那些取得巨大成就的人常被告知要“追逐星辰”——太空旅行绝非易事。曾经是一个雄心勃勃的目标，仅限于拥有资金和技术来执行重大发射的政府实体，如今商业发射已主导太空，催生了一个相对较新、快速增长的行业。
“我认为我们在太空行业看到的许多趋势，从轨道上卫星数量的增加到有效载荷尺寸的减小，都可以用太空的快速商业化来解释，”太空基金会（The Space Foundation）的高级撰稿人Jeff Gardner说。
商业太空发射的成本
虽然维珍银河（Virgin Galactic）等公司发射的太空旅游任务吸引了很多关注，但大多数商业发射涉及将 GPS 卫星和其他互联网基础设施部署到轨道，从而促进地球上的数字通信。
Gardner 表示，自 2020 年以来，他看到了商业太空发射的显著增加。根据世界经济论坛（World Economic Forum）的2024 年报告，到 2035 年，商业太空经济的价值可能接近 1.8 万亿美元。
如此快速的技术进步可能会付出代价：新兴研究表明，火箭燃料排放可能对环境产生严重影响，专家们正开始着手解决如何在增长与可持续性之间取得平衡。
“现在，那里就像狂野西部。没有法规，公司可以决定发射多少次，”哥伦比亚大学研究气溶胶及其对大气影响的Kostas Tsigaridis说。“但这在未来是不可持续的。”
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火箭燃料如何产生碳排放？
当美国在 20 世纪 50 年代开始投资太空旅行时，全球公认的首选火箭燃料是煤油。它便宜、稳定且易于储存，在当时对世界上大多数航天国家来说都很熟悉且易于获得。
然而，煤油因其低效率而受到近期批评。使用煤油的火箭发动机通过燃烧碳产生二氧化碳来产生动力。虽然煤油相对便宜且易于获得，但很难实现完全氧化，或将所有碳转化为二氧化碳。这可能导致有害颗粒物的释放。
“碳的最不被氧化的形式之一是黑碳，”Tsigaridis说。“[这些原子]不够挥发，无法进入气相。因此它们仍然以颗粒相存在。”
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黑碳如何影响环境
黑碳比你想象的更常见——例如，你可能会在高速公路上汽车或卡车排放的尾气中看到它。然而，使黑碳在火箭燃料中特别有害的是 Tsigaridis 所描述的“注入高度”。当这些颗粒物释放到大气较低层时，它们会更快地被降水冲走。但当它们释放到平流层，地球表面几公里高的地方时，它们可以存活更长时间。
黑碳还会吸收光和热，这意味着它在平流层释放时会导致臭氧层消耗。如今，它被认为是全球变暖的主要原因之一，可能仅次于 CO2，是气候变化的主要驱动因素。
太空产业日益商业化导致每年发射次数增加。仅在 2024 年 1 月和 2 月就有 41 次成功发射，根据太空基金会的报告，这标志着“自太空时代开始以来的最快发射节奏”。到 5 月，SpaceX 已经进行了本年度的第 50 次发射。
然而，煤油仍然是该行业的默认燃料，因此发射次数的增加带来了更多的黑碳排放。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的2022 年的一项研究，如果黑碳排放量以每年 1,000 吨的速度持续下去，未来几十年内平流层的温度可能会升高 2.5 华氏度以上。
而且，由于现在大多数太空发射都是由私营公司进行的，因此通过国内或国际政策来减少每年的发射次数变得越来越困难。
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更环保的燃料替代品
为了寻找更有效的替代品，Tsigaridis 和 Gardner 表示，该领域的专家们已经开始探索比煤油更少产生颗粒物的火箭燃料类型。
一种解决方案可能是改用甲烷燃料而非煤油。Tsigaridis 表示，它的氧化比煤油或其他碳氢化合物更容易，因此效率更高——但任何碳氢燃料仍会产生一些黑碳。如果该行业从煤油转向甲烷作为其默认燃料，那可能是在遥远的未来。
“创造一种不产生任何黑碳的火箭燃料的唯一现实方法是根本不使用碳，”Tsigaridis补充道。
液氢是另一种流行的燃料选择，它长期以来一直用于公共和私人太空发射，从 1969 年将人类送上月球的标志性阿波罗 11 号任务到 NASA 最近的阿尔忒弥斯任务。它在空气质量方面要好得多——但生产液氢可能是一个非常依赖化石燃料的过程，并带来一些工程挑战。
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其他环保解决方案
最近，NASA 与洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）签约，开始开发核裂变动力火箭发动机。核动力发动机的效率预计将是传统发动机的五倍，这意味着它们可能足够强大，能够将人类任务送往火星。根据一份新闻稿，NASA 最早可能在 2027 年测试核动力航天器。
随着公共和私营实体都在竞相开发更清洁的太空旅行技术，人们越来越希望商业太空部门能够在没有政府干预的情况下减少排放。
尽管如此，短期内，实现全行业范围内的燃料类型转换仍然是一个宏伟的目标。“目前还没有一种新的燃料类型，无论是在经济上还是在时间上，能够超越目前正在积极使用的现有煤油或氢气，”Gardner说。
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文章来源
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世界经济论坛。太空：全球经济增长的 1.8 万亿美元机遇
Journal of Cleaner Production（《清洁生产杂志》）。太空发射排放的环境影响：一项综合性回顾
气候与能源解决方案中心。什么是黑碳
太空基金会。《太空报告 2024 年第一季度》发现美国太空劳动力增长，2024 年发射速度创纪录，商用和民用航天器技术实现飞跃
JGR Atmospheres（《JGR 大气》）。全球火箭发射产生的黑碳排放对气候和臭氧的影响
