探索宇宙奧秘 · 理性思考

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"，科學家已經(jīng)嘗試了漁網(wǎng)、機械臂、激光燒蝕等多種方案。如今，日本大阪公立大學的研究團隊提出了一種更具成本效益的設想：從地面或空間站發(fā)射電子束，通過燒蝕效應讓碎片減速脫軌。 這項發(fā)表在《熱物理與傳熱學刊》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。

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

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，與靶材相互作用時動量傳遞效率更高。大阪公立大學的研究指出，電子束的動量耦合系數(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，設備規(guī)模更小，長期運行成本更具競爭力。

將電子束從地面或低軌道平臺射向數(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)"。

研究團隊通過粒子云網(wǎng)格（Particle-in-Cell）模擬，首次量化了非相對論性電子束在電離層中的行為。他們設定電子束密度在101?至1012 m?3之間，速度在10?至10? m/s范圍內(nèi)。結果顯示，束流會經(jīng)歷從層流到湍流的轉捩。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)了一個有利現(xiàn)象：等離子體環(huán)境對電子束產(chǎn)生橫向壓縮效應，束流發(fā)散受到抑制。他們首次量化了這一壓縮因子。這為工程應用提供了關鍵窗口：如果能讓電子束在層流狀態(tài)下到達目標，就能實現(xiàn)有效聚焦和燒蝕。但一旦進入湍流區(qū)域，束流會迅速發(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)設計的核心難題。

太空垃圾清除技術的發(fā)展，折射出航天大國對軌道資源的爭奪。從上世紀80年代的概念提出，到2010年后的技術驗證，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）任務和日本"鸛"號貨運飛船的再入實驗，驗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，適用于遠距離、高轉速的碎片。中國"遨龍一號"空間碎片主動清除飛行器，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，特別適合清除位于不同軌道傾角、難以接近的碎片。但其技術成熟度遠低于激光，電離層傳輸?shù)奈锢韽碗s性也遠超預期。這項研究的意義在于，它為電子束ADR系統(tǒng)提供了首份詳細的等離子體物理地圖。

中國已成為太空資產(chǎn)大國。空間站長期在軌運行，北斗導航系統(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)正面臨日益嚴重的碎片威脅。國家航天局空間碎片監(jiān)測與應用中心持續(xù)更新碰撞預警，但被動規(guī)避只是權宜之計，主動清除能力才是根本保障。

在激光清除領域，中科院光電技術研究所、國防科技大學等單位已開展多年研究，掌握了高能激光與物質(zhì)相互作用的關鍵技術。在電子束和離子束技術方面，中國工程物理研究院擁有強流加速器研制經(jīng)驗，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域具有深厚積累。航天科技集團五院、八院也在積極探索空間碎片清除的總體方案。

針對電子束在電離層中傳輸?shù)幕A物理研究，中國目前公開報道較少。日本此項研究雖處于模擬階段，但已搶占理論高地。對于中國而言，這既是一個警示，也是一個機遇。我們擁有更迫切的在軌服務需求和更完整的航天工業(yè)體系，如果能將強流束流技術與空間碎片清除需求結合，完全有可能在這一新賽道上實現(xiàn)并跑甚至領跑。

從漁網(wǎng)到電子束，人類清理太空的方式越來越"無形"，也越來越依賴對基礎物理的精確掌控。大阪公立大學的這項研究，為電子束清除太空垃圾提供了第一塊理論基石。在真實的電離層中驗證這些效應，將是下一步的關鍵。對于中國這樣的航天大國而言，跟進這一前沿方向，不僅是技術儲備的需要，更是維護太空資產(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.