用木頭打造的衞星,會成為太空垃圾的「救星」嗎?

愛範兒 於 13/01/2021 發表 收藏文章

最近,日本公司住友林業正在和京都大學合作,聯手研發一種新型衞星「LignoSat」,並計劃在 2023 年將其發射升空。

它的最大特點,在於會使用木質材料,來打造衞星的外殼。

▲ 木質衞星概念圖。圖片來自:住友林業

目前,絕大多數衞星外殼採用的都是鋁合金、鈦合金或是碳纖維等複合材料,以確保內部元器件能夠在極端環境下正常運作。
可一旦衞星完成了任務,或是超過使用年限,很可能就被直接拋棄,變成漂浮在近地軌道上的「太空垃圾」。

用木頭材料造出來的衞星,又會有什麼不同?

參與該項目的前日本宇航員、京都大學教授土井隆雄接受 BBC 採訪時就表示,現在衞星離軌,重新返回大氣層焚燬時,會分散成許多微小的氧化鋁顆粒,時間一長,這些顆粒就會影響到地球的環境。

木製衞星便不存在這種污染隱患,而且相比各類金屬,木質材料也能更輕易地被大氣層焚燬,不會產生大塊碎片,對地面帶來威脅。


此外,日經亞洲也提到了「木頭衞星」的一點好處,那就是有利於通信。因為木材本身不會像金屬一樣阻斷信號,而是可以直接讓電磁波穿過,如此一來,衞星的天線就可以放置在內部,加上木材本身也更輕,衞星就能設計得更小巧、更緊湊。

根據住友林業公司官方説法,現在該項目正處於研究階段,之後才會進展到衞星設計的部分。其中住友林業會主要負責木質材料在太空中的應用,同時開發出耐高温的木質材料。

土井隆雄的研究報告:在真空環境下,不同木材的力學特性會隨時長而發生變化

與此同時,住友林業的合作伙伴京都大學,則會主導測試環節,以驗證木材能否經受住各種極端場景下的考驗。比如説在真空環境下,木材的力學性質,以及在低重力和低壓力下,樹木的生長研究。

這裏順帶提一句日本的住友林業公司。它並非是普通的建材開發商,而是一家日本的百年老廠。它在 1991 年就成立了專門的研究所,以木質材料為核心,研究它在各個領域的應用可行性。

▲ 住友林業的 w350 計劃,建造一棟 70 層的木質摩天大樓

除了想到用木材造衞星外,早前我們也報道過,住友林業計劃在 2041 年前,建造一棟高 350 米,擁有 70 層的「木質摩天大樓」,可以説是另一個大膽構想。

如果本次衞星計劃順利完成,其成果也將對住友林業的造樓項目帶來幫助。

讓木頭變得和金屬一樣堅硬

木材是人類最早接觸到的材料之一,也是我們能夠從大自然獲取到的少數幾種、能夠不斷再生的資源。進一步挖掘出它的價值和潛力,受益的將遠遠不止於建築、傢俱等傳統範疇。

2018 年,馬里蘭大學的科研人員發表了一項研究,成功地讓塊狀的天然木材轉變成高性能結構材料,基本達到了和金屬一樣堅硬。

▲ 硬度能夠與傳統金屬材料相媲美的超級木頭。圖片來自:nzgeo

據當時《自然》雜誌報道稱,科研人員先是通過將木材傾倒在濃縮的過氧化氫液體中,然後煮沸,以去除掉木質材料裏的部分木質素和纖維素,再進行超高温的機械熱壓,將木材緻密化,使其密度達到了原來的 3 倍,但硬度卻提升了 10 倍之多。

▲ 未經處理的木材和緻密化後的木材對比

經測試,處理過後的「超級木頭」,具備了和大多數結構金屬和合金相當的強度。研究團隊還嘗試用高速鋼柱,去射擊木頭,其中未經處理的木頭被完全擊穿;超級木頭則有效減緩了射速;至於疊加了多層的超級木頭,更是進一步將圓柱卡在了內部。


這也證明,通過結構成分的改進,我們的確可以賦予木材更豐富的性能,甚至是開發出新的特性。

超級木頭的另一優勢在於成本。按照科研人員的説法,對比同等厚度的凱夫拉縴維板材,超級木頭的防護能力會稍弱,但成本只有凱夫拉的 5% 左右,如果應用在建築、交通等領域,費用無疑會得到大幅降低。

