涌入太空的太空垃圾,有多少种清理的办法?

观察未来科技

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· 8月5日

太空垃圾除了带来安全的挑战,也带来了太空垃圾清除技术的发展,以及一场新的太空垃圾清理产业的兴起。

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涌入太空的太空垃圾,有多少种清理的办法?

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图片来源@视觉中国

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文|观察未来科技

当前,人类正在更多地利用太空资源。不过,太空对这种利用还需要面对一个环境容量的问题——太空资源的利用,也有一个空间容量极限、规则和秩序。如今,太空探索形成的环境的最严重问题是太空垃圾,即围绕地球轨道的无用人造物体,包括人造卫星碎片、漆片、粉尘,甚至整个火箭发动机等等

有报道认为,“40%的太空垃圾是中国制造的。美国的太空垃圾占27.5%,俄罗斯占25.5%,其他国家占7%”。越来越多的太空垃圾增加了空间站和载人飞船被撞击的可能,给太空探索带来新的挑战。当然,随着挑战而来的,还有机遇,那就是关于太空垃圾清除技术的发展,以及一场新的太空垃圾清理产业的兴起。

难以回避的太空垃圾

作为围绕地球轨迹的无用人造物体,太空垃圾作是除了正在运行的航天器之外的各类人造废弃物体。

目前,太空垃圾由三大主要部分组成:一是已经达到运行寿命或是已经退役但还没有返回地球的人造航天器,以及各个人造航天器之间、自然天体与人造航天器之间发生碰撞所产生的碎片;二是来自于运载火箭的发射中散落的残骸;三是源于航天员在太空生活时所产生的垃圾,以及在完成太空考察任务过程中不慎遗落的物品。

对于太空探索来说,太空垃圾的确是一个严重的问题。如果人造卫星或宇宙飞船撞到哪怕几厘米长的太空碎片,都可能受到严重的破坏。因此,为防止与漂浮在地球周围的小金属碎片相撞,火箭有时不得不推迟发射。这也是人类最大的“宇宙飞船”——国际空间站面临的一大挑战。科学家们必须定期将空间站上升或下降到安全的地方。否则,它可能因为碰撞而变成太空垃圾,而空间站里的宇航员更是面临生命威胁。

太空垃圾的“攻击原理”类似于枪支子弹或导弹,它们的速度甚至更快,因为地球轨道上的物体基本上都是以每小时2.7万千米的速度前进。这样的撞击通常不会是迎面而来,但平均的相撞速度仍会达到每小时3.6万千米。

举个简单的例子,一个直径1厘米的铝制球体,大约只有标准弹珠的大小,但造成的撞击能量相当于一颗以时速2600千米前进的板球,或者是一辆时速96千米的汽车。没有任何物体能承受这样的冲击。

另外,太空中还有更大的东西,可能是剩余的火箭节,也可能是废弃的卫星。1996年,一枚法国军事侦察卫星就被多年前爆炸的一枚火箭的碎片撞上。这块碎片大约只有公文包大小,但撞击却导致了卫星主天线折断。1985年,美国用反卫星导弹击毁一颗在500多千米高轨道上的军用实验卫星,产生成千上万的碎片,引起了争议。2009年也发生过一起无法避免的意外:一枚已经无法运行的俄罗斯卫星撞上了美国的铱卫星,进一步增加了太空中的碎片总数。

人类已经占据了太多空间——甚至将太空变成了我们的垃圾填埋场。如今,约有几千颗卫星在围绕地球正常运行,但也有数千颗已经报废的卫星悄无声息地成为太空碎片。还有坠毁的飞船,它们坠落到大气中时被烧成了灰烬。

根据美国国家航空航天局轨道碎片项目办公室的报告,早在2018年,近地太空中卫星碎片和火箭残骸的总数已经达到14357个。美国空间碎片研究专家唐纳德·凯斯勒的研究结果表明,按照目前太空碎片的增长速度估算,如果不采取任何措施,再过 70年左右,太空中的碎片数量将达到发生碎片链式撞击效应的临界值,之后近地空间将无法使用。

要知道,在半个多世纪以前,1957年,太空中只有一颗人造卫星——苏联研制发射的“人造地球卫星”1号。它只有83.6千克重,和一个直径半米的金属球差不多大,里面有一个无线电发射机。

事实已经证明,密集庞大的碎片、火箭发射残骸以及太空生活垃圾都会对航天器的运行和人类进一步探索太空的行动构成一种直接或是潜在的威胁,大量太空垃圾无序飘浮,打破了太空环境原有的生态平衡,一旦突破太空环境自我调节的底线,很可能出现无法挽回的太空环境危机。

有多少清理太空垃圾的办法?

太空垃圾会产生的逻辑很简单,就是因为虽然各国都在竞相发射卫星,但却没有人去做清除的工作。为了不让人造卫星的碎片像诸多科幻电影中那样引发事故,人类也正在开始努力减少太空垃圾。

预先知道太空垃圾的位置与速度,算出它未来的轨道,并通知有可能与之相撞的航天器改变轨道规避,这只是消除太空垃圾的治标之策。要根除太空垃圾,还需从垃圾本身入手。

焚烧处理是一种比较常用的解决方案。实际上,大部分碎片的公转速度都会减慢,在几天或几年后坠落,并在大气层中烧毁。其中,有些物体则是人类故意让它在地球大气层中烧毁的。不过,为了以防万一,它们掉落的地点也都对准了海洋,从而避免掉落在人口稠密的地方。另一种解决办法是将废弃的人造卫星发射到一条更高的轨道上,在这条所谓的“公墓轨道”上,运行的航天器寥寥无几,因此发生撞击的可能性也大大降低。

