用木头打造的卫星,会成为太空垃圾的「救星」吗?

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01-12 21:03

最近,日本公司住友林业正在和京都大学合作,联手研发一种新型卫星「LignoSat」,并计划在 2023 年将其发射升空。

它的最大特点,在于会使用木质材料,来打造卫星的外壳。

▲ 木质卫星概念图。图片来自:住友林業

目前,绝大多数卫星外壳采用的都是铝合金、钛合金或是碳纤维等复合材料,以确保内部元器件能够在极端环境下正常运作。

可一旦卫星完成了任务,或是超过使用年限,很可能就被直接抛弃,变成漂浮在近地轨道上的「太空垃圾」。

用木头材料造出来的卫星,又会有什么不同?

参与该项目的前日本宇航员、京都大学教授土井隆雄接受 BBC 采访时就表示,现在卫星离轨,重新返回大气层焚毁时,会分散成许多微小的氧化铝颗粒,时间一长,这些颗粒就会影响到地球的环境。

木制卫星便不存在这种污染隐患,而且相比各类金属,木质材料也能更轻易地被大气层焚毁,不会产生大块碎片,对地面带来威胁。

此外,日经亚洲也提到了「木头卫星」的一点好处,那就是有利于通信。因为木材本身不会像金属一样阻断信号,而是可以直接让电磁波穿过,如此一来,卫星的天线就可以放置在内部,加上木材本身也更轻,卫星就能设计得更小巧、更紧凑。

根据住友林业公司官方说法,现在该项目正处于研究阶段,之后才会进展到卫星设计的部分。其中住友林业会主要负责木质材料在太空中的应用,同时开发出耐高温的木质材料。

土井隆雄的研究报告:在真空环境下,不同木材的力学特性会随时长而发生变化

与此同时,住友林业的合作伙伴京都大学,则会主导测试环节,以验证木材能否经受住各种极端场景下的考验。比如说在真空环境下,木材的力学性质,以及在低重力和低压力下,树木的生长研究。

这里顺带提一句日本的住友林业公司。它并非是普通的建材开发商,而是一家日本的百年老厂。它在 1991 年就成立了专门的研究所,以木质材料为核心,研究它在各个领域的应用可行性。

▲ 住友林业的 w350 计划,建造一栋 70 层的木质摩天大楼

除了想到用木材造卫星外,早前我们也报道过,住友林业计划在 2041 年前,建造一栋高 350 米,拥有 70 层的「木质摩天大楼」,可以说是另一个大胆构想。

如果本次卫星计划顺利完成,其成果也将对住友林业的造楼项目带来帮助。

让木头变得和金属一样坚硬

木材是人类最早接触到的材料之一,也是我们能够从大自然获取到的少数几种、能够不断再生的资源。进一步挖掘出它的价值和潜力,受益的将远远不止于建筑、家具等传统范畴。

2018 年,马里兰大学的科研人员发表了一项研究,成功地让块状的天然木材转变成高性能结构材料,基本达到了和金属一样坚硬。

▲ 硬度能够与传统金属材料相媲美的超级木头。图片来自:nzgeo

据当时《自然》杂志报道称,科研人员先是通过将木材倾倒在浓缩的过氧化氢液体中,然后煮沸,以去除掉木质材料里的部分木质素和纤维素,再进行超高温的机械热压,将木材致密化,使其密度达到了原来的 3 倍,但硬度却提升了 10 倍之多。

▲ 未经处理的木材和致密化后的木材对比

经测试,处理过后的「超级木头」,具备了和大多数结构金属和合金相当的强度。研究团队还尝试用高速钢柱,去射击木头,其中未经处理的木头被完全击穿;超级木头则有效减缓了射速;至于叠加了多层的超级木头,更是进一步将圆柱卡在了内部。

这也证明,通过结构成分的改进,我们的确可以赋予木材更丰富的性能,甚至是开发出新的特性。

超级木头的另一优势在于成本。按照科研人员的说法,对比同等厚度的凯夫拉纤维板材,超级木头的防护能力会稍弱,但成本只有凯夫拉的 5% 左右,如果应用在建筑、交通等领域,费用无疑会得到大幅降低。

