107高中自然科適性教材

【能源篇／物理科／地熱】 

◢ 冰島地熱發電廠

我們賴以生存的地球，表面寧靜祥和，但其實內心相當「熱情」。 根據過去的鑽探紀錄，可看出地下溫度有隨深度之增加而升高的現象， 這種地下溫度隨深度增加而升高的比率，被稱為「地溫梯度」 (Geothermal gradient)。就地球最外層的地殼來說，全球平均而言往下 挖一公里，溫度會上升攝氏 30 度，不過如果地底有其他熱源，例如 火山活動與岩漿庫，則地溫梯度會上升較快。

地球內部之所以能維持如此高溫，科學家推測主要是因為地球內 部所含有的放射性元素在衰變過程中釋出的熱，讓地球內部得以保持 熱度，最深處可達攝氏 6000 度，相當於太陽表面的溫度。不過如果 要發電，我們不需要鑽個幾千公里直達地心，只要從地表向下鑽數千 公尺至 10 公里，地底溫度便已高達攝氏 300 度，足夠讓我們發電了。

◢ 淺層地熱發電：便宜但受限 

之前人類的技術僅能開採地溫梯度較大的地區的淺層地熱，也就 是在深度 3 公里以內，利用地熱加熱的熱水與蒸氣進行發電。這種地 熱鑽探成本較低，但是深受地質條件限制，需要有多孔隙的岩層讓水 流動。能進行淺層地熱發電的地區並不多，而且因為透過抽出地下水 進行發電，需要進行尾水回注以避免枯竭。

◢ 熾熱的深層地熱發電 

不過比起淺層地熱發電，深層地熱發電使用深度超過 3 公里的深 層地熱，可以在一般的地溫梯度地區進行發電。國際能源總署 (International Energy Agency)便指出由於施工方法的改進與鑽探技術發 展，鑽井成本大幅降低，讓大規模利用地熱資源變成經濟上可行的方 案。目前有兩種深層地熱發電技術，分別是增強型地熱系統(Enhance Geothermal System, EGS)以及閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)。 

EGS 利用灌注井(injection well)將液體注入深層地層中，利用高壓 產生裂隙以增加儲水空間，之後再以生產井(production well)將這些熱 水汽化，使用蒸氣進行發電。但是由於這些注入地底的水在加熱過程 中離開管路，流經地下岩層縫隙時會因侵蝕與壓力作用而導致縫隙擴 大，長期以來有誘發人為地震的風險。此外，EGS 亦有結垢與用水流 失的缺點，導致運轉成本較高。 

而 CEEG 除了延續 EGS 的優勢，並改善了 EGS 的許多缺陷，CEEG 一樣將管線鑽掘至深層地層，不過是封閉管路。CEEG 的管路設計為 同軸內外雙管，就像在吸養樂多用的小吸管外再套一根喝珍珠奶茶的 大吸管。冷水從外管往下流至地底，加熱至數百度高溫後，再由內管 返回地表。由於 CEEG 水的循環都在封閉的管線中，不會有誘發地震、 結垢與用水流失的問題，而且因為灌注井與生產井合為同一條管線，所需挖井個數至少減半，可大幅降低 CEEG 發電的成本。

《來源：泛科學 http://pansci.asia/archives/54418》

光為電磁波，其傳遞時會產生相互震盪之電場及磁場，光在光纖內部作長距離的傳輸而不穿透出光纖本體之外，就是不斷的進行全反射。為了形成全反射，行走在光纖內部的光，其材質的折射率必須大於外部包覆材質的折射率(全反射要件：光密介質到光疏介質)，使在 一定的入射角下(大於臨界角)只有光的反射而無光的折射出現，確保訊號不減弱，光才能在光纖內進行長距離的傳輸。

光纖具有抗干擾性好、保密性強，因是非金屬介質材料，與傳統電纜相比具有很強的抗電磁干擾能力，且光纖的傳輸容量大，中繼站間的距離長，適用於海底長距離的通信。但由之前的案例發現海底光纖會散發電場，會讓鯊魚誤以為是獵物，進而啃咬攻擊。所以用於海底光纜的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求，要求低損耗、高強度、製造長度長，光纜的中繼距離長，一般都在50公里以上，在光纖的傳輸性能方面要求在25年以內不會變化。

