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  未來空污 火箭廢氣(科學人雜誌第230期)
書籍基本資料
BOOKID： 927280 類別： 期刊  
條碼: 4719025006077   ISBN： 4719025006077  
出版商: 遠流   作者：  
出版日期 2021 年   譯者：  
定價： 280 售價： 252
    特價： 100
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未來空污：火箭廢氣

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。

撰文／羅斯（Martin N. Ross）、大衛（Leonard David）
翻譯／甘錫安

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。

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...
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