創新航太技術,臺灣太空經濟起飛
太空經濟起飛,臺灣新機會,經濟部產業技術司扮後盾,引領業者搶進衛星製造領域 打造下個兆元產業
自從SpaceX成功研發可回收火箭以來,衛星的發射成本與門檻大幅降低,更帶動全球太空經濟的蓬勃發展,根據美國衛星產業協會(Satellite Industry Association, SIA)的統計,2023年全球太空經濟價值達新台幣12.8兆元,衛星產業約貢獻71.3%。隨著太空經濟起飛帶動相關產業鏈蓬勃發展,若臺灣能掌握機會,可望成為下一個產業新星。
太空經濟可以簡單分成「衛星產業」與「非衛星產業」兩大領域,衛星產業包含衛星製造、衛星服務、地面設備、衛星發射等,非衛星產業則涵蓋各國政府的太空預算、商業載人飛行計畫以及太空永續活動。國際市調機構麥肯錫(McKinsey & Company)預估,到2030年將有2萬7,000多顆衛星在太空軌道上運行,平均每年需要發射4,000至5,000顆衛星以維持大型星系計畫的正常運作。目前商用衛星大多為500公斤以下的小型衛星(SmallSats),這些衛星運行於距離地球2,000公里以下的「低地球軌道」,具備高速、低延遲的通訊性能,但也因為離地球近,衛星需要維持更高的速度來對抗引力,平均壽命僅能維持三至五年,營運商必須定期發射新的衛星以維持數量。
例如,低軌道衛星領導廠商Starlink與Eutelsat OneWeb已進入低軌衛星網路建設的第二階段,亞馬遜Project kuiper、加拿大Telesat的相關計畫也在推進中,許多國際太空新創公司也積極發射小型或立方衛星,以提供各種衛星服務,自2020年至2024年9月底,全球已發射並仍在軌運行商用衛星數量為7,964顆,共計366次發射活動,2024年1月截至9月底,全球已發射商用衛星數量為1,712顆,其中99.4%運行於低地球軌道,太空經濟的發展勢必會帶動大量衛星製造和發射的需求。

為提高衛星發射的經濟效益,市場除了對衛星有小型、輕量化的需求外,衛星的可靠度是否足以面對嚴苛的太空環境,也是市場關注重點之一,衛星從發射入軌至在軌運行三至五年的完整歷程中,需經歷一系列的挑戰,包含搭乘火箭發射時所需承受的劇烈震動、音震與衝擊,以及在軌運行時需承受太空環境長時間的熱真空循環、輻射等,皆考驗著衛星製造工藝的韌性。不過,一旦產品經實測並取得太空飛行履歷後,價格將可成長數十倍甚至百倍,這正是國內業者擴展研發能量,創造高產業附加價值最佳時機。
臺灣以既有的資通訊產業製造能力切入國際市場,並逐步建立起太空產業的競爭力,根據2022年的統計,臺灣太空經濟產值約為新台幣2,158億元,其中98.7%來自衛星地面設備製造。為協助產業具備更高值的太空製造技術,蓄積能量由地面設備製造轉往衛星製造發展,經濟部產業技術司近年藉由科技預算,已投入大量資源鏈結產學研研發能量,尤其在金屬製造技術方面,透過金屬工業研究發展中心開發「4D(3D+異質)固相式積層製造技術」以及「微型複雜管內鍍膜系統技術」,以因應市場對輕量化、高可靠度衛星的需求,相關技術成果也連續多年協助太空中心執行任務,並技轉給國內航太業者,兩項技術更分別獲得2023年及2024年愛迪生獎殊榮。
其中「4D(3D+異質)固相式積層製造技術」主要滿足太空產品輕量化需求,透過摩擦攪拌銲接技術,將材料層層堆疊結合成產品,擺脫傳統製造工法的限制,可在保有原材料特性下與異質材料特性互補,打造高強度且輕量化產品。而「微型複雜管內鍍膜系統技術」則聚焦衛星可靠度提升需求,是全球首創運用於衛星推進系統的微型複雜燃料管路鍍膜技術,提供高均勻高硬度和高耐蝕內壁鍍層,可以「不受限管內形狀」,在多通道管路內達到良好的覆蓋率、附著性,提升管件與燃料的共容性,除推動衛星關鍵組件的國產化外,該技術也可以逐步擴展至半導體、醫療產業。
經濟部產業技術司將持續藉由科技預算與政策支持,協助臺灣業者加速轉型升級,進一步進入衛星製造領域,並在全球太空產業中建立關鍵地位,未來,太空產業將有望成為臺灣的下一個兆元產業。
(作者是呂育廷、傅珮雯;金屬中心航太科技產業發展處副處長、金屬中心策略規劃與推動組研究員)
衝高階技術 台廠不缺席
為協助國內產業進軍高附加價值的創新航太領域,經濟部產業技術司持續藉由科技預算投入資源,推動高階航太技術研發與應用落地,更補助金屬中心開發的「微型複雜管內鍍膜技術」,克服許多技術挑戰,成功實現衛星燃料管路的國產化。微型複雜管內鍍膜技術的成功,填補國內高階航太技術缺口,也為其他高階領域應用開創了可能,例如高階半導體和零組件製造。預計未來三年,將吸引超過1億元的產業投資,為國內技術升級與經濟發展帶來新動能。

