自登月时代以来，太空工业正以从未见过的速度增长和创新。五十年前，几乎所有与太空相关的项目都是政府资助的项目。在 21 世纪的太空领域，火箭和卫星通常是企业投资或公私合作伙伴关系。
摆脱了政府的束缚，全球太空工业的外观和运营方式越来越像全球航空业。可重复使用性。定期飞行频率。航天器和运载火箭的批量生产。分析师预测，到 2040 年，太空工业对全球 GDP 的贡献可能超过 1% 的门槛。我们可以合理地构建未来的情景，其中太空和航空业具有相当的经济影响力。
自二战以来，航空业在机身和推进系统方面取得的显著发展，很大程度上受到了可持续发展问题的指导，主要集中在喷气发动机排放方面。现代喷气发动机比 50 年前的发动机排放的烟尘和气体污染物要少得多。减少喷气发动机排放的压力对航空业有利，因为磨练涡轮燃烧以接近理论最大效率，具有降低燃料消耗的益处。这对企业盈利和地球都有好处。
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可持续性一直不是太空系统发展的重点。正如他们的喷气发动机同类产品一样，火箭发动机向大气中排放各种气体和颗粒物，这些气体和颗粒物可能对区域甚至全球产生影响。即便如此，运载火箭对环境的影响通常被忽视，因为人们过于简单地比较喷气机和火箭的燃料消耗。
论点是这样的：火箭的燃料燃烧量仅占飞机每年燃料燃烧量的 0.1%，因此仅占航空业造成的排放问题的 0.1%。但这是一个虚假的等价案例。仔细了解太空飞行的每个阶段表明，太空排放会以与航空排放完全不同，甚至在某些情况下更糟糕的方式改变大气。
与航空业不同，太空工业产生的排放物会影响大气层的每一层。喷气机向对流层排放的物质很快就会被降水冲刷到地表，而火箭向平流层排放的物质清除速度却很慢。平流层排放物逐年累积，累加了过去四五年地球所有发射和再入的废气。事实上，脆弱的臭氧层就位于平流层中，靠近火箭排放物积聚的地方。
太空旅行的前景从未如此令人兴奋。太空工业的进步，包括高性能小型卫星、低地球轨道 (LEO) 巨型星座、新型火箭推进剂和月球资源开采，正在推动 21 世纪“新太空”的增长。这些发展可能会实现长期以来的雄心壮志，即让太空旅行像航空旅行一样普遍。但是，这些新的太空技术是否走在可持续发展的道路上？
气体排放
火箭发动机尾气，如喷气发动机尾气，主要成分是二氧化碳和水蒸气，这些排放物对全球的影响已得到充分理解。在任何高度排放的二氧化碳都是“长寿命”温室气体 (GHG)，会增加大气温室气体负担。水蒸气是一种“短寿命”温室气体。火箭尾气的这些成分仅占航空二氧化碳和 H2O 排放量的不到 1%。尽管它们目前的后果很小，但一些微量的火箭尾气成分需要更仔细的检查。
固体火箭发动机 (SRM) 氧化剂高氯酸铵含有氯，这是对平流层臭氧最严重的威胁。20 年前 NASA 飞机进行的直接羽流采样表明，SRM 羽流会产生显著的臭氧“微孔”，这些微孔在发射后持续数天。然而，随着含氯羽流混合到全球平流层中，微孔会消失，并且与臭名昭著的氯氟烃释放的氯相比，SRM 每年排放的所有氯都很少且寿命短。来自 SRM 的氯很可能不会对臭氧层构成严重威胁。
科学家们非常了解火箭排放的二氧化碳、H2O 和 Cl 气体如何影响气候和臭氧。所有这些研究都表明，与其他污染源相比，这些影响微不足道，并且被埋没在全球大气噪声中。即使这些发射排放量增加一个数量级，其后果也很小。尽管如此，火箭尾气中还有另一个可能很重要的成分：黑碳 (BC) 烟尘和氧化铝颗粒。
颗粒物排放
火箭以其耀眼的尾焰而闻名。碳氢燃料火箭发动机的“火焰”主要是炽热羽流中氧化的烟尘颗粒的白炽光。火箭发动机中烟尘的产生过程非常复杂，并且尚未得到很好的理解。烟尘在富燃料燃烧室、燃料冷却喷管壁和涡轮泵气体发生器中形成，并在炽热的羽流中部分消耗。喷气发动机没有这些复杂性，与火箭发动机相比，燃烧非常清洁。某些类型的碳氢燃料火箭发动机每燃烧一公斤燃料排放的烟尘量是其喷气发动机同类产品的数百倍。喷气机只是偶尔在平流层飞行；而火箭每次发射都会飞到那里。
2020 年 11 月，宇航员乘坐由猎鹰 9 号火箭推进的 SpaceX 载人龙飞船前往国际空间站。图片来源：Red Huber Getty Images
