李偉才《邁向未來的交通》 :由地上到太空,科學家怎樣設計「未來交通」?

李偉才《邁向未來的交通》 :由地上到太空,科學家怎樣設計「未來交通」?
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我們想讓你知道的是

日常生活中的每項細節,其實都與STEM緊緊相扣,端視乎我們是否懂得分析。

無人駕駛時代加速來臨

過去數十年來,各項安全裝置皆因電腦化而效率大幅提升。展望將來,同樣基於電腦化的「智能化自動駕駛系統」,將是人類致力令交通更為安全的主要發展方向。

交通的「自動化/智能化」最早在航空界出現。由於長時間在空中駕駛十分沉悶,機師難以集中精神;而在半空中遇到障礙物的機會亦十分微,所以早於20世紀初,便有人設計了基於指南針和陀螺轉動(gyroscopic motion)原理的自動導向和駕駛系統。隨著民航事業的發達,遠程的大型飛機大多裝有這種「自動輔助駕駛系統」(autopilot)。1947年,美國空軍一架運輸機便利用這個系統跨越大西洋,其間完全不經人手(包括起飛和降落)。

明明沒人駕駛但可以自動把乘客送往任何目的地的汽車,很早便在科幻小說和電影中出現。然而,相比起飛行時的海闊天空,地面交通情況既擠擁又瞬息萬變,無人駕駛可謂談何容易。

不過,過去十多年來,隨著人工智能(artificial intelligence,簡稱AI)急速發展,以及衛星導航系統日益普及,各國的科學家和企業家都努力將這個夢想轉變為事實,其中一些產品已經進入試驗階段。但至本書執筆時,仍未有一個國家正式批准這些產品在道路上行走。

有關自動駕駛系統的設計,初期有兩種不同的構想:第一種是載具(汽車、運載囊)本身沒有智能兼且完全被動,而協調交通的,是電子道路和背後的城市電腦中心(可簡稱為「智能道路系統」);第二種是載具本身擁有高度智能並且會不停彼此溝通,以達至最暢順的交通狀況。今天,發展方向較為傾向後者即「無人駕駛汽車」(driverless car,又稱 autonomous vehicle 或是robo-car)。但兩種設計其實並不排斥,而是相輔相成的。

智能汽車可以安全地左穿右插,靠的主要是三種技術:雷達測距、光達(lidar,是light detection and ranging的縮寫)測距,以及透過攝影機監測結合人工智慧分析的判斷。光達的原理與雷達和聲納一樣,只是用的是激光而非無線電波。它的精準度比雷達高,卻也更昂貴。

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環遊世界的時間

隨著科技發達,這個時間還可以縮短嗎?這兒我們必須懂一點天體力學。原來一個物體(如太空船)環繞一個天體(如地球)運行的周期,與它跟天體的距離成正比(嚴格來說是周期的平方與軌道半徑的3次方成正比)。也就是說,距離愈短則周期愈短。例如月球離地球38萬餘公里,環繞地球一周需時27.3日;國際太空站離地面408公里,環繞地球一周只需時93分鐘左右。

19世紀一本著名的小說名叫《八十日環遊世界》,今天人類1個半小時便可環繞地球。

如此看來,我們最終可否把飛機環繞地球的飛行時間縮減至只有10多分鐘?答案是不可能。原因是(1)408公里只是很短的距離,即使減至零也不會令約90分鐘的周期減去多少;以及更重要的(2)國際太空站身處沒有空氣的太空,若在接近地面的大氣層之內,如此高速會遇到極大的空氣阻力,激烈的摩擦會產生高溫令機身融化。

要避免空氣的阻力,科學家提出了「太空飛機」(spaceplane)的構想,那便是飛機升空後會有部分時間進入大氣層頂部的太空,待接近目的地時才返回大氣層然後降落。一些尖端科技企業已經對外宣傳,會在本世紀中之前實現將乘客於一小時內送往世界上任何地方的「一小時生活圈」超級航空服務。

