【人物專訪11】我的故事也許不典型,但內心義無反顧:張起維的太空科學家養成之路

by Yang-Kuang Chao
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採訪 ‧ 撰稿  /  洪佳如 (科學推展中心特約編輯)

2021年,「飛鼠號」立方衛星於台灣時間1月24日深夜,搭乘美國太空探索公司(SpaceX)獵鷹九號火箭(Falcon-9),順利從美國發射升空。飛鼠號的發射,乘載著許許多多顆的心,縱使首次發射波折不斷,但在中央大學太空科學與工程學系教授張起維團隊不斷修正、改良之下,2022年,由台灣中央大學、美國科羅拉多大學波德分校及印度太空科學與科技學院所共同合作開發的小型人造衛星「INSPIRESat-1」順利發射!讓人格外好奇,這兩項立方衛星任務背後,台灣團隊的靈魂人物中大太空系特聘教授張起維的人生故事,他是如何看待與養成自己的太空科學家之路,什麼又是支持他探索浩瀚宇宙的信念呢?

永不放棄的太空科學夢

張起維自幼全家人便隨父親負笈美國攻讀博士學位,一直到了十歲,爸爸順利畢業,舉家回到台灣,當時的他們人生地不熟,其中最令張起維受挫的莫過於台灣的升學體制,每次考完試,心裡懷著要被算帳修理的恐懼,鎮日提心吊膽,暫時擱置了心中的夢。

「當年我讀的是升學學校,求學的動機,基本上就是要通過模擬考,通過模擬考的動機,就是要通過高中聯考,通過高中聯考的動機,就是要考上好大學,在那之後呢?就是問號。」張起維無奈的說。

台式震撼教育,受挫的求學之路

在沒有學習動力,也不知道自己為何而做,張起維國中的成績始終不見起色,他自述每次考試平均不超過50分,高中聯考時,報考國內公、私立學校與公、私五專,幾乎全數落榜。好不容易在某私立五專讀了半年書,卻越讀越茫然,此時,一位在美國工作的叔叔,再次向他提議,有沒有這個念頭,借住他們家,回美國繼續攻讀高中?

這不是叔叔第一次向張起維提出邀請,國中時期的他,也不是不曾心動,只是一想到好不容易全家從美國回來,一去就離家幾千公里遠,直到歷經求學的挫敗,讀了一年五專,表現仍不見起色,才讓他對換個環境讀書,這個主意起心動念。

重返美國,張起維必須重新適應高中校園文化,加上自己並不擅長社交,好一段適應期,慶幸的是,張起維訝異發現,自己在台灣課業表現雖不理想,但運算和解題等基本應用能力並不差!至少數學、物理、化學,在美國時對他來說不再像孫悟空的緊箍咒,一念書就心生絕望。

從學習建立自信,重拾兒時太空夢

就這樣,張起維在老師的引領之下,開始在腦海中,串起理解學術的重要概念,一點一滴黏合過去曾被擊垮的自信心,同時願意挑戰越來越困難的進階課程。春去秋來,很快的,又到了升學時分,和上一次落榜經驗不同,張起維這一次申請大學和科系幾乎全數通過!

這時候的他還渾然不知,一次物理老師的課堂提議,將徹底了改變他的人生方向。那是個普通的上課日,老師鼓勵同學們利用週末參加太空博覽會,回來撰寫心得報告就可獲得加分。來到博覽會現場,不管是鑽研美國太空總署、相關的政府單位都來參加,南加州同時也好萊塢的重鎮,甚至還有一些好萊塢科幻片的演員, 以及劇組所有的工作人員蒞臨參展,從科學技術到藝術人文,凡是太空重要領域的人員皆一一到位,現場彷彿交織成一篇璀璨星際圖,看的張起維目不暇給,此時,有一股聲音在張起維的內心悄悄升起「對啊,我小時候不是對太空最有興趣嗎?」

按捺不住一顆因汲取新知,躍動不已的心,回來後,張起維忐忑向學校註冊組寄出轉系申請,表明自己是明年秋季入學的資工系新生,不知道自己有沒有機會,直接轉系?可喜的是,校方竟欣然同意,並沒有澆熄一名大一新生的滿腔熱情。就這樣,張起維在許多因緣際會之下,兜兜轉轉,走上了小時候所嚮往的太空夢。

