自登月時代以來，太空工業正以從未見過的速度增長和創新。五十年前，幾乎所有與太空相關的專案都是政府資助的專案。在 21 世紀的太空領域，火箭和衛星通常是企業投資或公私合作伙伴關係。
擺脫了政府的束縛，全球太空工業的外觀和運營方式越來越像全球航空業。可重複使用性。定期飛行頻率。航天器和運載火箭的批次生產。分析師預測，到 2040 年，太空工業對全球 GDP 的貢獻可能超過 1% 的門檻。我們可以合理地構建未來的情景，其中太空和航空業具有相當的經濟影響力。
自二戰以來，航空業在機身和推進系統方面取得的顯著發展，很大程度上受到了可持續發展問題的指導，主要集中在噴氣發動機排放方面。現代噴氣發動機比 50 年前的發動機排放的煙塵和氣體汙染物要少得多。減少噴氣發動機排放的壓力對航空業有利，因為磨練渦輪燃燒以接近理論最大效率，具有降低燃料消耗的益處。這對企業盈利和地球都有好處。
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可持續性一直不是太空系統發展的重點。正如他們的噴氣發動機同類產品一樣，火箭發動機向大氣中排放各種氣體和顆粒物，這些氣體和顆粒物可能對區域甚至全球產生影響。即便如此，運載火箭對環境的影響通常被忽視，因為人們過於簡單地比較噴氣機和火箭的燃料消耗。
論點是這樣的：火箭的燃料燃燒量僅佔飛機每年燃料燃燒量的 0.1%，因此僅佔航空業造成的排放問題的 0.1%。但這是一個虛假的等價案例。仔細瞭解太空飛行的每個階段表明，太空排放會以與航空排放完全不同，甚至在某些情況下更糟糕的方式改變大氣。
與航空業不同，太空工業產生的排放物會影響大氣層的每一層。噴氣機向對流層排放的物質很快就會被降水沖刷到地表，而火箭向平流層排放的物質清除速度卻很慢。平流層排放物逐年累積，累加了過去四五年地球所有發射和再入的廢氣。事實上，脆弱的臭氧層就位於平流層中，靠近火箭排放物積聚的地方。
太空旅行的前景從未如此令人興奮。太空工業的進步，包括高效能小型衛星、低地球軌道 (LEO) 巨型星座、新型火箭推進劑和月球資源開採，正在推動 21 世紀“新太空”的增長。這些發展可能會實現長期以來的雄心壯志，即讓太空旅行像航空旅行一樣普遍。但是，這些新的太空技術是否走在可持續發展的道路上？
氣體排放
火箭發動機尾氣，如噴氣發動機尾氣，主要成分是二氧化碳和水蒸氣，這些排放物對全球的影響已得到充分理解。在任何高度排放的二氧化碳都是“長壽命”溫室氣體 (GHG)，會增加大氣溫室氣體負擔。水蒸氣是一種“短壽命”溫室氣體。火箭尾氣的這些成分僅佔航空二氧化碳和 H2O 排放量的不到 1%。儘管它們目前的後果很小，但一些微量的火箭尾氣成分需要更仔細的檢查。
固體火箭發動機 (SRM) 氧化劑高氯酸銨含有氯，這是對平流層臭氧最嚴重的威脅。20 年前 NASA 飛機進行的直接羽流取樣表明，SRM 羽流會產生顯著的臭氧“微孔”，這些微孔在發射後持續數天。然而，隨著含氯羽流混合到全球平流層中，微孔會消失，並且與臭名昭著的氯氟烴釋放的氯相比，SRM 每年排放的所有氯都很少且壽命短。來自 SRM 的氯很可能不會對臭氧層構成嚴重威脅。
科學家們非常瞭解火箭排放的二氧化碳、H2O 和 Cl 氣體如何影響氣候和臭氧。所有這些研究都表明，與其他汙染源相比，這些影響微不足道，並且被埋沒在全球大氣噪聲中。即使這些發射排放量增加一個數量級，其後果也很小。儘管如此，火箭尾氣中還有另一個可能很重要的成分：黑碳 (BC) 煙塵和氧化鋁顆粒。
顆粒物排放
火箭以其耀眼的尾焰而聞名。碳氫燃料火箭發動機的“火焰”主要是熾熱羽流中氧化的煙塵顆粒的白熾光。火箭發動機中煙塵的產生過程非常複雜，並且尚未得到很好的理解。煙塵在富燃料燃燒室、燃料冷卻噴管壁和渦輪泵氣體發生器中形成，並在熾熱的羽流中部分消耗。噴氣發動機沒有這些複雜性，與火箭發動機相比，燃燒非常清潔。某些型別的碳氫燃料火箭發動機每燃燒一公斤燃料排放的煙塵量是其噴氣發動機同類產品的數百倍。噴氣機只是偶爾在平流層飛行；而火箭每次發射都會飛到那裡。
2020 年 11 月，宇航員乘坐由獵鷹 9 號火箭推進的 SpaceX 載人龍飛船前往國際空間站。圖片來源：Red Huber Getty Images