這項服務若能實現(當然會非常昂貴),乘客還可於中途的「亞軌道飛行階段」(sub-orbital flight)享受處身太空的滋味呢。

不用說,這構想對飛機的推進能力有極高要求,也極其費耗燃料和造成巨大污染,是以迄今為止,有關設計仍在論證階段。

最後要一提的是,人類的飛行壯舉已經在地球以外的天體上實現。大家可能知道,月球上早已出現過有人駕駛的月球車(Moon rovers),而火星上則有無人駕駛的火星車(Mars rovers),但另一個重大突破卻要到21世紀第三個十年才出現,那便是在2021年4月19日在火星表面起飛的火星直升機「機智號」(Ingenuity)。須知火星的大氣層非常稀薄,表面的大氣壓力只有地球的1%左右。要在如此稀薄的空氣中升空實在談何容易。「機智號」除了機身特輕外,螺旋槳的轉速達每分鐘2,500轉以上。它第一次在火星表面試飛雖然只是維持了短短39秒,但其意義的重大,可以跟1903年萊特兄弟的飛行相提並論。

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「妙想」把「天開」的未來想像

在探索宇宙的道路上,光速的極限令任何「星球大戰」和「銀河帝國」的想像成為空中樓閣。人類有沒有辦法透過好像科幻小說描述的「時空摺曲」(spacetime warp)或相對論所預言的「蟲洞」(wormhole)以實現「超光速」星際旅行?甚至好像日本漫畫《多啦A夢》中的「隨意門」以徹底打破距離的阻隔?這是「未來的交通」中一個最大的未知之數。由於篇幅關係,這些有趣的題目只能留待大家自行探討。在此,讓筆者與大家分享一個既「貼地」又「離地」的大膽構想作結。

如果我跟大家說,我們將有一天可以乘坐升降機上太空,你是否以為我在開玩笑呢?

相信大家都聽過《傑克與豌豆》(Jack and the Beanstalk)這個英國童話。話說魯鈍的傑克按照媽媽的叮囑,把家裡一頭瘦牛帶往市集出售。豈料半途被人用一袋豌豆種子把牛騙走了,回家後還被媽媽狠罵了一頓。但傑克把種子栽種後,種出來的豌豆竟然愈長愈高,最後更高至肉眼所不能見的天空。他沿著豌豆爬上天空,並在那兒有一番奇遇⋯⋯

不錯,我是說這個童話中的情節有一天會成真。只不過靠的不是魔法豌豆,而是最尖端的科技。

其實「太空升降機」(space elevator)這個概念並不新鮮。上文介紹的齊爾考夫斯基早便提出了「地球同步軌道」(geosynchronous orbit)這個概念,亦即只要一個物體以35,800公里的「高度」環繞地球運行(地球的直徑是12,800公里左右),它的環繞周期將是24小時,因此對於地球上的人來說,它會好像固定在天空上的特定位置。今天,這個「同步軌道」已經滿布各種各樣的人造衛星,以致有「星滿之患」。

早於20世紀初,便有科學家異想天開:假設我們能夠建造一條足夠長的「天梯」直達一顆這樣的「同步衛星」,我們不是可以像傑克一樣,沿著梯子直抵太空嗎?想想這會節省多少火箭發射的燃料⋯⋯

人們很快便指出,更為現實的做法不是建造天梯,而是從處於同步軌道那兒的一個太空站,把一條纜索緩緩地放下,直至它抵達地球表面,然後將它固定下來。只要我們在纜索上裝上運載艙,我們不是可以乘坐「升降機」上太空了嗎?

工程師們很快指出,與地球上的纜車索道一樣,整個系統要達至力學上的平衡,我們必須沿著背向地球的一端伸出另一條纜索,然後在末端安置一個大質量的「平衡錘」(counter-weight)。

技術上這不算很大的問題,真正的難題是:世上沒有足以建成這條纜索的材料。

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這是甚麼回事呢?請回顧上文的分析:物體環繞天體運行的周期,與它跟天體的距離成正比(嚴格來說是「周期的2次方」與「距離的3次方」成正比)。好了,假如我們用一條纜索把太空站和地面連接起來,那麼纜索上的每一點都應該以不同的周期(速度)來環繞地球,而不是固定的24小時。請試想一想,構成纜索的物質所要承受的撕裂拉力將有多大?