在海底光纜的結構方面：要求能經受強大的壓力和拉力，特別是深海光纜(敷設在水深1000 米以上海底的光纜)，在敷設和維修作業中除了光纜本身的重量外，還要加上海浪加到光纜上的動態應力，在如此大的負荷條件下， 海底光纜的結構要求堅固、材料輕。光纖接頭也要求是高強度的，要求接續保持原有光纖的強度和原有光纖的表面不受損傷。

《中國科普博覽》

【能源篇／化學科／電能】

◢ 未來科技：鎂電池將取代鋰電池，原因是…

現時市場上主流的充電池，均是使用鋰電池或鋰聚合物電池為主，因 為體積較少又輕，所以基本上所有市場上的流動產品都差不多要用 上。

但是鋰電池的生產成本較高，所以價格不算便宜。但是近日終於有對 手了－日前日本Honda(本田)成功開發全球第一枚可實際使用的鎂電池！

資料顯示今次項目主要是由埼玉工業技術中心(Saitec)負責開發而 Honda團隊則評估該技術的可行性。而當中鎂電池的最大問題為充放電的過程中會快速退化，令使用壽命比鋰電池為低，但團隊發現只要在電池的正極塗上氧化釩(Vanadium Oxide)令離子在正負極間的更容易流動，從而減慢退化，令使用壽命提高。

此外，由於鎂是易燃物質，所以研究人員加入一種有機物質去降低風險。所以基本上電池質量及安全性跟鋰電池差不多。

最重要的是，鎂的成本比鋰低96%，所以生產成本大大降低。

而日本的日經新聞報導指Honda將於下月舉行的千葉科學會議正式發佈，同時指Honda計劃先用於手機及其他流動裝置上，預計最快於2018年前正式推出市場。

《http://qooah.com/?p=137647》

◢ 成大開發鎂電池 有望取代鋰電池

國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義、呂傳盛、陳立輝教授與成大貴重儀器中心陳冠仁博士組成的電池研究團隊，積極投入「下世代鎂電池應用技術研發」

成大洪飛義教授表示，世界各國都在找尋新一代更高效率的電池，鎂電池被視為最具發展潛力。鎂電池最需克服的是鎂離子的活性問題，鎂離子活性大，研究團 隊利用控制氧化還原機制，大幅提高了鎂電池的穩定性。

他說，鎂薄膜電極、鎂粉末電極等關鍵技術已掌握，大幅提高鎂電池的穩定性、與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。

洪飛義表示，新一代電池的研發，除了要求安全、高容量、高功率外，最好還要能抗高溫、耐極低溫。一般的鋰電在攝氏負15度的低溫下，電子產品本身若關機，再開機電池就無法再發揮功能。但洪飛義的團隊將鋰電池上添加鎂材料，研究證實即使在零下30度，電池仍能正常運作，處在攝氏55度高溫也不會有問題。

洪飛義說，電池材料的開發朝向綠色環保發展，由於傳統鋰電池的負極材料多為石油提煉所生產的石墨碳，不僅電容量都偏低，且石油的開採與提煉的過程也較耗能源不夠環保，新方法是利用奈米結晶結構的製程開發出高容量的天然木質碳 與竹碳材料，提高電池的環保性。

洪飛義說，鎂電池最大好處是安全，即使車輛相撞也不會有爆炸的危險，但要普及最大的困難在於鎂電解液難以製作，因此研究團隊正嘗試自製鎂電解液，希望能有機會取代傳統離鋰電池。

《http://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/1132563》
《http://iknow.stpi.narl.org.tw/post/Read.aspx?PostID=11619》

◢ 未來的電池－鎂離子電池的應用

 2015年6月1日，Green Car Congress等各大相關網站，均刊登了一篇與鎂離子電池相關的新聞："豐田汽車研究團隊發表了最新具突破性的高能量鎂電池的電解質技術(Toyota Research team reports significant advance in electrolytes for high-energy Mg batteries) [1]”，由豐田在北美 Dr. Rana Mohtadi 帶領的研究團隊研 發出一種穩定電壓(3.8V)、電解質不具腐蝕性且庫倫效率大於99%的鎂離子電池。時間拉回2011年年初，豐田公司計畫開發鎂金屬和硫化物所製成的新一代電池 [2]，預計花十年在2020年完成；從2011年至今，一直有鎂離子電池的研發捷 報頻傳。