對太空有興趣,為什麼不直接就讀航太相關科系?張起維當時的想法很單純,物理系不管是天文物理或者應用物理,兩者都跟太空有所關聯,加上高中時期的他心儀物理的邏輯推導方式,可以從很簡單的立基去推出更複雜、深奧的結果。「物理真的滿厲害!一方面可以讓人預測周遭的人事物,從難以想像到原子以下的量子力學,或者速度非常快、質量非常大的相對論,都可以做出一些聽起來很神奇的預測,但實際測試後發現居然管用!」對物理的分析預測跟邏輯推理的概念,深深吸引著張起維,促使他做出了這項重要決定。

踏上學術養成之路,重返台灣執教

大學四年下來,整體而言,張起維沉浸在物理系歡愉的學習氣氛當中,不忘太空夢的他,同時跨系選修航太系相關科目,直到畢業前夕,指導教授希望張起維理解,應用物理畢竟跟工程、科學觀測、推理等現象的模擬跟分析,存在一些差距,在教授循循引導之下,張起維順利申請科羅拉多大學航太工程研究所,正式向宇宙跨出了第一步。

美國科羅拉多大學注重科學探索任務相關研發,整合工程和自然科學與物理,兩者相輔相成,對張起維來說,科學跟工程並不是一刀兩斷的兩門專業,有科學目標,團隊才能知道,提出什麼樣的太空探索任務才能有競爭力,才能提供給使用者有用的資料,因而提升工程實現的能力,有更多新的發現,能夠幫助定義下一個任務的方向和目標。

早在碩一時,張起維心中已有返回台灣的念頭,一方面與家人聚少離多,希望全家人團聚的心呼喚著自己做出改變,另一方面,每一年寒、暑假返台,張起維對家鄉匆匆一瞥,看見的皆是台灣正面的改變,張起維看見的是家鄉不斷提升自己的能力與資源,整體國民素質的大幅提升,令張起維認為在台灣深耕生活,是一件值得努力的事。

加上研究所時期,張起維有機會到空軍實驗研究所實習,週遭的科學家各個都是現役美軍軍官,每個人身兼數職,一邊攻讀物理、化學、工程高等學位,一邊面臨兩年一次的輪調,在研發單位待了兩年之後,又要被調到伊拉克、阿富汗服役。和身邊的科學家相比,回台當兵一年實在不是生死交關的大事,回憶起這件往事,張起維樂天的說「因為服過兵役,在台灣要跟其他當過兵的男生的話有共同話題,這也不錯啊!跟我之前求學之路一樣,也許故事並不典型,但是我的內心同樣義無反顧」。

當張起維決定了回台這個重要的決定後,之後的路途,彷彿上天自有安排一般,順利的開展。

在美國時,當時已經很多台灣很多大氣研究相關專長,從台灣來美國留學或做移地研究的教授與學生來往,開始有機會,讓各界了解彼此的專業領域。其中結識的一位前輩劉正彥教授,特別關心張起維未來的出路,一聽到這位後進有回台灣服兵役的打算,劉教授開口邀請「你回來到入伍之間,至少有三四個月時間,這段時間有沒有機會到中央大學了解一下我們學校,到我們實驗室當博後,做一些研究?」就這樣,張起維回台後,利用那三、四個月時間,順利到國立中央大學太空科學與工程學系的實驗室當博士後研究生,劉老師給予張起維的研究自由度相當彈性,讓他在入伍之前,順利寫好論文投稿,還沒退伍前SCI期刊論文就已經刊出,那一篇論文致謝詞還感謝了國軍呢!過去累積的豐厚科研成果,以及自身攻讀的中層大氣專長,使張起維順利申請上當時中大開出的教職缺。

想像力就是你的超能力!

從歷經台灣挫敗的求學路,到進入大學學府執起教鞭,張起維認為,想像力是每個人與生俱來就有的能力,台灣學生的想像力不會比國外學生差。只是當學生提出某一種夢想或構想的話,我們是以什麼樣的態度來看待,我們鼓勵他前進、嘗試嗎?如果要實踐,需要什麼樣的工具?張起維希望自己所任教的科系,可以扮演讓學生敢於作夢、敢於想像,並在鼓勵學生不斷修正與精進,建立這個夢想所需要的專業能力,正是這個科系的目標所在。