新的木質衞星也是如此,將外殼由航空材料換成新型木材,同樣可以大大降低製造成本,減輕重量,縮小體積。

但對於要發射到外太空的衞星而言,只是硬度達標了,可能還無法滿足其要求。我們最常説的,還有耐高低温性能,耐腐蝕,以及更長的使用壽命等,這些仍然需要實際測試來驗證。

現在的太空垃圾有多嚴重

隨着越來越多的衞星被髮射到近地軌道中,太空垃圾已經成為一個日益嚴重的問題。

有人就比喻説,世界上最大的垃圾場並不在地球上,而是在近地軌道中。

這也和衞星發射的流程有關。火箭從發射中心發射,然後逐級助推,用光燃料的一級、二級助推器就會與火箭本體分離,重新掉落到地球表面,有的就直接在稠密大氣層內被燒掉。

然而,也有相當一部分火箭殘骸,或者整流罩,被留在了外太空上,無法得到處理,也就成了我們口中的「太空垃圾」。


那麼,本次日本設想的木質衞星,能否緩解「太空垃圾」的問題?一部分航天愛好者依舊持否定態度。

在他們看來,木質衞星的優點在於低成本,以及易焚燬,不會留下有害元素,不過後兩點優勢,只有在脱軌後進入大氣層時才能體現出來。


可如果衞星本身無法主動脱軌,木質衞星依舊會成為太空垃圾的一部分。

試想一下,一個堪比航空材料硬度的木頭,以軌道速度飛行,它的撞擊力其實和鋁合金沒什麼區別,這就和飛機撞鳥是一個道理。

如何讓衞星主動、被動的離軌,節省出軌道資源,依舊是現在處理太空垃圾的主要手段,還有像 SpaceX 發展的火箭回收技術,則是避免產生更多的太空垃圾。


去年,中國的嫦娥 5 號就有一個「受控離軌落月」的過程,讓送回月樣的上升器主動墜毀於月球表面,避免它佔用軌道成為太空垃圾,影響後續人類的探月計劃。

而那些無法再移動的殘骸,就只能靠外力來解決。2018 年,歐洲航天局主導的一項 RemoveDEBRIS 項目,便嘗試用「太空捕魚網」來捕捉軌道上的殘骸,使其脱離軌道進入大氣層。


2016 年,日本的「鶴」號垃圾收集器,還嘗試則是靠一條金屬鎖鏈吸附殘骸,使其減速脱軌。

總體來説,目前太空垃圾的清理方案有不少了,可成效顯著的並不多。

畢竟,即使有了合適的技術,這類項目往往還面臨着另一個難題,那就是成本。現階段,比起處理垃圾,大多數太空項目還是更願意把錢花在科研探索等目的上,它代表的是國家實力的象徵,也是商業冒險的新契機。

根據統計,截止到今天,近地軌道上的太空垃圾碎片已經超過了 1 億塊,其中絕大部分只有釐米寬的,根本無法被追蹤。


可就算碎片只有 1 釐米長,當它的軌道飛行時速達到上萬公里時,仍會給航天飛機,或者正在運行的衞星,帶來相當可怕的破壞力。所以,現在很多航天飛行器都會設計額耐衝擊的屏蔽罩,保護設備本體。

在未來,如果木質衞星想要成功運作,同樣得考慮屏蔽設計的問題。


另一方面,地球表面也還會有越來越多的衞星發射出去。MIT 的報告顯示,預計到 2025 年,每年從地球上發往太空的衞星將達到 1100 顆,而在 2018 年,新發射的衞星數量僅為 360 顆左右。

1978 年,天體物理學家唐納德·凱斯勒(Donald Kessler)提到過一種假設。他認為如果近地軌道上存在過多的飛行物,最終就會因一次撞擊,引發連環撞擊,而無數的碎片便會在地球周圍形成「垃圾帶」,導致人類再也無法將航天器發射到太空上。

如今,這一假設也被稱為「凱斯勒效應」,若是不想讓太空垃圾變成地球的「牢籠」,人類遲早都得正視這些問題。


資料來源:愛範兒(ifanr)

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