这项新发明登上Nature,会是马斯克最需要的太空技术吗?

学术头条

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· 11月8日

希望我们头顶闪烁着的,是浩瀚的星河,而不是太空垃圾反射的光。

图片来源@MIT News

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文丨学术头条,作者丨郝景,编审丨寇建超

人类从未停止仰望星空,无论是中国古代的牛郎织女、嫦娥奔月,还是古希腊神话中月亮女神的故事,无一不透露着人类对星空的向往。

图|太阳、月球和太阳系八大行星(来源:pixabay)

在人类悠久的文明中,好奇心一直驱动着我们去探索太空。然而,也正因为如此,自 1957 年苏联成功将斯普特尼克 1 号送入太空以来,全球各个国家也开始向太空中发射各式各样的人造卫星。

如今,地球近地轨道的人造卫星日益爆满,产生的太空垃圾也越来越多,而高速运动的太空垃圾不仅会像炮弹一样摧毁人造卫星或航天器,还会威胁宇航员的生命安全。

图|地球周围的太空垃圾(来源:NASA)

因此,如何清理太空垃圾已然成为了一个非常迫切、但又十分棘手的问题。

近日,美国犹他大学机械工程系的 Jake J. Abbott 教授带领的研究团队及其合作者发明了一种利用旋转磁铁操纵轨道碎片的技术。

这种技术可以使机械臂在不接触碎片的情况下,将碎片移动到衰变的轨道或者更远的太空中,也可以修复受损的人造卫星来延长它们的寿命。

(来源:Nature )

相关研究论文以“Dexterous magnetic manipulation of conductive non-magnetic objects”为题,已发表在权威期刊 Nature 上。

太空垃圾的“凯斯勒综合症”

在生活中,大家都很清楚哪些东西属于垃圾,那么太空垃圾主要包括什么呢?

太空垃圾又称为空间碎片或者轨道碎片,一般是指:那些绕地球轨道运行,但不具备任何用途的人造物体。

这些人造物体,大多是固态火箭的燃烧残渣、火箭发射后遗弃的多级火箭、以及废弃的人造卫星。小到人造卫星的表面漆片,大到整个飞船残骸,都属于太空垃圾的范畴。

图|宇航员在实施 STS-126 舱外活动时意外丢掉的工具包(来源:维基百科)

而太空垃圾的存在可能会引起凯斯勒综合症(也被称为碰撞级联效应),这种效应认为,当近地轨道运转的物体密度达到一定程度时,这些物体在碰撞以后产生的碎片能够形成更多的新的碰撞,形成级联效应。

这种效应意味着,地球近地轨道会被太空垃圾所覆盖,导致人造卫星失去能够安全运行的轨道。最终结果是,在数百年后,无论是人造卫星的正常运行,还是人类对太空的探索,将无法进行。

不仅如此,太空垃圾也会影响目前人造卫星的作业及宇航员的安全。

据美国国家航天局(NASA)称,目前已经有超过 27000 块垒球大小(圆周为 29.4-30.8 厘米)的太空碎片在绕地球轨道运行,它们的速度高达每小时 17500 英里,这样的速度足以让一小块碎片像银河炮弹一样摧毁人造卫星或航天器,威胁到宇航员的生命安全。

因此,清理太空垃圾势在必行。

目前,主要存在三种方式:

1)激光推进技术:利用强大的连续波激光照射太空垃圾,使其温度升高直到被熔化或者汽化,或者利用高能脉冲激光束照射太空垃圾表面,为太空垃圾提供一定的速度增强,从而使其坠入地球大气层而被摩擦烧毁;
2)飞网捕获系统设想:像用渔网捕鱼一样,将太空垃圾用飞网捕获。但是目前这种技术仍未达到可以应用的程度;
3)机械臂抓捕:也称为在轨卫星捕获技术,是在轨道上通过机械臂捕捉另一个航天器的技术,使用机械臂方式捕捉敌方在轨飞行器可以避免产生大量的碎片。

对此,Abbott 教授表示,目前对于采用机械臂抓捕太空垃圾的方法,需要将机械臂放置到可以接触到太空垃圾的位置,如果这个太空垃圾的转速过快或者失去控制,将会折断机械臂,产生更多的碎片。

因此,Abbott 教授团队发明的旋转磁铁操纵轨道碎片的技术,将为太空垃圾的清理提供一个更有效的方法。

“乾坤大挪移”

