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德國研究人員正在高溫等離子體風洞中熔化衛星碎塊，模擬空間碎片在地球大氣層中燃燒的過程。隨著當前近地軌道在軌物體數量激增，這些測試揭示了衛星再入大氣層的相關變化趨勢。
全球僅有少數設施具備開展這類再入模擬測試的能力，德國研究團隊使用的就是其中之一。研究人員尤其發出警示：衛星再入產生的灰燼會殘留在高層大氣中，可能加劇臭氧損耗，同時改變大氣的熱平衡。
根據歐洲空間局去年發布的《空間環境報告》，每天都有至少3顆大型衛星或廢棄火箭級在地球大氣層中焚毀。每年有數百噸人造物體再入大氣層后汽化，除少量殘骸最終墜落地表外，還會留下大量超細灰燼云。
研究人員表示，迄今為止，衛星灰燼總量以及墜入地球的人造物體數量尚且處于相對較低水平。但如今近地軌道發射活動迅猛增長，將導致再入大氣層的太空垃圾規模持續上升。
歐洲空間局數據顯示，截至6月，環繞地球運行的在用與報廢衛星約有18000顆。SpaceX、Blue Origin等企業計劃在未來十年發射數十萬顆衛星，其中還包括大型軌道數據中心。中國同樣計劃今年完成最多140次發射，并已向國際電信聯盟提交宏大規劃，擬持續發射衛星，搭建本國巨型衛星星座以及軌道數據中心集群。
由于目前絕大多數衛星的設計換代周期為5年，可預見的未來，將有數萬噸老舊航天器在地球大氣層中汽化焚毀。
需要明確的是，目前進入大氣層的太空巖石總量，仍遠超再入的太空垃圾總量。據估算，每天約有44噸太空巖石進入大氣層，其中絕大多數會在大氣中燃燒殆盡。但太空巖石與人造衛星的化學成分截然不同：太空巖石主要成分為硅，僅含少量鎳、鐵等金屬；而太空垃圾的核心材質是鋁和鈦。
德國斯圖加特大學航天系統研究所的博士研究生Fabian Hufgard表示：“衛星壽終焚毀后，并不會徹底消失。它們仍以鋁質微粒的形式留存在大氣中，而我們目前還不清楚這些微粒究竟會對大氣產生怎樣的影響。”
Hufgard所在研究團隊利用等離子體風洞，模擬衛星螺旋墜向地球、解體燃燒最后階段的環境條件。地面觀測與機載觀測數據顯示，衛星絕大部分焚毀過程發生在海拔60至80公里區間。這一高度超出氣球和飛機的飛行上限，同時又低于在軌衛星的探測軌道，迄今為止，針對太空碎片的化學與物理特性開展實測難度極大。
研究人員正結合計算機建模、遠距離觀測以及實驗研究，填補這一觀測空白。
Hufgard表示：“衛星數量持續攀升，最終再入大氣層的衛星規模將會達到臨界水平，屆時或將引發一系列環境后果。”
太空碎片的大氣化學效應測試
大氣研究人員擔憂，衛星焚毀后釋放的鋁會形成氧化鋁（又稱礬土）。已知氧化鋁會引發臭氧損耗，還會反射太陽光，可能改變地球高層大氣的熱平衡。由于這些化學物質的釋放高度極高，相比近地表排放的大氣污染物，大氣要清除它們的難度要大得多。
斯圖加特大學研究團隊的博士研究生Dominic Künstler表示：“我們通常不會向大氣的這一區域排放任何物質。航空飛行會產生大量排放，但都發生在高度低得多的區域，那里的大氣環流更活躍，污染物更容易被稀釋。而高層大氣的封閉性要強得多，物質交換極慢。”
除此之外，還存在另一重風險：部分衛星碎片可能在穿越大氣層的灼熱下落過程中未被完全焚毀，墜地后造成財產損失，甚至威脅人身安全。
同為斯圖加特大學博士研究生的Clemens Müller表示，目前地面人員被太空碎片擊中的風險極低。但隨著衛星再入數量不斷增長，整體風險將持續上升。
Müller表示：“在歐洲，發射衛星前必須證明，衛星碎片在再入過程中存活落地的概率不超過萬分之一。但很顯然，如果有1萬顆衛星，就會有極高概率出現至少一顆衛星的碎片存活落地。因此現有監管規則需要更加嚴格。”
