随着太空时代的到来，人类已向太空发射超过2万颗卫星，未来几年还将有数千颗卫星进入轨道。拥挤的太空环境日益引发人们的关注。
虽然部分卫星已在大气层中烧毁或坠入地球（通常落入海洋），但仍有超过1.3万颗卫星在轨运行。其中约五分之一已失效，成为太空垃圾。过去几十年里，数百颗报废卫星的碰撞产生了数百万块碎片。
这些碎片对在轨运行的卫星和国际空间站构成持续的碰撞风险。这一问题非常严重，全球多个监测网络密切关注着数千个较大的物体，以便在必要时调整航天器的轨道。
日益增长的太空垃圾威胁要求卫星具备更高的轨道机动性，并减少垃圾数量。英国初创公司Magdrive声称，他们可以通过一种新型航天器推进系统来帮助解决这两个问题。该系统将于今年晚些时候首次发射到太空，并使用固体金属作为燃料。
Magdrive联合创始人马克·斯托克斯表示：“我们希望建造一种真正能推动人类在航天领域进步的产品，让我们登上太空文明的阶梯。”他声称，使用固体金属推进系统可以将卫星的机动性提高10倍，同时将用于推进的质量减少10倍。
Magdrive正在研发三种型号的太空推进器。由于它们使用固体金属作为燃料，未来甚至可能利用在轨道上收集的太空垃圾作为燃料，将威胁转化为资源。
“两全其美”的推进系统
卫星需要推进系统来实现多种目的，包括变换轨道、补偿大气阻力（否则会使轨道不稳定）、躲避碎片，以及最终脱离轨道。
目前，大多数卫星推进系统使用化学或电推进。斯托克斯指出，这两种系统都有缺点：“化学推进的推力非常高，但效率（或者说每加仑里程数）非常低。另一方面，电推进系统则完全相反，推力非常低，但效率非常好，每加仑里程数非常高。”
斯托克斯认为，由于这些推进系统需要在功率和效率之间做出权衡，人类对太空经济的最大愿景（包括小行星采矿、大型卫星星座和在轨道上建造空间站）目前仍遥不可及。这种权衡甚至在卫星发射之前就必须做出。
“我们正在建造首个兼具两者优势的系统，”他补充道，“它是一种电推进系统，但在推力方面有了数量级的提升，体积和质量也减少了一个数量级。”
Magdrive系统的第一个版本——名为Warlock——计划于2025年6月发射到轨道。它像目前的电推进系统一样，利用机载太阳能电池板发电。但与目前使用电力来电离或引爆加压气体（通常是一种名为肼的有毒化学物质）的电推进系统不同，Magdrive使用电力来电离固体金属。
“正如你所能想象的那样，这有很多优势，”斯托克斯说。金属非常致密，这意味着它比装有加压气体的储罐占用更少的机载空间。他补充说，这将使卫星制造商的工作更加轻松，因为他们认为加压储罐“令人头疼”，因为它们难以操作，并且如果破裂可能会导致爆炸，而金属是惰性的，并且不会随着时间的推移而发生任何降解。目前，Magdrive使用铜，因为它相对便宜且广泛可用，尽管斯托克斯表示，任何金属都可以胜任这项工作。
一旦引爆，金属就会变成极热且致密的等离子体，或带电气体。“你得到的是这种高能量的铜等离子体从推进器的后方喷出，”斯托克斯继续说道，这会使推进器向相反的方向移动。
以垃圾为燃料？
目前，该系统不可再填充燃料。然而，在更远的未来，斯托克斯认为该系统可以通过回收报废卫星中的金属作为推进剂，从现有的太空垃圾中获取燃料——尽管目前这个计划只是假设性的。“这样做的好处是，我们将能够通过使用已经存在的资源来闭合新太空时代经济的循环，”斯托克斯说。
斯托克斯补充说，这将使Magdrive成为唯一一种不必每次都携带燃料的推进系统。“目前，每颗卫星都需要从地球携带推进剂，这就像每次离开车站都要建造一辆新火车一样，”他说。
该公司计划明年进行首次商业部署，并瞄准具有广泛需求的客户：“我们正在建造一种可以安装在任何卫星上的标准化硬件——所以几乎整个航天工业中的任何人都可以使用，”斯托克斯解释说。“这包括各种不同的应用，从地球观测到卫星服务再到通信，”他说，并且可以用于重量从10公斤（22磅）到400公斤（880磅）不等的卫星。
重大挑战
英国南安普顿大学宇航学副教授MinKwan Kim表示，他曾参与过与Magdrive的研究项目和合作。他认为，与气体或液体推进剂相比，使用固体金属燃料可以简化存储和处理。它允许采用简单的设计，特别适合大规模生产，从而为未来需要大规模卫星制造的巨型星座创造了一条可行的道路。
“然而，金属推进剂的使用带来了一个重大挑战：表面污染，特别是对于太阳能电池板和光学系统，”他补充道。由于在运行过程中会产生金属等离子体，因此它很容易沉积在表面上，从而可能影响航天器的整体性能。
斯托克斯表示，在Magdrive系统中，金属燃料在反应过程中被完全消耗，然后重新组合成他所谓的“分散的惰性材料”，他说由于粒子的出口速度，这种材料对附近表面造成污染的风险很小——“不必过于担心会进入其他组件或其他卫星上。”
Kim补充说，确保可靠且一致的推力产生也带来了另一个挑战，特别是对于精确机动而言。金属燃料在推力产生过程中经历的加热和冷却循环会改变其原子晶体结构，从而影响其作为推进剂的性能。为了保持均匀的推力输出，需要一个精确的监控和控制系统，这会增加系统的复杂性。
至于使用太空垃圾作为燃料，Kim表示这在理论上是可行的，但存在重大的技术和监管挑战。首先，虽然太空垃圾可能看起来像是一种免费资源，但《联合国外层空间条约》（OST）规定，发射到太空的物体的所有权保持不变，即使它们成为碎片。这意味着在回收卫星之前需要获得原始所有者的许可。此外，一些卫星包含敏感数据或专有技术，这使得所有者不愿授予访问权限。最后，发射国应对回收卫星造成的任何事故负责，这增加了另一层法律复杂性。
Kim说，然后是实际问题：“退役的卫星是无法控制的，并且经常翻滚，这使得回收变得极其困难。捕获和固定它们需要复杂的机动，而这项技术仍处于起步阶段，”他说。Kim补充说，这些卫星不仅由金属制成，还由硅和聚合物等材料制成，这是一个问题，因为金属推进剂的质量和纯度直接影响推力性能，因此如果不严格控制收集的金属的成分，就很难实现可靠且可预测的推力。
“因此，虽然太空垃圾衍生的金属可能适用于非精密机动，例如脱轨，但它不太可能适用于高精度推进。”