新的木质卫星也是如此,将外壳由航空材料换成新型木材,同样可以大大降低制造成本,减轻重量,缩小体积。

但对于要发射到外太空的卫星而言,只是硬度达标了,可能还无法满足其要求。我们最常说的,还有耐高低温性能,耐腐蚀,以及更长的使用寿命等,这些仍然需要实际测试来验证。

现在的太空垃圾有多严重

随着越来越多的卫星被发射到近地轨道中,太空垃圾已经成为一个日益严重的问题。

有人就比喻说,世界上最大的垃圾场并不在地球上,而是在近地轨道中。

这也和卫星发射的流程有关。火箭从发射中心发射,然后逐级助推,用光燃料的一级、二级助推器就会与火箭本体分离,重新掉落到地球表面,有的就直接在稠密大气层内被烧掉。

然而,也有相当一部分火箭残骸,或者整流罩,被留在了外太空上,无法得到处理,也就成了我们口中的「太空垃圾」。

那么,本次日本设想的木质卫星,能否缓解「太空垃圾」的问题?一部分航天爱好者依旧持否定态度。

在他们看来,木质卫星的优点在于低成本,以及易焚毁,不会留下有害元素,不过后两点优势,只有在脱轨后进入大气层时才能体现出来。

可如果卫星本身无法主动脱轨,木质卫星依旧会成为太空垃圾的一部分。

试想一下,一个堪比航空材料硬度的木头,以轨道速度飞行,它的撞击力其实和铝合金没什么区别,这就和飞机撞鸟是一个道理。

如何让卫星主动、被动的离轨,节省出轨道资源,依旧是现在处理太空垃圾的主要手段,还有像 SpaceX 发展的火箭回收技术,则是避免产生更多的太空垃圾。

去年,中国的嫦娥 5 号就有一个「受控离轨落月」的过程,让送回月样的上升器主动坠毁于月球表面,避免它占用轨道成为太空垃圾,影响后续人类的探月计划。

而那些无法再移动的残骸,就只能靠外力来解决。2018 年,欧洲航天局主导的一项 RemoveDEBRIS 项目,便尝试用「太空捕鱼网」来捕捉轨道上的残骸,使其脱离轨道进入大气层。

2016 年,日本的「鹤」号垃圾收集器,还尝试则是靠一条金属锁链吸附残骸,使其减速脱轨。

总体来说,目前太空垃圾的清理方案有不少了,可成效显著的并不多。

毕竟,即使有了合适的技术,这类项目往往还面临着另一个难题,那就是成本。现阶段,比起处理垃圾,大多数太空项目还是更愿意把钱花在科研探索等目的上,它代表的是国家实力的象征,也是商业冒险的新契机。

根据统计,截止到今天,近地轨道上的太空垃圾碎片已经超过了 1 亿块,其中绝大部分只有厘米宽的,根本无法被追踪。

可就算碎片只有 1 厘米长,当它的轨道飞行时速达到上万公里时,仍会给航天飞机,或者正在运行的卫星,带来相当可怕的破坏力。所以,现在很多航天飞行器都会设计额耐冲击的屏蔽罩,保护设备本体。

在未来,如果木质卫星想要成功运作,同样得考虑屏蔽设计的问题。

另一方面,地球表面也还会有越来越多的卫星发射出去。MIT 的报告显示,预计到 2025 年,每年从地球上发往太空的卫星将达到 1100 颗,而在 2018 年,新发射的卫星数量仅为 360 颗左右。

1978 年,天体物理学家唐纳德·凯斯勒(Donald Kessler)提到过一种假设。他认为如果近地轨道上存在过多的飞行物,最终就会因一次撞击,引发连环撞击,而无数的碎片便会在地球周围形成「垃圾带」,导致人类再也无法将航天器发射到太空上。

如今,这一假设也被称为「凯斯勒效应」,若是不想让太空垃圾变成地球的「牢笼」,人类迟早都得正视这些问题。

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