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中國科學院在9月23日舉行新聞發布會,稱中國經過多年研究攻關,在澱粉人工合成方面取得重大突破進展,為國際上首次實現從二氧化碳到澱粉的全合成。
在實驗室內,科研人員首先通過光伏發電將光能轉變為電能,通過光伏電水解產生氫氣,然後通過催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,將電能轉化為甲醇中儲存的化學能。甲醇儲存了來自太陽的能量,但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程。於是,科研人員設計出一條包含10步主反應的甲醇到澱粉的人工路線。最後,科研人員使用10個酶逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮,進一步化為六碳的磷酸葡萄糖,最終合成了直鏈和支鏈澱粉。
在自然界之中,植物能進行光合作用自製食物。光合作用需要光的能量來進行,主要為太陽提供的光能,過程中植物把來自空氣的二氧化碳和來自泥土中的水轉化為食物,同時產生氧氣。植物的葉綠素會吸收光能,在光合作用的過程中,光能會轉換成化學能,儲存在已製成的食物內。經光合作用製成的食物是葡萄糖,葡萄糖是植物生長和進行呼吸作用所必需的。葡萄糖可供植物即時使用,未被使用的葡萄糖會轉化成澱粉作為備用。
比較之下,人工合成澱粉在各方面都較植物透過光合作用產生的玉米澱粉優勝。第一,人工合成澱粉把光能轉化為化學能的比率是7%,較玉米澱粉的2%為多。第二,人工合成澱粉能夠在全天候車間連續生產,但玉米澱粉需要陽光、灌溉、施肥施藥,另外收割生產受季節限制和氣候影響。第三,人工合成澱粉的生產周期只需一至兩天,但玉米澱粉卻需要四至六個月。第四,一立方米生物反應器能夠生產的人工合成澱粉,相等於五畝玉米田的產量,前者佔地面積較少。
由此可見,人工合成澱粉能夠節約90%以上的耕地和淡水資源,促進碳中和的生物經濟發展,助力解決全球食問題,又能減少由肥料和農藥引致的污染。然而,人工合成澱粉目前尚處於實驗室階段,其生產成本仍然過高,離實際應用和量產還有距離。另外,在人工合成澱粉過程中,無法產出生物所需的氧氣,未能完全取代植物光合作用的重要性。因此,在地球的生態系統之中,我們仍然需要植物,不能缺少花草樹木。
原文刊登在《大公報》6/10/2021
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1961年4月12日,前蘇聯太空人加加林(Yuri Gagarin)乘坐東方一號太空船,從哈薩克的拜科努爾太空發射場起飛,在遠離地球301公里的軌道上環繞地球一周,並安全降落返回地面,完成了世界上首次載人航太飛行。返回地面的時候,因為他是蘇聯共產黨員,信奉無神論,所以當他接受記者訪問,便表示在太空看到無際的星空,了無一物,故此證明世上沒有上帝。
過了六年之後,美國太空人阿姆斯壯(Neil Alden Armstrong)於1969年7月20日乘坐阿波羅11號太空船飛向月球,並成功在月球「靜海」區域著陸。當他走出登月艙,左腳踏上月球的時他,他說:「這是一個人的一小步,卻是人類的一大步。」當他返回地球的時候,接受記者的提問,除了講述登月的經過與任務成果之外,他還開玩笑的說:「我找遍了整個月球都找到不到嫦娥的蹤影,所以中國嫦娥奔月的故事是欺騙小孩的神話故事。」
自此之後,美國利用土星5號火箭,前後共七次太空人送到月球,其中六次任務成功,總共有12位太空人登陸月球表面,進行各類實驗,包括探測月球重力、磁場、月震等等。然而,這些美國太空人的活動只能局限於月球面向地球的一面,卻不能在月球的背面登陸及進行活動。這是因為月球自轉的速度與環繞地球公轉的速度是相同的,以致在地球觀看月球,只能看見月球的正面,卻永遠看不到背面。正因如此,美國太空人不能在月球背面登陸,也不能接收來自地球的通訊電波,因為月球把所有來自地球的電波都擋住了。
嫦娥四號探測器的主要任務是放出探測車「玉兔二號」,在月球背面拍攝月球照片,並通過早前發射並成功進入月球軌道的「鵲橋號」中繼衛星,傳回到地球。當北京航太飛行控制中心收到來自月球背面的照片時,眾多科學院士都聚精會地看著照片,發現月球背面比較平坦,沒有太多的隕石坑,也沒有很高的山脊。除了接收到來自月球背面的照片之外,鵲橋號中繼衛還傳來一些奇怪無序而微弱的電波,就算中國曾召集多位元訊息學專家,都無法解讀這些電波。更奇怪的是,「玉兔二號」探測車與「嫦娥四號」探測器於2020年1月2日,按地面指令完成月夜模式設置,順利進入月夜休眠。但是,這些奇怪的電波仍然透過「鵲橋號」中繼衛星,不斷從月球背面傳送到地球。
9月3日,中國三名航天員在天宮空間站跟香港學生進行「天地對話」,過程大約半小時,三名航天員逐一回答香港學生的提問,聲音和畫面非常流暢清晰,沒有出現延遲與卡頓的情況。這是因為中國採用了「天鏈中繼衛星組網」,這系統保障了地面與空間站數據的實時傳輸。
回顧以往,中國在2003年發射的神舟五號載人飛船,中國航天員楊利偉在太空進行天地對話時,有着嚴格的時間窗口限制,因為當時中國沒有遍布全球的測控站和測量船。所以,只有當航天員進入中國領空範圍的時候,才能建立起短時間天地對話聯絡,但在其他時間便無法聯絡航天員,也無法了解他們的狀態。但是,隨着天鏈中繼衛星的發展,天地通訊的數據不僅沒有延遲,畫面也更加清晰。直到今天,中國已經做到了實時直播。相比之下,現時在太空運作的另一個空間站,國際空間站便出現通訊不靈的問題。除此之外,中國空間站還採用了國產麒麟操作系統,這系統不但使天地通訊暢通無阻,更能打破外國操作系統的壟斷。
其實,中國的中繼衛星不但使天地對話能夠流暢進行,更用於月球探索領域之中。2018年5月,中國利用長征四號丙運載火箭在西昌衛星發射中心,把鵲橋號中繼衛星送到月球軌道。鵲橋號的任務是擔當嫦娥四號登月探測器的「傳訊者」。由於嫦娥四號在月球背面着陸,而因為月球自轉周期與繞地球公轉周期相同,所以嫦娥四號的通訊將會受到月球本身的阻擋。但是,鵲橋號中繼衛星能接收來自月球背面由嫦娥四號發出的訊號,然後再傳送回地球,這樣地面指揮中心便能接收到來自月球背面的訊號。月球中繼衛星是中國自主研發,就連美國與俄羅斯也沒有這種技術,反而需要求助於中國,才能進行月球背面探索。
另外,中繼衛星也用於通訊廣播方面。根據物理學,無線電通訊使用電磁波來傳遞訊號,這些波是直線傳播的,因此它們會被地球的彎曲表面擋住。通訊中繼衛星通過傳遞地球表面的訊號來實現地面遠距離通訊。首先,地面通訊站發送微波訊號到太空的中繼衛星,然後中繼衛星把訊號轉發到另一個位於遠方的地面通訊站,這種通訊方法讓我們能夠和世界各地保持聯繫,使全世界也能收發來自中國的通訊。
中國現時在中繼衛星技術上處於世界前列,使中國在衛星通訊、月球探測與天地對話的領域上都具有優勢。
原文刊登於《大公報》15/9/2021
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