太空垃圾遇上电子束：科学家提出比激光更'划算'的清除方案

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近地轨道上的太空垃圾已经突破三万块。这些以每秒数公里速度飞行的碎片，哪怕只是一颗螺丝钉，也能击穿国际空间站的外壳。清理这些"轨道地雷"，科学家已经尝试了渔网、机械臂、激光烧蚀等多种方案。如今，日本大阪公立大学的研究团队提出了一种更具成本效益的设想：从地面或空间站发射电子束，通过烧蚀效应让碎片减速脱轨。 这项发表在《热物理与传热学刊》上的研究，首次系统揭示了电子束在电离层传播中的物理行为。

主动碎片清除（ADR）是航天安全领域的紧迫课题。传统思路中，激光烧蚀推进被视为远距离清除的希望。高能激光照射碎片表面，使材料气化产生反冲力，从而推动碎片降轨。但激光方案面临一个根本难题：能量转换效率偏低，且激光穿过大气层时衰减严重。

电子束烧蚀提供了另一种物理路径。工业界早已利用电子束进行精密加工和材料处理。与光子不同，电子具有静止质量，与靶材相互作用时动量传递效率更高。大阪公立大学的研究指出，电子束的动量耦合系数和整体能量效率可能显著优于激光。 这意味着清除同样一块碎片，电子束系统所需的能耗更低，设备规模更小，长期运行成本更具竞争力。

将电子束从地面或低轨道平台射向数百公里外的碎片，束流必须穿越电离层。这片充满自由电子和离子的等离子体区域，是电子束传输的"雷区"。

研究团队通过粒子云网格（Particle-in-Cell）模拟，首次量化了非相对论性电子束在电离层中的行为。他们设定电子束密度在10¹⁰至10¹² m⁻³之间，速度在10⁶至10⁸ m/s范围内。结果显示，束流会经历从层流到湍流的转捩。这种湍流源于束电子与背景离子的双流不稳定性。

在层流区域，研究者发现了一个有利现象：等离子体环境对电子束产生横向压缩效应，束流发散受到抑制。他们首次量化了这一压缩因子。这为工程应用提供了关键窗口：如果能让电子束在层流状态下到达目标，就能实现有效聚焦和烧蚀。但一旦进入湍流区域，束流会迅速发散，能量密度骤降。 如何控制传输距离和束流参数，避开或利用这种不稳定性，成为系统设计的核心难题。

太空垃圾清除技术的发展，折射出航天大国对轨道资源的争夺。从上世纪80年代的概念提出，到2010年后的技术验证，人类已经探索了接触式与非接触式两大路线。

接触式方案包括机械臂抓捕、飞网缠绕和鱼叉拖拽。欧空局的"清道夫"（e.Deorbit）任务和日本"鹳"号货运飞船的再入实验，验证了近距离操作的可行性。非接触式方案则以激光和离子束为代表，适用于远距离、高转速的碎片。中国"遨龙一号"空间碎片主动清除飞行器，则展示了接近并捕获碎片的能力。

电子束方案目前仍处于理论前沿。它融合了非接触清除的安全性和潜在的高能效优势，特别适合清除位于不同轨道倾角、难以接近的碎片。但其技术成熟度远低于激光，电离层传输的物理复杂性也远超预期。这项研究的意义在于，它为电子束ADR系统提供了首份详细的等离子体物理地图。

中国已成为太空资产大国。空间站长期在轨运行，北斗导航系统拥有数十颗卫星，遥感卫星数量居世界前列。这些资产正面临日益严重的碎片威胁。国家航天局空间碎片监测与应用中心持续更新碰撞预警，但被动规避只是权宜之计，主动清除能力才是根本保障。

在激光清除领域，中科院光电技术研究所、国防科技大学等单位已开展多年研究，掌握了高能激光与物质相互作用的关键技术。在电子束和离子束技术方面，中国工程物理研究院拥有强流加速器研制经验，中科院物理所、等离子体物理研究所在束流与等离子体相互作用领域具有深厚积累。航天科技集团五院、八院也在积极探索空间碎片清除的总体方案。

针对电子束在电离层中传输的基础物理研究，中国目前公开报道较少。日本此项研究虽处于模拟阶段，但已抢占理论高地。对于中国而言，这既是一个警示，也是一个机遇。我们拥有更迫切的在轨服务需求和更完整的航天工业体系，如果能将强流束流技术与空间碎片清除需求结合，完全有可能在这一新赛道上实现并跑甚至领跑。

从渔网到电子束，人类清理太空的方式越来越"无形"，也越来越依赖对基础物理的精确掌控。大阪公立大学的这项研究，为电子束清除太空垃圾提供了第一块理论基石。在真实的电离层中验证这些效应，将是下一步的关键。对于中国这样的航天大国而言，跟进这一前沿方向，不仅是技术储备的需要，更是维护太空资产安全的战略必须。

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.