平流層中的煙塵有什麼值得關注的？黑碳煙塵非常有效地吸收陽光。吸收的能量轉移到周圍的空氣中，因此 BC 煙塵充當熱源，使平流層變暖，這反過來又可能略微改變全球大氣的環流。而且由於臭氧濃度與溫度成反比，因此平流層變暖等同於臭氧層損耗。目前火箭艦隊排放的 BC 煙塵是否足以對大氣產生重大影響？我們尚不清楚。所需的氣候模型才剛剛組裝完成。
固體火箭發動機的尾焰比碳氫燃料尾焰更加耀眼。離開噴管的熾熱氧化鋁液滴是 SRM 火焰的來源。與氯氣排放一樣，SRM 羽流會擴散並最終混合到全球大氣中，因此在從赤道到兩極的隨機平流層空氣樣本中都能發現火箭氧化鋁顆粒。在 20 世紀 90 年代，研究人員發現了臭氧破壞化學反應如何在 SRM 氧化鋁顆粒表面發生，但氧化鋁作為臭氧消耗源的重要性尚不清楚。SRM 當然也會排放破壞臭氧的氯氣，SRM 臭氧消耗的雙重性質描述得很差。2018 年世界氣象組織臭氧評估承認我們理解方面存在巨大差距，並指出“有必要”進行進一步研究。
太空梭 SRM 是有史以來飛行過的最大的 SRM，人們常常錯誤地認為，大型固體火箭的使用隨著太空梭的退役而結束。事實上，SRM 正在全球範圍內找到越來越多的發射應用。當下一代 NASA 重型運載火箭於 2021 年 11 月首次升空時，太空發射系統的 144 英寸直徑 SRM 將成為有史以來最龐大的 SRM。即使是那枚火箭也將被計劃於 2025 年首次亮相的中國 156 英寸 SRM 所超越。SRM 對平流層臭氧構成了日益增長且鮮為人知的危害。
升空的東西會落下來
太空汙染不會在火箭離開大氣層後停止。與許多媒體報道的最新壯觀的太空垃圾再入事件相反，返回地球的軌道碎片不會在再入時“消失”或“燃盡”。廢棄航天器的某些部件將在再入時倖存下來併到達地表。然而，大部分再入質量會汽化成熱氣體，然後迅速凝結成小顆粒噴霧。因此，與發射一樣，明亮的尾焰意味著顆粒物的產生。與發射產生的化學成分簡單的顆粒物不同，再入太空垃圾產生的顆粒物將是複雜的化學型別的集合。來自汽化推進劑箱、計算機、太陽能電池板和其他奇異材料的顆粒物將在大約 85 公里的高度形成，然後向下漂移，與發射產生的煙塵和氧化鋁一起積聚在平流層中。再入與發射一樣是一種“排放”。
不斷增長的低地球軌道巨型星座，每個星座都有數千顆衛星，都使用再入汽化作為衛星壽命終止處置機制。一旦這些星座部署完畢，每年將有數百噸無法正常工作的衛星被“帶入”進行處置。這些質量中的大部分將變成中層大氣中的顆粒物。關於再入塵埃的產生、顆粒物的微觀物理學以及再入塵埃如何影響氣候和臭氧，我們知之甚少。
太空已進入類似於航空業早期的增長階段。一旦一項技術成為市場經濟的正常組成部分，潛在的新應用就沒有限制。與其航空業大哥一樣，太空工業也從推進系統中向大氣排放氣體和顆粒物。但是，航空排放和太空排放之間的比較必須考慮到這兩個行業影響地球大氣的截然不同的方式。
在可預見的未來，噴氣發動機排放的二氧化碳將遠大於火箭發動機排放的二氧化碳。這反映在對太空傳統的“碳足跡”的善意但誤導性的計算中。但二氧化碳並不是太空汙染的關鍵所在。火箭發射和太空碎片再入排放的顆粒物比火箭二氧化碳排放物引起的大氣化學、動力學和輻射變化要大得多。對於太空工業而言，碳足跡是一個複雜的故事，尚未得到適當的定義。
最近關於低地球軌道衛星亮度的爭議突顯了可持續性需要成為太空系統發展基本方面的必要性。如果預先評估系統生命週期每個階段的環境影響，將更容易保證太空系統的暢通無阻的使用。這就是航空業考慮可持續發展的方式。部署後出現的環境問題會促使監管。部署前的全面和完整分析可以防止監管。
具有諷刺意味的是，只有太空才能提供管理人類對地球管理所需的視角。阿波羅 8 號的地球升起景象通常與全球環境保護主義的開端聯絡在一起。然而，太空工業自身的排放卻鮮為人知，無法回答有關太空環境影響和可持續性的基本問題。當我們展望航空業時，一個適當的科學計劃將包括測量發射和再入羽流、詳細建模從新鮮排放到穩態全球混合的羽流，以及實驗室測量從發射到再入產生的所有不同顆粒物型別的微觀物理學。這項工作應該是政府和商業夥伴關係的結合。
太空工業正準備成為全球經濟中更重要的組成部分，而此時可持續性正成為全球的共同目標。可持續的太空工業會是什麼樣子？未來太空發展面臨哪些監管威脅？在我們對太空工業排放進行持續、全球協調的科學研究計劃之前，我們將不會知道這些問題的答案。