太空垃圾遇上電子束：科學(xué)家提出比激光更'劃算'的清除方案

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近地軌道上的太空垃圾已經(jīng)突破三萬塊。這些以每秒數(shù)公里速度飛行的碎片，哪怕只是一顆螺絲釘，也能擊穿國際空間站的外殼。清理這些"軌道地雷"，科學(xué)家已經(jīng)嘗試了漁網(wǎng)、機(jī)械臂、激光燒蝕等多種方案。如今，日本大阪公立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種更具成本效益的設(shè)想：從地面或空間站發(fā)射電子束，通過燒蝕效應(yīng)讓碎片減速脫軌。 這項(xiàng)發(fā)表在《熱物理與傳熱學(xué)刊》上的研究，首次系統(tǒng)揭示了電子束在電離層傳播中的物理行為。

主動(dòng)碎片清除（ADR）是航天安全領(lǐng)域的緊迫課題。傳統(tǒng)思路中，激光燒蝕推進(jìn)被視為遠(yuǎn)距離清除的希望。高能激光照射碎片表面，使材料氣化產(chǎn)生反沖力，從而推動(dòng)碎片降軌。但激光方案面臨一個(gè)根本難題：能量轉(zhuǎn)換效率偏低，且激光穿過大氣層時(shí)衰減嚴(yán)重。

電子束燒蝕提供了另一種物理路徑。工業(yè)界早已利用電子束進(jìn)行精密加工和材料處理。與光子不同，電子具有靜止質(zhì)量，與靶材相互作用時(shí)動(dòng)量傳遞效率更高。大阪公立大學(xué)的研究指出，電子束的動(dòng)量耦合系數(shù)和整體能量效率可能顯著優(yōu)于激光。 這意味著清除同樣一塊碎片，電子束系統(tǒng)所需的能耗更低，設(shè)備規(guī)模更小，長期運(yùn)行成本更具競爭力。

將電子束從地面或低軌道平臺(tái)射向數(shù)百公里外的碎片，束流必須穿越電離層。這片充滿自由電子和離子的等離子體區(qū)域，是電子束傳輸?shù)?雷區(qū)"。

研究團(tuán)隊(duì)通過粒子云網(wǎng)格（Particle-in-Cell）模擬，首次量化了非相對(duì)論性電子束在電離層中的行為。他們?cè)O(shè)定電子束密度在101?至1012 m?3之間，速度在10?至10? m/s范圍內(nèi)。結(jié)果顯示，束流會(huì)經(jīng)歷從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩。這種湍流源于束電子與背景離子的雙流不穩(wěn)定性。

在層流區(qū)域，研究者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有利現(xiàn)象：等離子體環(huán)境對(duì)電子束產(chǎn)生橫向壓縮效應(yīng)，束流發(fā)散受到抑制。他們首次量化了這一壓縮因子。這為工程應(yīng)用提供了關(guān)鍵窗口：如果能讓電子束在層流狀態(tài)下到達(dá)目標(biāo)，就能實(shí)現(xiàn)有效聚焦和燒蝕。但一旦進(jìn)入湍流區(qū)域，束流會(huì)迅速發(fā)散，能量密度驟降。 如何控制傳輸距離和束流參數(shù)，避開或利用這種不穩(wěn)定性，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心難題。

太空垃圾清除技術(shù)的發(fā)展，折射出航天大國對(duì)軌道資源的爭奪。從上世紀(jì)80年代的概念提出，到2010年后的技術(shù)驗(yàn)證，人類已經(jīng)探索了接觸式與非接觸式兩大路線。

接觸式方案包括機(jī)械臂抓捕、飛網(wǎng)纏繞和魚叉拖拽。歐空局的"清道夫"（e.Deorbit）任務(wù)和日本"鸛"號(hào)貨運(yùn)飛船的再入實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了近距離操作的可行性。非接觸式方案則以激光和離子束為代表，適用于遠(yuǎn)距離、高轉(zhuǎn)速的碎片。中國"遨龍一號(hào)"空間碎片主動(dòng)清除飛行器，則展示了接近并捕獲碎片的能力。

電子束方案目前仍處于理論前沿。它融合了非接觸清除的安全性和潛在的高能效優(yōu)勢(shì)，特別適合清除位于不同軌道傾角、難以接近的碎片。但其技術(shù)成熟度遠(yuǎn)低于激光，電離層傳輸?shù)奈锢韽?fù)雜性也遠(yuǎn)超預(yù)期。這項(xiàng)研究的意義在于，它為電子束ADR系統(tǒng)提供了首份詳細(xì)的等離子體物理地圖。

中國已成為太空資產(chǎn)大國?？臻g站長期在軌運(yùn)行，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)擁有數(shù)十顆衛(wèi)星，遙感衛(wèi)星數(shù)量居世界前列。這些資產(chǎn)正面臨日益嚴(yán)重的碎片威脅。國家航天局空間碎片監(jiān)測與應(yīng)用中心持續(xù)更新碰撞預(yù)警，但被動(dòng)規(guī)避只是權(quán)宜之計(jì)，主動(dòng)清除能力才是根本保障。

在激光清除領(lǐng)域，中科院光電技術(shù)研究所、國防科技大學(xué)等單位已開展多年研究，掌握了高能激光與物質(zhì)相互作用的關(guān)鍵技術(shù)。在電子束和離子束技術(shù)方面，中國工程物理研究院擁有強(qiáng)流加速器研制經(jīng)驗(yàn)，中科院物理所、等離子體物理研究所在束流與等離子體相互作用領(lǐng)域具有深厚積累。航天科技集團(tuán)五院、八院也在積極探索空間碎片清除的總體方案。

針對(duì)電子束在電離層中傳輸?shù)幕A(chǔ)物理研究，中國目前公開報(bào)道較少。日本此項(xiàng)研究雖處于模擬階段，但已搶占理論高地。對(duì)于中國而言，這既是一個(gè)警示，也是一個(gè)機(jī)遇。我們擁有更迫切的在軌服務(wù)需求和更完整的航天工業(yè)體系，如果能將強(qiáng)流束流技術(shù)與空間碎片清除需求結(jié)合，完全有可能在這一新賽道上實(shí)現(xiàn)并跑甚至領(lǐng)跑。

從漁網(wǎng)到電子束，人類清理太空的方式越來越"無形"，也越來越依賴對(duì)基礎(chǔ)物理的精確掌控。大阪公立大學(xué)的這項(xiàng)研究，為電子束清除太空垃圾提供了第一塊理論基石。在真實(shí)的電離層中驗(yàn)證這些效應(yīng)，將是下一步的關(guān)鍵。對(duì)于中國這樣的航天大國而言，跟進(jìn)這一前沿方向，不僅是技術(shù)儲(chǔ)備的需要，更是維護(hù)太空資產(chǎn)安全的戰(zhàn)略必須。

Nishio, K., et al. (2025). Particle-In-Cell Study of Electron Beam Propagation Through Ionospheric Plasma. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. DOI: 10.2514/1.t7221

Osaka Metropolitan University. (2026, February 9). Could electronic beams in the ionosphere remove space junk? Phys.org.