磁操纵具有非接触的优点,当操纵器和目标之间存在破坏性碰撞风险时,这一点尤其具有吸引力。

研究人员利用这一优点,采用旋转磁偶极子场在太空中移动非磁化的金属物体。当金属碎片受到一个变化的磁场时,电子会在金属中以圆形的方式循环转动。

Abbott 教授表示,“这种情况类似于当你旋转你的咖啡杯时,咖啡也会跟着一圈一圈地转。”

这个过程使得太空碎片变成了一个能通过感应涡流产生扭矩和力的电磁铁,这样就可以使得机械臂在不接触碎片的情况下而去控制碎片的去向,大大减少了机械臂被折断的风险。

这种方法还允许科学家操纵特别脆弱的物体。研究人员表示,机械臂可能会损坏物体,因为它的抓手对物体的局部施加了力,而这些磁铁会对整个物体施加更温和的力,所以物体不会因为局部受力大而受到损害。

研究人员为了测试该项技术,使用了一系列磁铁来移动水箱中塑料筏子上的铜球(这是模拟微重力下缓慢移动物体的最好方法)。磁铁不仅使球体呈方形移动,而且还使球体旋转。

图|模拟微重力下铜球的灵巧操作(来源:该论文)

虽然这种利用磁流来操控太空中物体的想法并不新鲜,但研究人员发现,以协调的方式使用多个磁场源可以让物体以六度运动,包括旋转它们。

图|六自由度位置和恒定方向控制(黑色线为移动轨迹)(来源:该论文补充信息)

Abbott 教授表示,“我们想要做的是操纵它,不是仅仅把它推下去,而是像在地球上那样操纵它。这种灵巧的操作方式是前所未有的。”

因此,这种技术不仅可以移动太空碎片,还能阻止一颗受损的卫星疯狂旋转,从而对卫星进行修复。

Abbott 教授认为,这种用磁铁操纵非磁性金属物体的原理,不仅适用于清除太空中小的太空垃圾,更加可以应用于解决环绕地球的体积较大的太空垃圾的问题。

除此之外,研究人员在实验模型的建立方面只考虑到实心球体,下一步将考虑到空心球和其他简单的几何物体(如长方体和圆柱体)。

研究人员表示,虽然目前已经证明使用标准位置和一次驱动一个偶极场源的简化方法足以执行灵巧的操作,但它可能并不是最优的。

相对于旋转偶极子的任意球体位置的通用扳手模型,以及对叠加的非线性性质的理解,都是悬而未决的问题。

会是马斯克最需要的太空技术?

谈到太空垃圾和太空光污染,就不得不提到全球首富马斯克的星链(Starlink)计划——根据现有计划,最终可能会有高达4.2万颗的星链卫星“游荡”在 330-1300 公里范围内的不同高度轨道上。

关于星链计划的最初设想,马斯克对外的说法是,通过以 6G 网络和太空数据为载体,打造下一代卫星网,将全球人类带入天基互联网时代,并能运用在例如火星等环境上,在太阳系内部署通信基础建设。

不得不说,这确实是一个值得期待的巨大工程。

但在这一美好设想之外,是天文学家的痛斥与不满,因为一旦数以万计的星链卫星混入星空与星星一同闪烁,就会对天文观测造成极难以消除的“污染”,并且在光学和无线电波长上的亮度都会严重影响科学观测。

尽管马斯克提出了一些解决方案——实验性的“遮阳板”(VisorSat)以及一种在星链卫星提升轨道时定位它们的新方法,来解决天文学家的提出的担忧。

但还有另外一个问题,也就是可能产生太空垃圾。因为数量如此多的星链卫星也难免会有一部分成为太空垃圾,一旦这些太空垃圾“失控”,就可能会对近地轨道卫星造成毁灭性破坏,甚至可能危害人类的生命安全。

除了马斯克的星链计划,贝佐斯的柯伊伯系统(Kuiper Systems) 和 OneWeb 的卫星群,都会有产生太空垃圾的可能。

那么问题来了,这项发表在Nature上的新研究,能否给他们提供一些减少太空垃圾的新思路?

康德的墓碑铭文上写道,“有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,它们在我心灵中唤起的惊奇和敬畏就会越来越历久弥新,一个是我们头顶浩瀚灿烂的星空,另一个就是我们心中崇高的道德法则。”

希望我们头顶闪烁着的,是浩瀚的星河,而不是太空垃圾反射的光。

参考资料:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03966-6
https://phys.org/news/2021-10-proactive-approach-space-junk.html
https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question22.html
https://commons.erau.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1000&context=stm
https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

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