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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另一個觀察是六年前高雄的馬頭山事件,當時有一家事業廢棄物處理公司看上了馬頭山,提出環境影響評估報告,結論說這是片生態貧瘠又沒地下水滲漏疑慮的適當掩埋場。生態學界一片譁然,動、植物學者聯手深入調查,證實這是份虛假的評估報告,三年後適時制止了此開發案。亞新總裁莫老先生慨然同意環境影響評估之不易與重要,再三訓示年輕同事們務必不得草率。
45年前台灣的環保意識薄弱,學術界的研究經費又極為拮据,確實做不了多少事。然而這些年來生態界人才輩出,我們對自然的了解早已由鑑定物種深化到分子細胞與體系分析的境界,〈微觀珊瑚共生〉就是個好範例。
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目錄
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