事實上，研究人員在1980年代便嘗試製造鎂離子電池，直到2000年左右，以色列Bar-Ilan大學的D. Aurbach團隊克服了鎂的缺點，發展出有機鹵素鋁鎂(Mg organohalo aluminate)液態電解質及Mo6S8陽極的雛型電池，使重量輕、無毒、便宜的充電鎂電池成為可能；2003 年，又發展出新式固態電解質，且兼具便宜、導電度佳、工作溫度範圍很廣(0~80℃)，進而發展出更好的陽極材料來增加鎂電池的儲能密度 [3]。2014 年台灣成功大學材料科學及工程學系教授洪飛義與貴重 儀器中心組成的研究團隊亦利用控制氧化鐵還原機制，大幅提高鎂電池穩定性， 此效率高耐溫強的鎂離子電池，未來可望取代鋰電池。Tesla CEO曾多次表示，Tesla和其超級工廠準備發展鎂電池。

鎂離子電池與目前主流的鋰離子電池相比，有以下的優點 [4]：

1. 成本低廉且安全：鎂的地球儲量豐富且無毒性。
2. 儲能性能較高：鎂離子以Mg2+的形態存在，而鋰離子是Li+，因此若兩塊電池分別使用了同等密度含量的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為傳遞電子介質的電池能量存儲密度將是鋰電池的兩倍。因此鎂離子電池的帶電量高、每克儲存較多電荷，使汽車行駛距離更長、增加電子產品使用時間。
3. 可沿用鋰離子電池工廠：從傳統鋰電池到鎂電池的轉型，在電池設計方面並不會受到太大的影響，工廠只需更新相應的流水線作業工具。

然而，鎂離子電池亦有移動速度慢的缺點 [5] [6]：鎂離子以Mg2+的形態存在， 當鎂離子和兩個電子結合時，整個原子核就擁有了兩倍的負電荷，而負電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強，根據實驗成果，鎂離子大約會受到四個相鄰離子影響。因此，當鎂離子攜帶著兩倍的電荷，要在充滿電解液的兩極之間運動的話，速度自然 慢了很多。因此，找出適合鎂離子移動的電解液，是重要的研究方向。

針對上述問題，研究者提出兩種解決方法 [6]：

1. 研制鎂金屬陽極：這類陽極能高效地轉移電荷，但與常規電解 液不兼容。因此研究人員正尋找能很好地和鎂兼容的新型電解 液。
2. 研制能兼容常規電解液的新型陽極：豐田公司的論文證明它值 得進一步研究，特別是在尋找一種高電容、高電壓陽極方面。

相較鋰金屬，金屬鎂的開採成本較低，同時利用價值卻很大。豐田目 前已經在相關技術上投入了巨資，而特斯拉也曾多次在公開場合表態，特斯拉及其超級電池工廠已經做好了擁抱鎂電池的準備 [6]。開發鎂電 池能夠帶來諸多好處，因此商用化的可行性非常高。 

參考資料：
[1] Toyota Research team reports significant advance in electrolytes for high-energy Mg batteries”，2015/06/01， http://www.greencarcongress.com/2015/06/20150601-trina.html
[2] 高銘壯， 豐田計劃開發鎂電池技術，以取代鋰離子電池。”酷 車網站，2011/01/13， http://www.kumotor.com.tw/article_page.php?owt01=20110117144732330
[3] CS Kuo，"化學: 新型固態可充電鎂電池”， Sciscape 科學新聞報 導，2003/05/09，http://www.sciscape.org/print_news.php?news_id=1128
[4] 豐田：鎂離子電池前景光明”，2012/12/06， http://tech.hexun.com.tw/2012-12-06/148732031.html
[5] 鎂電池替代鋰電池的不二選擇？”2015/04/07， http://3g.autooo.net/utf8-classid164-id140738.html
[6] Lithium Ion Batteries May Soon Be Replaced With Magnesium Ion Tech”，NDTV GOODGETS， 2015/04/21http://gadgets.ndtv.com/science/news/lithium-ion-batteries-may-so on-be-replaced-with-magnesium-ion-tech-683741

【能源篇／生物科／生質能】

◢ 放屁能殺人？ 

這是國外發生的真人實事：手術台上，一位忘記禁食的病人正在進行直腸手術，當外科醫生正在使用電燒器時，病人前一天的食物消 化後排氣並引發爆炸，醫生重度灼傷身亡。(註一)

