Экологическое воздействие выбросов ракетных двигателей и стратегии сокращения

Понимание атмосферного следа запуска ракет

Ракетные двигатели необходимы для исследования космоса, развертывания спутников и межпланетной науки. Однако небольшое количество запусков — примерно от 100 до 200 в год во всем мире — производят выбросы, которые накапливаются в верхних слоях атмосферы с эффектами, которые значительно отличаются от эффектов наземных источников. В отличие от самолетов, которые совершают круизы в тропосфере и нижней стратосфере, ракеты откладывают выхлопные продукты непосредственно в мезосферу и термосферу, где химические и транспортные временные рамки фундаментально отличаются. Глобальная шкала запуска ускоряется: коммерческие группировки, правительственные программы и новые космические порты повышают ежегодные показатели запуска. Понимание точных экологических затрат каждой системы топлива поэтому необходимо для разработки стратегий смягчения последствий, которые идут в ногу с ростом промышленности.

Прямые пути выбросов и время пребывания химических веществ

Ракетный выхлоп содержит углекислый газ (CO_]2), водяной пар (H_]2O), оксиды азота (NO_x, частицы глинозема, сажа и несгоревшие топливные фрагменты.Высота, на которой эти виды высвобождаются, определяет их атмосферный срок службы и взаимодействие с озоном. CO₂ от ракетных двигателей является долгоживущим парниковым газом, но его ежегодный вклад остается незначительным по сравнению с авиационным или наземным транспортом — около 0,0001% глобальных антропогенных выбросов CO₂. Водяной пар, однако, действует как мощный парниковый агент в стратосфере и может сохраняться в течение месяцев. При впрыскивании выше 20 км молекулы воды могут образовывать полярные стратосферные облака

Механизмы истощения озона, характерные для выхлопа ракет

Наиболее тревожным воздействием является истощение озона. Твердые ракетные ускорители, такие как используемые на космическом шаттле и некоторых тяжелых ракетных установках, выпускают соединения хлора непосредственно в стратосферу. Программа космического шаттла сама по себе выбрасывала около 200 тонн хлора на запуск. Даже при современных ограничениях на озоноразрушающие вещества в соответствии с Монреальским протоколом, выхлопные газы ракет обходит международные правила, поскольку они не классифицируются как контролируемое излучение. Химические реакции хорошо понятны: монооксид хлора (ClO) из твердых ракет каталитически разрушает молекулы озона, и эффект усиливается, когда водяной пар из того же выхлопа охлаждает воздух для образования полярных стратосферных облаков. Недавнее моделирование Кембриджского университета (2022) предполагает, что 10-кратное увеличение скорости запуска может задержать восстановление озоновой дыры Антарктики на 5-10 лет, даже при полном соблюдении существующих договоров.

Рафинированный нефтяной керосин, известный как RP-1, был рабочей лошадкой орбитального запуска с 1950-х годов. Его сжигание производит CO₂, водяной пар, сажу и множество летучих органических соединений (ЛОС). Сажевая фракция особенно проблематична: в зависимости от конструкции двигателя, 0,5-2% массы топлива может выделяться в виде частиц черного углерода. Эти частицы поглощают солнечный свет и нагревают атмосферу, и они могут оставаться в воздухе в течение нескольких недель в стратосфере. В отличие от авиационной сажи, которая выделяется в тропосфере и вымывается дождем, ракетная сажа попадает в стратосферу, где ее срок службы измеряется в месяцах. Исследование 2018 года Росс и др. (Geophysical Research Letters) подсчитали, что сажа от ракет с керосином может вызвать локализованный нагрев 0,15 К в год в стратосфере, достаточно, чтобы изменить характер ветра. Серия Falcon

Твердые гранулы (APCP и HTPB)

Аммоний перхлорат композитного топлива (APCP) является доминирующей твердой формулы. Он состоит из окислителя (перхлорат аммония, NH_]4ClO₄, топливного связующего (гидроксил-терминированный полибутадиен, HTPB)], топливного связующего (гидроксил-терминированный полибутадиен, HTPB) и алюминиевого порошка. Сжигание производит частицы оксида алюминия (Al_]2O_{3O3OO, хлорные частицы не химически реактивны, а рассеивают солнечный свет и могут действовать как ядра конденсации. Соединения хлора являются основной проблемой: каждый}

Количественные глобальные и региональные эффекты

Текущие темпы запуска достаточно низки, чтобы глобальные средние эффекты были небольшими, но региональные горячие точки и будущие сценарии требуют внимания. Места запуска сосредоточены между 28 ° N и 35 ° N широты (мыс Канаверал, Байконур, Куру, Ванденберг, Вэньчан). Выхлопные шлейфы от этих участков дрейфуют по полюсу, и измерения над Арктикой показывают повышенные уровни глинозема и водяного пара после крупных запусков. Оценка 2022 года в журнале атмосферной среды [FLT: 0]] связала истощение колоночного озона над Северной Атлантикой с кластером запусков тяжелых лифтов в 2020 году. Хотя такие истощения находятся в пределах естественной изменчивости, кумулятивный эффект является аддитивным. Если глобальный темп запуска достигает 1000 в год (правдоподобная цель для нескольких операторов мега-созвездий), годовая потеря озона может превысить 5-10% в средних широтах, сопоставимых с худшими годами эры ХФУ.

Сравнение выбросов ракет с другими видами транспорта

На основе одного килограмма полезной нагрузки запуск ракеты производит гораздо больше парниковых газов, чем воздушные или морские перевозки. Например, запуск Falcon 9 выбрасывает около 200 тонн CO_]2 и 300 тонн водяного пара для полезной нагрузки 22 тонн на низкую околоземную орбиту. Это примерно 15 кг CO_{22 на кг полезной нагрузки. Однако сравнение несовершенно, потому что ракеты доставляют товары в окружающую среду, недоступную другими средствами. Более актуальными являются экологические затраты жизненного цикла: производство, транспортировка топлива и сжигание первой и второй ступеней. Многоразовые ракеты — при подтверждении полета во многих миссиях — могут уменьшить выбросы полезной нагрузки на 70-80% за счет амортизации оборудования в течение десятков полетов. Тем не менее даже при повторном использовании фаза горения остается доминирующим источником стратосферных загрязнителей.}

Стратегии сокращения выбросов

Космическое сообщество использует несколько параллельных подходов, начиная от непосредственных эксплуатационных изменений и заканчивая долгосрочными капитальными ремонтами двигательной установки.

Развитие зелёных гранул

Разрабатываются несколько химических альтернатив РП-1 и твердым ракетным топливам. Жидкий метан (CH_]4, сжигаемый кислородом, производит в основном CO₂ и водяной пар, но значительно меньше сажи, чем керосин., но более высокий удельный импульс и потенциал использования ресурсов на Марсе делают его привлекательным для межпланетных миссий. Двигатели Raptor (SpaceX) и BE-4 (Blue Origin) являются действующими двигателями метана/LOX, хотя только Raptor летал. Другим перспективным направлением являются монопропелленты на основе гидроксиламмония, которые менее токсичны, чем гидразин, и имеют более низкое давление пара. ECAPS (шведская компания) провела летные испытания таких ракетных двигателей для спутников. Для крупных ракет-носителей, трипропеллен