等离子体风洞揭示报废卫星坠落地球的过程

# 融化卫星揭示太空碎片的毒物秘密 来源：https://spectrum.ieee.org/space-debris-atmosphere-burn-up 德国（https://spectrum.ieee.org/tag/germany）的研究人员正在高温等离子体（https://spectrum.ieee.org/tag/plasma）风洞中融化卫星（https://spectrum.ieee.org/tag/satellites）碎片，模拟太空碎片在地球大气层中燃烧的过程。这些测试揭示了卫星再入趋势的相关信息，如今低地球轨道上的物体数量正在激增（https://sdup.esoc.esa.int/discosweb/statistics/）。 全球只有少数设施能够进行像德国研究人员所做的再入模拟测试。研究人员特别担心，再入后残留在高层大气中的灰烬可能会加剧臭氧层消耗（https://news.agu.org/press-release/satellite-megaconstellations-burn-deplete-ozone/），并在此过程中改变大气的热平衡。 根据欧洲航天局去年发布的《太空环境报告》（https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/ESA_Space_Environment_Report_2025），每天至少有三颗大型卫星或已使用的火箭级在地球大气层中燃烧殆尽。每年有数百吨人造物体再入大气层并蒸发，留下一团团微观灰烬，以及一些偶然落至地面的碎片。 研究人员表示，目前撞击地球的卫星灰烬和人造物体数量相对较低。然而，低地球轨道（https://spectrum.ieee.org/tag/low-earth-orbit）发射数量的快速增长，现在可能威胁到再入大气层的太空垃圾（https://spectrum.ieee.org/tag/space-junk）水平。 根据欧空局（https://spectrum.ieee.org/tag/esa）的数据，截至今年6月，约有18000颗运行中和报废的卫星（https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/Space_debris_by_the_numbers）绕地球运行。像SpaceX（https://spectrum.ieee.org/tag/spacex）和蓝色起源（https://spectrum.ieee.org/tag/blue-origin）这样的公司计划在未来十年发射数十万颗卫星，包括庞大的轨道数据中心（https://spectrum.ieee.org/orbital-data-centers）。中国（https://spectrum.ieee.org/tag/china）今年也计划进行多达140次发射（https://spacenews.com/china-conducts-pair-of-long-march-launches-for-thousand-sails-and-guowang-megaconstellations/），并向国际电信联盟（https://www.itu.int/en/Pages/default.aspx）提交了雄心勃勃的计划，以期发射更多卫星，组建自己的巨型星座以及轨道数据中心舰队（https://www.space.com/space-exploration/satellites/china-joins-race-to-develop-space-based-data-centers-with-5-year-plan）。 由于目前大多数卫星的设计寿命均为每五年更换一次（https://www.space.com/spacex-starlink-reentry-pollution-damage-earth-atmosphere），在可预见的未来，数万吨旧航天器可能会在地球大气层中汽化。 同时，需要明确的是，目前每天进入大气层的太空岩石（https://spectrum.ieee.org/tag/space-rocks）数量仍超过再入的太空垃圾。据估计，每天约有44吨（https://science.nasa.gov/solar-system/meteors-meteorites/facts/）太空岩石进入大气层，其中大部分燃烧殆尽。但太空岩石与卫星在化学性质上截然不同。太空岩石主要由硅组成，含有少量镍（https://spectrum.ieee.org/tag/nickel）和铁等金属，而太空垃圾（https://spectrum.ieee.org/kessler-syndrome-space-debris）的主要成分是铝和钛（https://spectrum.ieee.org/tag/titanium）。 “当一颗卫星解体时，它并不会消失，”德国斯图加特大学（https://www.uni-stuttgart.de/en/）空间系统研究所（https://www.irs.uni-stuttgart.de/en/）的博士生研究员Fabian Hufgard（https://www.irs.uni-stuttgart.de/en/institute/team/Hufgard-00001/）说。“它仍然以铝微粒的形式存在于大气中，而我们不知道这些微粒实际上在大气中会有什么影响。” Hufgard是一个研究小组（https://www.instagram.com/hefdig/）的成员，该小组利用等离子体风洞再现卫星在螺旋返回地球过程中解体燃烧的最后阶段。地面和飞机上的观测表明，大部分破坏发生在60到80公里的高度——气球和飞机无法到达，但卫星也无法采样。迄今为止，测试太空碎片的化学和物理性质极其困难。 研究人员正通过计算机建模（https://spectrum.ieee.org/tag/computer-modeling）、远程观测和实验研究的结合来缩小这一差距。 “我们看到卫星数量持续增长，最终，再入大气层的卫星数量将多到可能开始产生后果的地步，”Hufgard说。 ### 测试太空碎片的大气化学 大气研究人员担心，焚烧卫星产生的铝会形成氧化铝（https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxide）。氧化铝（又称矾土）已知会引发臭氧层消耗并反射阳光（https://news.agu.org/press-release/satellite-megaconstellations-burn-deplete-ozone/），可能改变地球高层大气的热平衡。由于这些化学物质在极高海拔释放，大气层清除它们的难度远大于清除靠近地表排放的空气污染（https://spectrum.ieee.org/tag/air-pollution）。 “我们通常不会向那个大气区域注入任何东西，”斯图加特小组的博士生Dominic Künstler（https://www.researchgate.net/profile/Dominik-Kuenstler-2）说。“我们通过航空旅行产生大量排放物，但那发生在低得多的海拔，空气循环更好。高层大气要孤立得多。” 此外，还存在卫星碎片在炽热的大气下降过程中幸存下来的危险，可能对财产造成损害，甚至危及人类生命。 斯图加特的另一位博士生Clemens Müller（https://www.linkedin.com/in/clemens-m%C3%BCller-545683190/）表示，目前地面上的人被太空碎片击中的风险非常低。然而，随着卫星再入数量的增加，总体风险将会上升。 “在欧洲，如果你想发射一颗卫星，你必须证明其碎片在再入过程中幸存下来的概率不超过万分之一，”Müller说。“但显然，如果你有10,000颗卫星，那么其中一颗幸存下来的概率就会非常高。所以规则需要更严格。” 例如，SpaceX（https://spectrum.ieee.org/tag/spacex）声称其星链（https://spectrum.ieee.org/tag/starlink）卫星在再入过程中完全燃烧。然而，一些研究人员对此提出质疑。卫星的某些部件，包括燃料箱和反作用轮，由钛等耐用金属制成，与铝不同，这些金属在再入过程中不太可能完全熔化。 2024年3月（https://www.space.com/object-crash-florida-home-iss-space-junk-nasa-confirms）发生的一件事揭示了当前对大气再入认识的不足：一块从国际空间站（https://spectrum.ieee.org/tag/international-space-station）丢弃的电池托盘碎片击穿了佛罗里达州一所房屋的屋顶。在此之前，美国宇航局（https://spectrum.ieee.org/tag/nasa）声称这块由名为因科镍合金（https://en.wikipedia.org/wiki/Inconel）的专有镍基合金制成的电池托盘会完全烧毁（https://www.nasa.gov/blogs/spacestation/2024/04/15/nasa-completes-analysis-of-recovered-space-object/）。 Müller说，在该事件发生后，斯图加特团队取了一个类似的因科镍合金圆柱体，并在模拟再入条件的风洞中进行了测试。结果它并没有熔化。 “我们对其施加了非常非常高的热流，但几乎不可能熔化它，”Müller说。“所以，基本上，无论这块碎片以何种轨迹下落，它都没有机会解体。” ### 对太空碎片施加等离子体风洞的高温 目前还没有任何现有的等离子体风洞大到足以融化一整颗卫星，因此斯图加特的研究人员燃烧单个卫星部件或标准卫星材料碎片，以了解再入过程中会发生什么。 再入的卫星以大约8公里/秒的速度冲入逐渐变厚的高层大气。卫星本体与周围空气之间的摩擦产生热量，温度可达1600℃以上。 Müller表示，目前不可能在风洞中长时间重现如此高的等离子体速度来融化卫星碎片。因此，团队使用较慢的流动速度（最高3公里/秒），并通过在钨（https://spectrum.ieee.org/tag/tungsten）阴极和铜阳极之间产生的电弧来增加额外热量。 “我们可以达到6兆瓦的电功率，”Müller说。这会产生“2000安培的电流。风洞中的等离子体可达5000至8000℃，因此我们必须不断用水泵将水通过风洞壁。否则部件会瞬间熔化。” 从100克铝合金圆柱体上熔化下来的金属球。在卫星再入的实验室模拟中，铝合金圆柱体在等离子体风洞测试中被熔化，以揭示对大气可能存在的长期影响。HEFDiG 在**IEEE Spectrum**目睹的实验过程中，该团队熔化了100克的7075铝合金（https://en.wikipedia.org/wiki/7075_aluminium_alloy）圆柱体，这种材料常用于制造卫星主体，含有微量的锌（https://spectrum.ieee.org/tag/zinc）、铬和镁（https://spectrum.ieee.org/tag/magnesium）。 在炽热的等离子流中约6.5分钟后，当温度升至600℃时，该圆柱体以大滴的形式熔化脱落。 “这是你能最接近地复制一块固体铝在大气中行为的方法，”Hufgard说。 他补充道，目前还不可能模拟卫星从燃烧到灰烬的整个过程。一旦铝滴在风洞的圆柱体中脱落，它们会落在水冷床上，自然冷却。在真实的再入过程中，熔化的铝会继续在变厚的空气中飞行，进一步与周围气体反应，产生热量，直到只剩下气体和金属尘埃。 Künstler说，团队正在开发模拟再入过程后期阶段的方法，这些阶段会留下可能危险的污染物，并积聚在高层大气中。通过研究以往的再入观测结果，研究人员知道每个再入阶段应该产生哪些化学化合物。然后团队尝试在风洞中利用悬浮在等离子流中的铝合金粉末重现相同类型的发射光谱。 “在机载观测中，我们发现了原子铝和一氧化铝的发射光谱，因此我们正在尝试找到一种实验装置来获取类似的信号，”Künstler说。“我们想把这种铝带到蒸发点，然后观察它如何与氧气反应。” 研究人员仍在评估日益增多的焚烧卫星对地球的具体影响。一些模型显示，消耗臭氧层的氧化铝可能会大量产生。然而，其他模型表明，可能产生危害较小的氢氧化铝。 “找出铝会产生哪种类型的颗粒非常重要，”Künstler说。“这仅仅是第一步。”