接軌國際,讓世界看見台灣

回台任教沒多久,2015年,張起維昔日的同窗捎來了一份邀請,原來老同學留在科羅拉多大學繼續工作,同時擔任計畫主持人,老同學想組織國際研究教學衛星計畫(International Satellite Program in Research and Education)學術聯盟,企望招集世界各地的學校,針對小型人造衛星設計科學任務,給世界各地的同學們有動手施作、操控人造衛星的機會。張起維聽到這個好消息,一口答應邀請,翌年,聯盟順利組成,開始有每年一次國際工作坊的計畫。老友再次訊問他,是否有意願在中大主持第一次國際工作坊?恰好同年七月份,張起維獲邀在台灣舉辦另一個國際研討會。他單純的想「好啊,乾脆兩個一起辦!」那年暑假,張起維接連兩週,分別在中央大學與中研院,舉辦國際性工作坊與研討會,透過這一次機會,正式開展台灣地區小型衛星研發的計畫和能量建構和相關課程。這也是張起維一直想著手的項目,將自身動手實作衛星系統概念,將課程上的理論學以致用,因此當有這個機會時,他一心想的是好好把握,好好將自己的研究經驗帶給學生。

十年不變太空夢

張起維的學術專長主要有大氣潮汐、行星波、中氣層、下層恆溫層、大氣-電離層耦合、衛星資料分析、衛星遙測等項目。人們日常所在乎的天氣現象,大多是20公里以下,大氣研究的範圍則是以上,舉例來說,高層大氣包含地球的電離層,高層大氣因為長期吸收太陽的紫外線所以容易成為電漿,就成為我們地球大氣層跟太空之間的邊境介面,早期人類在發展無限通訊科技,就發現說有某些頻段,不知道為什麼傳播的距離就可以特別遠,甚至可以超過地平線的距離,於是,這項技術,在第一次世界大戰開始後,經常運用在軍用和民用單位,另一方面,電離層的變化與結構,同時會影響到GPS衛星定位導的準確度和可用性,以及衛星通訊的通用性。地球大氣最高可以延伸到一千多公里的高度,絕大多數的人造衛星都位在低地球軌道(大約在400~2000公里之間),今天人造衛星飛過很稀薄的流體,所產生空氣阻力,對低軌道的人造衛星來講,高層大氣的空氣阻力算是最大的軌道擾動氣,除了衛星的軌道會變化,衛星自己本身的導航,還有就是我們在追蹤人造衛星的話都會造成變數,因此高層大氣濃度化學成分和分布,對低軌的太空作業環境成為很關鍵的環節。

好比航海家要懂大海,身為一名太空科學家也要用太空的奧秘。當今天要設計在這種高度長期飛行的人造衛星,就必須了解高層大氣層的變化和結構,過去長達7、8年的時間,張起維所主責的研究團隊在做的工作,正是,透過地面和衛星觀測,了解與探索高層大氣,模擬背後的物理機制,同時期待未來開發可攜帶科學儀器上去軌道上,好進行科學探查的人造衛星。

「所以我們不但要研究海洋,我們也要造船!」

訪問過程中,張起維數度生動將太空科學與海洋科學相互比擬,同樣是探索未知的境界,遠洋船艦很難依靠岸上的單位支援,很多地方都要自主運作,就跟太空科學一樣,當所發射的人造衛星離地球遙遠的時候,將會長時間曝曬在太陽輻射底下,以熱控來講會形成非常大的挑戰。「兩者都需要研發科學觀測平台和儀器,這些算是大家的共同點,只是一般就所我所知,海洋科學同仁自己去造船的比例還是少一點。」靦腆的笑了笑。

飛鼠號首次發射失利

第一個完全自製的人造衛星就是3U立方衛星「飛鼠號」!

2017年,中央大學承接國家太空中心計畫,希望能設計一個可以攜帶我們系上趙吉光老師研發的微型粒子探測儀(CIP)上軌道去探測電離層的組織和架構一顆小型衛星。雖然系上曾做過可以放在衛星和太空火箭的科學儀器,但這是國內真的第一次接觸到,要去設計、實現、操控一顆制式的人造衛星,所以很多東西對團講來講都是嶄新的學問,幾乎從零開始學起,每一顆人造衛星的建造涉及許多不同領域的專業學門,從無到有,好確保衛星能進行資料蒐集跟自主運作,團隊成員當時一步一步的學習,很幸運的是成員們都有堅持下來,真的如期在三年內,做出一個通過當時功能測試的成品順利發射,當然系統可能存在著潛在問題,或者有些還沒有完全到位的地方,對於這些風險,團隊都有一定的認知。當第三次順利發射時,有人問張起維「你們有沒有在那邊歡呼?」他搖搖頭回答「沒有耶,因為大家都知道,明天早上八點,衛星就要飛過我們的地面站,到時候我們就知道,我們的衛星,會不會跟百分之四十的大學立方衛星一樣,上去就沒有訊號。」