◢ 沼氣如何用？

全球的動物每天排放的沼氣，亦是全球暖化的推手之一。據國際大象基金會表示，一輛裝備齊全的車，「運用一頭大象一天產生的甲烷，可以行駛 20 英里。」(註二)

在石化能源枯竭危機下，若能收集生物產生的有機物質處理成可用能源－生質能，不但能減少碳排放，也能協助解決能源問題。

• 生質能源是什麼？
• 生質能源優缺點分析。
• 生質能源的種類介紹：生質柴油、生質乙醇、生質氫及生質甲烷。
• 未來展望。

註一：一千種死法影集第二季：醫生手術治療被屁崩死。
註二：資料來源為台灣動物新聞網：http://www.tanews.org.tw/info/9290

【能源篇／地球科學科／太空太陽能】

◢ 太陽能

太陽能是來自於太陽的輻射線的一種能量。

太陽能的優點為 1)可 再生能源、2)在地球的範圍廣、3)不會產生溫室效應且 4)安全；

缺點是 1)太陽能密度低，因此需要大量面積設備、2)由於地球自轉，因此 夜間時能源中斷、3)天氣不穩定，陰雨天會造成能源中斷時間增長。

由於台灣晴天率較低，台灣雖然緯度低於德國，然而台灣年平均每平方公尺每日約有3.1度的日射量，而德國年平均日射量每平方公尺每日約為 5.8 度，年平均日射量只有德國53% [1]。 

◢ 太空太陽能

日本經典動畫「機動戰士鋼彈」最新一期的故事中，化石燃料瀕臨枯竭，能源短缺帶來的全球化衝突日益升高，迫使人類進入太空太陽能時代。這部科幻卡通的時代背景設定在 2307 年，但在真實世界中，日本科學家已在著手開發可提供潔淨再生能源的地球軌道發電硬體設備，並計畫於20年內製作出原型產品。(1) 

太空太陽能的優點：
(一)避免太陽能在傳輸至地表時會由於大氣反 射及大氣吸收而耗損 55%~60%。
(二)由於地球自轉造成的日夜輪替, 而在晚上無法有陽光 (2) 

太陽太陽能傳輪概念如下圖 (3)。此概最早是1941美國作家以撒· 艾西莫夫(Isaac Asimov)在科幻小說《理性》(Reason)提出。1968. Peter Glaser提出此科學運作概念，並在1973取得專利。太空太陽能發電衛 星的構想為設置同步衛星，利用太陽能電池獲得的電能，可以利用微波送回地球，人類就可取得無限的清淨能源。

同步軌道是位在赤道上方3萬6000公里的圓形軌道，配置在同步軌道上的人造衛星可以配合地球的自轉週期，每天環繞地球一次，因此在地表上任何時間都可以看到此種衛星駐留在同一個位置。而且同步軌道上的太陽光強度是地表上的1.4 倍左右，除了進入地球影子而無法發電的「黑暗」期間之外，不受日夜不同、氣候或季節的影響而能持續發電，因此在太空中能利用的太陽能是地表上的10倍之多。

在同步軌道上，以春分與秋分為中心前後大約45天之間，每天會出現 最長72分鐘的「黑暗」現象－“衛星食”，因此「見不到太陽」的總合時間是每年總時間的1%以下。

在太空中放置太陽能板，成本太高且不切實際，早期因此受到否決。但在目前全球能源危機及環境變遷的「憂」勢下，這個看似天馬行空的方案在日本再度獲得青睞。去年，日本大阪的雷射科技研究所利用陽光產生了高達180瓦的電力。今年2月，日本北海道的科學家開始進行電力傳輸系統的地面測試，以微波方式將能量輸送到地面。在位於日本宮城縣的實驗場所，鈴木拓明與JAXA研究人員正在測試800瓦功率的光纖雷射，可朝500公尺外的接收站發射雷射光，有一面只會反射波長為1064 奈米光波的鏡子，將光線引導到實驗太陽能板上（他選擇這個波長是因為這種光波可輕易穿透地球的大氣，亮度減損不超過10%）。

尋找能以高效率將陽光轉換成雷射光的材料也是一項關鍵工作，目前最被看好的是含有釹和鉻的釔鋁石榴石陶瓷材料。

(1) http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=newscan&id=1228
(2) https://en.wikipedia.org/wiki/Space-based_solar_power
(3) http://www.qsl.net/vr2ls/SOLAR/solar-01.html