服太空，而是將我們的注意力從紛擾的地球事務上暫時抽離。由外太空回看地球，也許真能減少地球人一些庸人自擾，一些無事生非。  

12/05/2016

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