例如SpaceX公司聲稱，其星鏈（Starlink）衛星在再入過程中會完全焚毀。但部分研究人員對這一說法提出質疑。衛星的部分部件，包括推進劑貯箱、反作用輪等，由鈦等高熔點耐用金屬制成；與鋁不同，這類金屬在再入過程中不太可能完全熔化。
2024年3月發生的一樁事件，暴露出人類目前在航天器大氣再入領域存在大量認知空白：一塊從國際空間站拋出的電池托架殘骸擊穿了美國佛羅里達州一處民宅的屋頂。事發之前，美國國家航空航天局（NASA）曾宣稱，這款由Inconel鎳基特種合金打造的電池托架將在再入過程中徹底焚毀。
Müller介紹，事件發生后，斯圖加特大學研究團隊取了一個材質相同的Inconel合金圓筒，放入風洞開展模擬再入環境試驗。結果顯示，該試樣并未熔化。
“我們向其施加了極高的熱流密度，但幾乎無法將它熔化。”Müller表示，“也就是說，無論沿著哪條軌跡墜落，這類部件都不可能在再入過程中燒盡。”
等離子體風洞升溫試驗：揭秘太空碎片再入焚毀機制
目前還沒有任何一座等離子體風洞的尺寸足以對整顆衛星開展熔融試驗，因此斯圖加特大學的研究人員只能單獨測試衛星零部件或是標準衛星材料試樣，以此還原再入過程中發生的變化。
再入大氣層的衛星以約8千米/秒的速度穿行在密度不斷升高的高層大氣中。星體與周邊空氣摩擦產生高溫，溫度可超過1600攝氏度。
Müller表示，現階段風洞還無法復現持續足夠時長、能夠熔化衛星殘骸的等離子體高速氣流。為此研究團隊采用折中方案：氣流速度最高只設置到3千米/秒，同時依靠鎢陰極與銅陽極之間產生的電弧額外補充熱量。
Müller說：“我們設備的電功率最高可達6兆瓦，工作電流能達到2000安培。風洞內等離子體溫度可升至5000至8000攝氏度，因此必須持續向洞壁通入冷卻水，否則風洞本體構件會瞬間熔化。”
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在IEEE Spectrum現場觀摩的試驗過程中，研究團隊熔化了一塊100克重的7075鋁合金圓柱試樣。7075合金是制造衛星殼體的常用材料，含有微量鋅、鉻與鎂元素。
試樣在灼熱的等離子氣流中經受約6.5分鐘加熱，溫度達到600攝氏度后，熔化成大量液滴逐步消融。
Hufgard表示：“這是目前條件下，能夠最大程度復現固態鋁塊在大氣再入過程中真實變化的試驗手段。”
他補充道，現階段還無法完整模擬衛星從燃燒直至化為灰燼的全過程。在風洞試驗中，鋁熔滴一旦從試樣上脫落，就會落在水冷試驗臺面上，自然冷卻。而真實再入場景下，熔融鋁液會持續穿行在密度不斷增大的大氣中，持續與周圍氣體發生反應并釋放熱量，最終完全轉化為氣態物質與金屬微粒。
Künstler表示，研究團隊正在研發試驗方案，用以模擬再入過程的后續階段。這一階段會生成具備潛在危害的污染物，并可能在高層大氣不斷累積。通過分析過往衛星再入觀測數據，研究人員已經掌握各個再入階段應當生成的化合物種類。團隊嘗試將鋁合金粉末懸浮于等離子氣流中，在風洞內復現與之匹配的發射光譜。
Künstler說：“我們在機載觀測中捕捉到了鋁原子與一氧化鋁對應的發射光譜，因此我們正在搭建試驗裝置，力求得到相似的光譜信號。我們希望讓鋁達到汽化狀態，再觀測它與氧氣發生反應的過程。”
研究人員仍在持續評估持續增多的焚毀衛星會對地球造成何種具體影響。部分模型預測，再入過程會大量生成具有臭氧破壞效應的氧化鋁；但另有模型顯示，最終產物更有可能是危害性相對更低的氫氧化鋁。
“厘清鋁最終會形成哪一類微粒至關重要，”Künstler表示，“目前我們的研究僅僅邁出了第一步。”
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