事情一波三折,翌日,當全世界的地面站都收得到飛鼠號的訊號,獨獨中央大學自己的地面站收不到,團隊判斷,由於地面站早在5年前架設完畢,經過風吹雨打,天線與纜線可能已退化,大夥兒趕緊再花一個禮拜緊急搶修,這次總算順利收到衛星回傳的資料。知道衛星在安全模式底運作,自動各自系統切換順利,只是當發現要發射指令,衛星卻收不到,團隊花了將近一個多月發現,地面的放大器有問題,所幸經替換後,順利完成雙向的通聯,順利命令衛星將儲存的資料回傳。

不平靜的元宵夜

那年元宵節,實驗室裡並不平靜,衛星發射一個多月後便失去通聯,張起維和團隊回到學校一直試各種方式,想跟衛星恢復通聯,但一直都沒有反應,一個半月後,飛鼠號有短暫幾天恢復通聯,進一步分析電力系統設計,發現裡面有個關鍵的電路,對於一種在軌道上出現的輻射異常的單離子鎖定,沒有恢復機制,進入類短路的狀態,造成IC的壽命大幅降低,遺憾的,飛鼠號衛星壽命沒有達到之前所預期的六個月,大概兩個半月到三個月時,進行最後一次通訊。

六個月過去,團隊彙整所有開發和飛行資料做最後分析,同時進行會議審查,彙整並討論衛星的設計如何改良與避免異常,從第一次飛行經驗記取教訓,今2022年,由台灣中央大學、美國科羅拉多大學波德分校及印度太空科學與科技學院所共同合作開發的小型人造衛星「INSPIRESat-1」,順利發射並進行雙向通訊。

在團隊合作尤其是跨國時,如何互相溝通很重要,張起維認為,夥伴們必須建立共同宏觀的認知,知道自己的專長,對於任務起到什麼樣重要性的關鍵,同時也知道,自己的進度會如何影響到他人,張起維舉自己的實驗室為例,每一個禮拜都會固定開進度會議,不只是追蹤大家的進度,同時也讓彼此了解,其他隊員的進度,會不會影響到自己,或者自己會不會影響到別人,眾人有一個共同目標,良好且頻繁的溝通,並且要有能力與有意願妥協,隨時做滾動性調整。

回憶起剛返台,在中央大學任教的那段期間,疲於教學、備課與研究等蠟燭多頭燒的狀況,一個工作忙完,忙下一個工作,平時時常處在煩惱的狀態,簡直要把自己燃燒殆盡,這時候的張起維會離開實驗室,邁開步伐,繞著學校跑一兩圈,這是他研究所時期在美國養成的習慣,科羅拉多大學無論在學術領域的成就和地理環境條件,都堪稱「最高」學府,因此,培養出一批熱愛戶外運動的理工背景學生。

年輕學者養成計畫的肯定與支持

好朋友們鼓勵他報名當地的年度馬拉松盛事,連帶著影響張起維的運動習慣,但對他來說,跑完步,在學校旁的啤酒屋,和三五好友大口暢飲才是人生的醍醐味。在任教初期,張起維就靠跑步排解龐大壓力,另一方面,科技部「年輕學者養成計畫」給予,當時的張起維相當彈性的運用空間,當他有突發想法時,得以使用這筆經費和資源帶動機會,像是剛開始跟美國合作,執行小型衛星研究計畫,針對衛星系統研發跟地面操控設施建構,當時相當仰賴年輕學者養成計畫所提供的資源,可見這項計畫對年輕學者的莫大支持。

對張起維來說,生命歷程與其說是一次很大的契機,更可能是很多小事件累加在一起而成。他以自身的經歷,鼓勵台灣研究人員跟國際多保持聯絡、多接軌,因為,只有了解整個國際的發展,才能掌握自己的強項,可以如何對應到國際上的需求,有機會可以協助召集國際研討會,或者當有國際合作機會時要盡全力去把握,好比人造衛星一樣,多多進行雙向交流。

張起維由衷的希望,我們的下一代和這一代,不要放棄與遺忘夢想,也不要抹煞我們的想像力,今天,就算有某一項技術,或是某一個科學目標,暫時還看不出產品化的可能,但不代表它永遠就是那樣子,很多目前很前瞻、很熱門的產業,過去也都是從被人看衰開始。要相信,你正在實行的任務,或科學研究題目是值得做,是值得花費你的時間與心力。

「如果今天,我們是為了一個值得努力的目標打拼,那遇到要脫離自己的舒適圈時,我們會更願意去面對它。」 自始至終,張起維一次次跳脫舒適圈,勇於向未知挑戰,即將邁入人生的下一個階段的他,將在今年八月,成為新一名新手父親,相信這名科學家,屆時將再次深入浩瀚宇宙,探索名為愛的未知數。

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