清除与回收太空垃圾的方法还有“激光扫帚”,即用激光产生的光压推开微小碎片,或用热量气化太空碎片,这种方法适合直径1至10厘米的太空垃圾。阿瑟·克拉克在1979年出版的科幻小说《天堂喷泉》就描写了这样的场景——人们展开大清扫行动,用装备有高能量激光的太空堡垒扫荡天空,用激光炮将所有垃圾蒸发。

另外,清除与回收太空垃圾的“太空垃圾网”是用高强度纤维编织的大网拦截太空碎片。美国一家航天技术公司建议开发一种名为“太空牧羊犬”的装置,把太空垃圾逐个清出轨道。太阳能飞船上装备有数个“牧羊犬”——放飞到碎片附近的小型飞船,“牧羊犬”围绕太空垃圾飞行并寻找合适的对接点,一旦连接在一起,就把垃圾一起拖回大气层。每次小飞船都可以捕捉相当于自身质量数倍的太空垃圾。这听起来就像用牧羊犬围拢羊群一样简单。

这种办法类似于给太空垃圾插上“翅膀”。2010年3月,英国萨里大学的科学家公布了“立方帆”的设计,其展开后会形成一块5米×5米的塑料薄膜,它将单独发射并在地面人员的引导下利用自身的动力靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾对接,它就会张开帆,把太空垃圾拖离轨道,坠向地面。

“机器清洁工”则是用带有机械臂的机动卫星来捕获太空碎片。王晋康在短篇科幻小说《太空清道夫》中也描写了驾驶“太空清道车”回收太空垃圾的宇航员形象。在小说中,由于人类频繁的太空活动,产生了越来越多的太空垃圾。这些太空垃圾,如果不做适当处理,人类最终很可能无法进行安全的太空飞行。因而,清理太空垃圾的太空清道夫几乎可以说是一种必然出现在未来的新职业。

一些太空环保主义者想得更远,约翰逊航天中心的轨道碎片首席科学家尼古拉斯·约翰逊认为,重返月球之前首先要考虑月球周围的太空垃圾。这些围绕月球运转的碎片会对未来的无人探月计划和载人登月计划构成威胁。它们都是以往人类进行月球探测的副产品,由各种航天器的碎片构成。

由于月球引力场不均匀,这些碎片垃圾有可能冲出本来的轨道,以每小时5000英里的速度撞向月球表面,这不但会对登月宇航员的安全构成威胁,也可能破坏具有历史纪念意义的阿波罗飞船着陆点。

太空垃圾清理产业正兴起

随着太空垃圾清理技术一同发展的,还有太空垃圾清理产业。近年来,太空垃圾清理相关企业正在陆续出现。

2019年,瑞士的航太新创企业兼代表性的太空垃圾清理技术开发企业 Clear Space与欧洲太空总署签订了一份超过1亿美元的太空垃圾回收合约。2025年Clear Space 或将成为世界上第一家太空垃圾清理企业。

Clear Space-1将会利用带有四只机械臂的机器人卫星清理太空垃级。当机器人卫星进人轨道。感测器会感测并接近太空垃圾 ,接着用四只机棫臂将其包住后朝地球坠落,机器人和残骸进人大气层后会因摩擦热而烧毁。

日本也正在太空垃圾处理产业崭露头角。太空垃圾清理企业Astroscale 开发出了一种会在发射机器人卫星并利用黏着剂黏住太空垃圾后,返回大气层的方式。截至目前为止,Astroscale 共获得了210 亿日元的投资,其目标是在 2023年左右将这项服务商业化。2021年3月,Astroscale 把负责回收太空残骸的卫星ELSA-d装在俄罗斯的联盟号火箭上后,将其送入了地球低轨道。

俄罗斯航天企业 StartRocket 也正在开发一种利用“泡沫碎片捕手”技术回收太空垃圾的卫星,其目标为最快在 2023 年发射这个卫星。这个圆柱体卫星会在有许多太空垃圾的地方释放出具有黏性的聚合物泡沫,黏住垃圾的碎片,然后将其抛入地球的大气层中,利用摩擦热使其燃烧。

澳洲的科技企业EOS宣布,他们在经过七年的研发后,成功开发出了一种能将地球表面危险的太空垃圾打飞到轨道外的强大镭射这种镭射能准确地追踪并击中地球轨道上的残骸。若这种镭射能正常运作,宇宙将会变得比现在更安全。

根据 9News 的报导,这个系统实际上由两种镭射光组成。第一种镭射光是明亮的橘色激光束,负责瞄准特定太空垃圾;第二种镭射光则负责提升镭射的准确度,强度远高于第一种镭射。第二种镭射会被射出轨道、进入更深的空间。这个系统会在映射大气后,以每秒更新数百次的地图为基础,变换地面的镭射光束,因此其能完美掌握宇宙空间并击中垃圾。

韩国也正在考虑开发相关技术。根据韩国政府公布的 《2021年太空危险应对施行计 画》,为应对太空物体碰撞的风险和太空危险,韩国政府将投入约 130 亿韩元的预算在技术开发上。此外,韩国目前也正在计划加入机构间太空碎片协调委员会、国际民用航空组织等旨在开发太空垃圾清除技术的国际组织。

可以预见,太空资源的利用和生产制造将带来丰厚的利润,重新定义人类的未来,但前提是,一个清洁和安全的太空环境。如今,环境保护的意识已经延伸到大气层以外了,事实上,也只有在不断完善的国际法和道德自律的双重约束下,人类才能进一步地探索太空,如果在如果太空垃圾清理、太空资源开采和外太空基本行为准则等领域缺少国际共识,那么人类所预想的美好前景都可能受挫。

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