從另一個角度看,大家可有想過,一幢百多二百層高的摩天大樓,底層所要承受的重量有多大?那麼,一幢35,800公里高的「大廈」呢?

簡單而言,要實現「太空升降機」的夢想,我們必先要製造出一種能夠承受極大壓力和拉力的超級物質。

科學家普遍相信,隨著材料科學(material science)——包括「納米科技」(nanotechnology)——不斷進步,人類終有一天能夠製造所需的材料。但有一點「細節」我們尚未考慮,那便是上落「天梯」所需的時間。

有如所有索道一樣,最合理的設計是兩個運載艙沿著兩條纜索一上一落。但載客艙升、降的合理速度該是多少呢?今天最快速的升降機可達每分鐘1,260米,亦即每小時75.6公里。以這樣的速度,從地面攀升至太空站需時約20天,這顯然是不切實際的。

大幅增加纜索的運行速度是一個解決方法,但更為實際的,可能是運載艙像磁浮列車一樣沿著纜索飛馳。假如飛馳的速度能夠達到音速,旅程的時間可以縮短至29小時。如果達到音速5倍,更可減至6小時左右。

「太空升降機」會為人類打開通向宇宙之門嗎?這是「未來交通」中一個最引人入勝的題目。

書籍介紹

本文摘錄自《邁向未來的交通》,閱亮點出版

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圖片來源:閱亮點

作者:李偉才

內容簡介:

S:科學為甚麼鐵製的船不會沉?而鐵製的飛機更可騰空?T:科技無人駕駛汽車如何導航?交通系統的「去碳化」為何刻不容緩?E:工程如何減低運動時產生的摩擦力?太空船升空時為何要用多級火箭?M:數學衛星定位系統(GPS)如何計算出我們在地面的位置?人造衛星的周期與距離之間有甚麼關係?

日常生活中的每項細節,其實都與STEM緊緊相扣,端視乎我們是否懂得分析。試着從科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)及數學(Mathematics)的角度察看世界,審視未來,正是每個孩子必須培養的「STEM視野」。

當人們對搭巴士、乘鐵路、坐飛機習以為常,大概沒有發現交通科技已經迎來很多新轉變——自動駕駛系統、飛行汽車、太空飛機、太空升降機等,在未來也許不再是幻想。為了突破距離、速度和時間的極限,還有減少對地球的破壞,海陸空及遨遊太空的交通工具都在不斷發展,將來的交通藍圖可能早已超乎你我想像!

香港著名科普作家——李偉才博士(Dr. Eddy Lee)將會在《邁向未來的交通》把大家視作平常的事物無限放大,逐一拆解各種運輸方式,聚焦探究科學、科技、工程及數學到底是如何進入生活,並逐步開拓人類的活動領域。各位乘客,邁向未來的STEM讀本正式啟航了,祝大家旅途愉快!

作者簡介:

李偉才,筆名李逆熵,香港大學物理系畢業,澳洲新南威爾斯大學博士。歷任香港太空館助理館長、天文台高級科學主任、澳洲悉尼大學兼職講師、香港大學助理教授、上海「港大—復旦繼續教育學院」教務長、港大附屬學院副校長、以及香港大學「國際學位課程中心」總監等職。

李氏熱衷於寫作和講學,經常於各大、中、小學主持課程及作專題講座。他是2019年「香港書展」的年度作家之一,迄今發表著作近四十本,包括《三分鐘宇宙》、《格物致知》、《生死時刻——對抗氣候災劫的關鍵十年》、《反轉經濟學》等。其中的《夜空之戀》於1999年獲頒「中學生好書龍虎榜」的「十本好書」、《資本的衝動》於2015年被《亞洲周刊》選為「十大中文好書」,而《論盡宇宙》、《論盡科學》和《人類的前途》則先後於2019和2021年獲頒「香港出版雙年獎」。

責任編輯:Alex
核稿編輯:Alvin


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