科學人雜誌
太空科學

未來空汙:火箭廢氣

2021-04-01 羅斯(Martin N. Ross)、大衛(Leonard David)
近年火箭頻繁發射,燃燒噴出的排放物積聚在平流層、破壞臭氧; 新興的太空產業應該向航空產業老大哥學習永續之道。

重點提要

  1. 全球太空產業日漸茁壯,經濟影響力將直追航空產業,因而也必須考量如何永續發展。
  2. 火箭發射和太空殘骸墜回地球時產生的廢氣,會直接進入平流層,對地球環境造成的影響仍屬未知。
  3. 如果能事前評估並規範太空載具造成的大氣污染,太空產業便有機會妥善發展。


太空產業現在的發展與創新步調,即使是登月計畫也不可相提並論。50年前,太空任務經費幾乎完全來自政府,但到了21世紀,火箭和衛星的任務經費大多來自企業,或由政府與民間合作出資。


全球太空產業與政府脫鉤之後,成長和營運方式越來越接近全球航空產業:設備可重複使用、飛航定期化、太空船和發射載具量產化。分析專家預測,太空產業對全球國內生產毛額(GDP)的貢獻將於2040年跨過1%的門檻。因此可以預期,太空和航空產業未來的經濟影響力將不相上下。


二次大戰以來,航空產業在飛機結構和推進系統方面的發展集中在噴射引擎方面,其中有許多出自永續的考量。現代噴射引擎排出的煙灰和污染氣體,比50年前更少。減少噴射引擎廢氣的環保壓力促使航空業不斷提升渦輪燃燒效率,接近理論上的最大值,有助於降低燃料消耗量,航空產業因而受惠;這對公司獲利和地球環境兩方面都是優點。


廢氣大麻煩

永續性一向不是太空載具發展的主要考量。火箭引擎和噴射引擎一樣,都會把許多氣體和微粒排入大氣,造成地區性甚至全球性的影響。儘管如此,火箭引擎產生的環境污染通常不受關注,原因在於噴射引擎和火箭引擎燃料消耗量的比較方式過於簡單。


論證通常是:火箭每年消耗的燃料只有飛機的0.1%,所以廢氣問題只有航空業的0.1%。但這種比較方式是虛假對等。深入了解太空航行的每個階段,就可得知太空產業製造的廢氣對大氣的影響與航空產業完全不同,遍及各層大氣,某些方面甚至更加嚴重。噴射引擎廢氣進入對流層後,很快就會經由降水落到地面;火箭引擎廢氣進入平流層後只能慢慢消散。廢氣在平流層逐年積聚,再加上最近四、五年來火箭頻繁發射和太空殘骸墜回地球所產生的廢氣。事實上,脆弱的臭氧層就位於平流層,相當接近火箭引擎廢氣積聚的區域。


太空旅行一向讓人既興奮又期待。高效能小型衛星、低軌道(LEO)衛星群、新火箭推進劑和月球資源開採等太空產業進展,帶動了21世紀的「新太空」成長。人類長久以來試圖把太空旅行變得像空中交通同樣普及,太空科技的進展可望實現這樣的雄心壯志,但這些新科技是否具備永續性?


火箭引擎廢氣和噴射引擎廢氣一樣,成份大多是二氧化碳和水蒸氣,現在已經相當清楚這兩類氣體對全球的效應。二氧化碳是「長效性」溫室氣體,將增加大氣的溫室氣體量;水蒸氣則是「短效性」溫室氣體。火箭引擎廢氣中的這兩類氣體,在航空產業中只佔了1%。另外某些少量排放物雖然目前造成的影響很小,但需要進一步研究。


固態火箭發動機(SRM)使用的氧化劑,是含有氯的過氯酸銨,氯對平流層的臭氧是最嚴重的威脅。20年前,美國航太總署(NASA)飛機進行的直接羽流採樣顯示,SRM產生的羽流導致明顯的臭氧層「小洞」,在火箭發射後持續數天之久。不過,含氯的羽流和全球平流層混合後,這些小洞就會消失。而且和惡名昭彰的氟氯碳化合物釋出的氯相比,SRM使用的過氯酸銨每年的釋出量不算多,影響時間也不長。換句話說,SRM氧化劑釋出的氯對臭氧層並不構成嚴重威脅。