衛星在太空軌道上運行時,需要依賴管路內的燃料噴發來調整姿態,姿態調整系統又由多條存有燃料等化學物質的管路所構成,然而,傳統的管路材質容易與燃料發生化學反應,導致燃料失效,進而影響衛星壽命,再加上,這些管路結構相當複雜,不僅管徑小於4毫米,常呈現彎曲或多通道型態,使得製作內部保護層的難度極高。國內現有濕式塗布、物理/化學氣相沉積方式無法進行高細長比管件內部鍍膜,所以,過去這類型的管路只能仰賴國外特殊設備技術代工完成,成本高昂且耗時,還可能面臨技術機密外洩的風險。
在經濟部產業技術司科技預算補助下,金屬中心攜手太空中心、中油共同開發「微型複雜管內鍍膜技術」,產出國內第一款航太燃料管路管內鍍膜化學氣相沉積製程設備,協助太空中心應用於低軌衛星三種型式的多通道燃料管管內鍍膜製程。簡單來說,這項技術就像把一根又細又長的吸管內壁塗上一層超均勻的防護膜,讓它能承受燃料的衝擊與腐蝕,而這些管路甚至比一般喝飲料的細吸管還窄,比鉛筆還長出好幾倍且彎彎曲曲,塗布難度非常高。

這套技術主要是為了低軌衛星的燃料管所設計,衛星需要依靠這些管子來傳輸燃料進行姿態調整。金屬中心利用精準的流體控制和均勻加熱技術,成功在這麼窄的管內壁上形成一層超薄的奈米鍍膜,覆蓋率達到100%,就像在迷你吸管的內壁均勻刷上一層看不見的保護漆,還要確保每個角落都刷得完美。
取得這項技術後,不僅可讓燃料管壽命更長、燃料的分解速度變慢,還能直接使用臺灣自己開發的環保燃料,完全不需要依賴國外的劇毒燃料,對於環境也更加友善,並可節省下一半以上的成本,不再需要把關鍵技術交由國外代工,節省時間又可保密,充分展現出臺灣結合創新研發與實際應用的能力,更為未來在航太領域的進步奠定了關鍵優勢。
(作者是葉昌鑫;金屬中心能源與精敏系統設備處光電技術組組長)
突破銲接障礙 拓展商機
隨著航太與電動車等產業對輕量化材料的需求日益增加,鋁合金也因此成為熱門的選擇。但是鋁合金材料容易在銲接的加工過程中產生缺陷,也會因為銲接時的熱輸入控制影響強度及品質,為了有效解決這些問題,金屬中心在經濟部產業技術司科技預算補助下,發展國內首創4D(3D+異質)摩擦攪拌銲接技術,並榮獲2022年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards),以及2023年愛迪生獎(Edison Awards)銅牌的肯定。
傳統銲接需要在極高的溫度來熔化金屬,摩擦攪拌銲接則是利用高速旋轉的攪拌工具產生熱能,以摩擦產生的熱能將金屬材料接合,不僅節省銲接製程能耗,還可以大幅降低銲接對金屬材料的熱影響,因此非常適合低熔點的金屬材料。舉例來說,鋁合金的熔點是660℃,但是使用摩擦攪拌銲接技術,只需400℃至500℃的銲接溫度,就能達到良好的銲接效果,而且不易破壞材料結構,品質和強度也會有更佳表現。
隨著產品設計愈來愈為複雜,許多產品開始採用不同金屬材料的組合,因此對於異質金屬製品的需求也逐漸增加,這也對銲接技術提出更高的要求。金屬中心透過經濟部產業技術司科技預算補助,建置「摩擦攪拌銲接示範產線與試作平台」,從早期基礎的攪拌工具材料開發至攪拌工具幾何設計及製作,期間更透過國際合作計畫,與國外機構共同合作開發特殊攪拌工具材料,在經過多年發展後,目前已經進化為數位化摩擦攪拌銲接技術,運用電腦輔助工程(CAE)預測銲接品質,優化關鍵銲接參數,並透過製程數位可視化進行銲接品質控制及驗證。
而在設備端方面,也和國內的工具機大廠合作,導入智慧化即時監控,「從製程、材料、設備到驗證,為業界提供最完整的解決方案」,可以提供國內外客戶以一條龍的服務及解決方案,填補業者在高品質銲接技術上的缺口。
傳統電弧熔融焊接容易因高溫輸入使雜質熔入銲道以及產生缺陷,影響銲接品質,金屬中心將摩擦攪拌銲接技術應用在回收鋁材上,採用摩擦攪拌銲接不僅可維持材料特性,還能達到良好的銲接品質,可使回收鋁材推廣應用於高階產品。
金屬中心結合摩擦攪拌銲接與積層製造技術,將金屬材料層層堆疊,以「加法製造」進行異質接合及摩擦攪拌製成3D曲線產品,這種方法比起傳統的「減法製造」,可以大幅減少40%的加工材料耗損,並節省70%的銲接時間,提升25%的銲接強度,目前已成功協助國內航太、5G通訊、電動車、重電、建築等不少產業邁向高值化發展,爭取國際大廠產品訂單。

(作者是林典永、王智楷;金屬中心金屬製程研發處銲接組副組長、金屬中心金屬製程研發處銲接組工程師)
本文同步刊登於2024/1/12經濟日報A11產業追蹤