太空正变得日益拥挤。自太空时代开启以来，人类已将超过2万颗卫星送入轨道，未来几年还有数千颗卫星的发射计划。
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13,000颗卫星在轨运行。其中约五分之一已失效，成为太空垃圾。在过去几十年里，数百颗报废卫星发生碰撞，产生了数百万块碎片。
这给在轨运行的卫星和国际空间站带来了持续的碰撞风险。情况非常严峻，全球多个监测网络都在密切关注数千个较大的物体，以便在必要时移动航天器避让。
日益严重的太空垃圾威胁需要更高的轨道机动性和减少太空垃圾的数量。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同时解决这两个问题。该系统将于今年晚些时候首次发射进入太空，并使用固体金属作为燃料。
“我们想打造一种真正能推动人类在太空领域发展的技术，让我们能够逐步成为星际文明，”Magdrive的联合创始人马克·斯托克斯（Mark Stokes）表示。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，同时将推进系统的质量降低10倍。
Magdrive正在研发三种不同版本的太空推进器。由于它们使用固体金属作为燃料，未来甚至可以使用直接在轨道上收集的太空垃圾作为燃料，从而将威胁转化为燃料来源。
“两全其美”的推进系统
卫星需要推进系统来实现各种目的，包括改变轨道、补偿大气阻力（否则会破坏轨道稳定性）、避开太空垃圾，以及最终实现脱轨。
目前，大多数卫星推进系统采用化学或电力推进。斯托克斯表示，这两种方法都有缺点：“化学推进的推力很高，但效率（或每加仑行驶里程）非常低。另一方面，电力推进系统则完全相反，推力非常低，但效率极高，每加仑行驶里程非常出色。”
斯托克斯认为，人类对太空经济的最大雄心，包括小行星采矿、大型卫星星座和在轨道上建造空间站，目前都遥不可及，因为这些推进系统需要在功率和效率之间做出权衡——这种权衡甚至在卫星发射之前就必须做出。
“我们正在打造首个兼具两者优点的系统，”他补充道，“这是一种电力推进系统，但推力提高了数量级，体积和质量也降低了数量级。”
Magdrive系统的首个版本——名为Warlock——计划于2025年6月发射进入轨道。它像目前的电力推进系统一样，使用太阳能电池板发电。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）的电力系统不同，Magdrive使用电力来电离固体金属。
“你可以想象，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，如果破裂可能会导致爆炸，而金属是惰性的，不会随着时间的推移而退化。目前，Magdrive使用铜，因为铜相对便宜且容易获得，但斯托克斯表示，任何金属都可以胜任这项工作。
一旦引爆，金属就会变成极其高温和密集的等离子体，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部离开，”斯托克斯继续说道，这会使推进器向相反的方向移动。
用太空垃圾作为燃料？
目前，该系统无法补充燃料。然而，在更远的将来，斯托克斯认为该系统可以从现有的太空垃圾中获取燃料，通过回收报废卫星中的金属作为推进剂——尽管目前这只是一个假设。“这样做的好处是，我们将能够通过利用已有的资源来闭环新太空时代的经济，”斯托克斯说。
斯托克斯补充说，这将使Magdrive成为唯一一个每次都不必携带燃料的推进系统。“现在，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：“我们正在建造一种标准化硬件，可以安装在任何卫星上——所以几乎是整个太空工业中的任何人，”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）的卫星。
重大的挑战
英国南安普顿大学宇航学副教授金民权（MinKwan Kim）参与了与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储存和处理。它允许采用简单的设计，特别适合大规模生产，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，”他补充说。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完全消耗，但随后会重新组合成他所谓的“分散的惰性材料”，他说由于颗粒的出口速度，这种材料对附近表面造成污染的风险很小——“没什么好过分担心的，不会沾到其他部件或其他卫星上。”
金补充说，确保可靠和一致的推力产生也带来了另一个挑战，特别是对于精确的机动。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，这增加了系统的复杂性。
至于将太空垃圾用作燃料，金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，即使它们变成了碎片。这意味着在回收卫星之前需要获得原所有者的许可。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，这又增加了一层法律复杂性。
金说，还有一些实际问题：“退役的卫星是无法控制的，而且经常翻滚，这使得回收极其困难。捕获和固定它们需要复杂的机动，这是一种仍处于起步阶段的技术，”他说。金补充说，这些卫星不仅由金属制成，还包含硅和聚合物等材料，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到的金属的成分，就很难实现可靠和可预测的推力。
“因此，虽然太空垃圾衍生的金属可能适用于非精密机动（如脱轨），但不太可能适用于高精度推进。”