科學家已經相當了解火箭排放的二氧化碳、水氣和氯對氣候與臭氧層的作用。相關研究指出,相較於其他污染源,這些影響算是輕微,而且常隱藏在全球大氣的雜訊中。即使火箭排氣量增加到10倍,影響仍舊相當小。不過火箭引擎廢氣中的某些物質可能產生明顯作用,也就是黑碳煙灰和氧化鋁微粒。


火箭的排氣羽流十分巨大。碳氫化合物燃料火箭引擎噴發的「火焰」,其實大部份是煙灰粒子在高熱羽流中氧化發出的白熾光。火箭引擎產生煙灰的過程相當複雜,不大容易了解。煙灰在充滿燃料的燃燒室、冷卻燃料的噴嘴壁和渦輪幫浦氣體產生器中形成,一部份在高熱羽流中燒毀。噴射引擎沒有這些複雜過程,相對乾淨。某幾種碳氫化合物燃料火箭引擎,燃燒每公斤燃料排放的煙灰比噴射引擎多出數百倍。噴射引擎偶爾才會飛到平流層,火箭則每次升空一定都會進入平流層。


煙灰對平流層有什麼影響?黑碳煙灰吸收日光的效果非常強。煙灰吸收的能量會轉移到周遭的空氣,黑碳煙灰成為了熱源,使平流層暖化,進而慢慢改變全球大氣循環。臭氧濃度和氣溫成反比,當平流層氣溫提高,臭氧層隨之變得稀薄。這些火箭排放的黑碳煙灰是否足以對大氣造成明顯效應?現在還不清楚,所需的氣候模型也正在建構中。


SRM產生的羽流比碳氫化合物燃料的更加巨大。SRM噴發的火焰,是來自噴嘴噴出的高熱氧化鋁微滴。SRM產生的羽流和排放物氯氣一樣會擴散,最後進入全球大氣,因此無論赤道或兩極,各處隨機取得的平流層空氣樣本都含有氧化鋁微粒。1990年代研究人員發現,破壞臭氧層的化學反應是如何在SRM噴出的氧化鋁微粒表面發生,但氧化鋁在破壞臭氧層中發揮的作用則尚不清楚。SRM當然也會排放破壞臭氧層的氯氣,因此關於SRM這兩種排放物破壞臭氧層的程度,科學家所知甚少。2018年世界氣象組織發表的〈臭氧破壞科學評估〉顯示,我們對臭氧層的了解不多,同時指出進一步研究已經「獲得批准」。


太空梭的SRM曾經是史上最大的固態火箭,而且大眾以為太空梭除役後,就再也不使用大型固態火箭。事實上,世界各地越來越多機構都在使用SRM。今年11月NASA的太空發射系統(Space Launch System)首次發射升空,此新一代大載重火箭約3.7公尺的SRM將成為史上最大的。但中國預計於2025年發射的火箭,配備了約4公尺的SRM。對平流層臭氧而言,SRM造成的破壞將越來越嚴重。


太空殘骸更麻煩

火箭離開大氣之後,太空污染並未就此結束。媒體經常報導最新的大型太空垃圾墜回地球,但和報導內容不同的是,墜回地球的殘骸不會完全「燒毀」。廢棄太空船的某些部份墜落時不會燒盡,而是掉落到地面。墜落的殘骸大多會燃燒成高熱氣體,但這些氣體很快又會凝固成細小的微粒。因此和發射過程一樣,明亮的羽流代表微粒形成。火箭升空時噴發的微粒,其化學成份比較簡單,太空殘骸墜回地球時產生的微粒,化學成份則相當複雜。推進劑槽、電腦、太陽能板和其他特殊材料汽化後,將在高度85公里左右形成微粒,接著向下飄流,與火箭升空時噴發的煙灰和氧化鋁一起積聚在平流層中。太空殘骸墜落和火箭發射一樣會產生「廢氣」。


低軌道衛星群包含了數千枚衛星,且規模逐漸擴大,其中衛星除役後都採用墜回地球後汽化的方式來處理。衛星群部署完成後,每年將有重達數百公噸的衛星需「收回」處理。這些殘骸大多會化成微粒,在中層大氣內飄浮。關於太空殘骸墜回地球時產生微粒的過程,以及微粒對氣候和臭氧的影響,科學家所知極少.....


# 關鍵字:太空科學火箭廢氣空汙
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