平流层中的烟尘有什么值得关注的？黑碳烟尘非常有效地吸收阳光。吸收的能量转移到周围的空气中，因此 BC 烟尘充当热源，使平流层变暖，这反过来又可能略微改变全球大气的环流。而且由于臭氧浓度与温度成反比，因此平流层变暖等同于臭氧层损耗。目前火箭舰队排放的 BC 烟尘是否足以对大气产生重大影响？我们尚不清楚。所需的气候模型才刚刚组装完成。
固体火箭发动机的尾焰比碳氢燃料尾焰更加耀眼。离开喷管的炽热氧化铝液滴是 SRM 火焰的来源。与氯气排放一样，SRM 羽流会扩散并最终混合到全球大气中，因此在从赤道到两极的随机平流层空气样本中都能发现火箭氧化铝颗粒。在 20 世纪 90 年代，研究人员发现了臭氧破坏化学反应如何在 SRM 氧化铝颗粒表面发生，但氧化铝作为臭氧消耗源的重要性尚不清楚。SRM 当然也会排放破坏臭氧的氯气，SRM 臭氧消耗的双重性质描述得很差。2018 年世界气象组织臭氧评估承认我们理解方面存在巨大差距，并指出“有必要”进行进一步研究。
航天飞机 SRM 是有史以来飞行过的最大的 SRM，人们常常错误地认为，大型固体火箭的使用随着航天飞机的退役而结束。事实上，SRM 正在全球范围内找到越来越多的发射应用。当下一代 NASA 重型运载火箭于 2021 年 11 月首次升空时，太空发射系统的 144 英寸直径 SRM 将成为有史以来最庞大的 SRM。即使是那枚火箭也将被计划于 2025 年首次亮相的中国 156 英寸 SRM 所超越。SRM 对平流层臭氧构成了日益增长且鲜为人知的危害。
升空的东西会落下来
太空污染不会在火箭离开大气层后停止。与许多媒体报道的最新壮观的太空垃圾再入事件相反，返回地球的轨道碎片不会在再入时“消失”或“燃尽”。废弃航天器的某些部件将在再入时幸存下来并到达地表。然而，大部分再入质量会汽化成热气体，然后迅速凝结成小颗粒喷雾。因此，与发射一样，明亮的尾焰意味着颗粒物的产生。与发射产生的化学成分简单的颗粒物不同，再入太空垃圾产生的颗粒物将是复杂的化学类型的集合。来自汽化推进剂箱、计算机、太阳能电池板和其他奇异材料的颗粒物将在大约 85 公里的高度形成，然后向下漂移，与发射产生的烟尘和氧化铝一起积聚在平流层中。再入与发射一样是一种“排放”。
不断增长的低地球轨道巨型星座，每个星座都有数千颗卫星，都使用再入汽化作为卫星寿命终止处置机制。一旦这些星座部署完毕，每年将有数百吨无法正常工作的卫星被“带入”进行处置。这些质量中的大部分将变成中层大气中的颗粒物。关于再入尘埃的产生、颗粒物的微观物理学以及再入尘埃如何影响气候和臭氧，我们知之甚少。
太空已进入类似于航空业早期的增长阶段。一旦一项技术成为市场经济的正常组成部分，潜在的新应用就没有限制。与其航空业大哥一样，太空工业也从推进系统中向大气排放气体和颗粒物。但是，航空排放和太空排放之间的比较必须考虑到这两个行业影响地球大气的截然不同的方式。
在可预见的未来，喷气发动机排放的二氧化碳将远大于火箭发动机排放的二氧化碳。这反映在对太空传统的“碳足迹”的善意但误导性的计算中。但二氧化碳并不是太空污染的关键所在。火箭发射和太空碎片再入排放的颗粒物比火箭二氧化碳排放物引起的大气化学、动力学和辐射变化要大得多。对于太空工业而言，碳足迹是一个复杂的故事，尚未得到适当的定义。
最近关于低地球轨道卫星亮度的争议突显了可持续性需要成为太空系统发展基本方面的必要性。如果预先评估系统生命周期每个阶段的环境影响，将更容易保证太空系统的畅通无阻的使用。这就是航空业考虑可持续发展的方式。部署后出现的环境问题会促使监管。部署前的全面和完整分析可以防止监管。
具有讽刺意味的是，只有太空才能提供管理人类对地球管理所需的视角。阿波罗 8 号的地球升起景象通常与全球环境保护主义的开端联系在一起。然而，太空工业自身的排放却鲜为人知，无法回答有关太空环境影响和可持续性的基本问题。当我们展望航空业时，一个适当的科学计划将包括测量发射和再入羽流、详细建模从新鲜排放到稳态全球混合的羽流，以及实验室测量从发射到再入产生的所有不同颗粒物类型的微观物理学。这项工作应该是政府和商业伙伴关系的结合。
太空工业正准备成为全球经济中更重要的组成部分，而此时可持续性正成为全球的共同目标。可持续的太空工业会是什么样子？未来太空发展面临哪些监管威胁？在我们对太空工业排放进行持续、全球协调的科学研究计划之前，我们将不会知道这些问题的答案。