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太空里垃圾成災?因為發射的衛星太多了……

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-09-15     來源:把科學帶回家     瀏覽次數:962
核心提示:太空碎片已經逐漸成為航天業的主要威脅。人類向太空發射的物體,基本都在近地軌道上。車道再寬闊,一旦變得擁擠,碰撞事故便在所難免。
被垃圾環繞的星球

       在電影《地心引力》里,有這樣一個情節:

       兩名宇航員在太空中執行任務時,突然遭遇一場“碎片雨”。

       像子彈一樣高速飛過的太空碎片,不僅把飛船撞得七零八落,還差點讓兩名宇航員命喪太空。

太空垃圾
圖片來源:電影《地心引力》

       不要以為這只是科幻片虛構的情節。

       實際上,太空碎片已經逐漸成為航天業的主要威脅。

       2009年2月,美國一顆私人通信衛星與俄羅斯一顆軍用衛星以11.7公里每秒的速度相撞,兩者都被摧毀。NASA 估計,此次碰撞至少產生了超過1000塊10厘米以上的碎片。

       2021年3月,中國發射的云海一號02星被一塊太空碎片碰撞后解體;2021年5月,國際空間站的一個機械臂被太空碎片撞出一個洞……

太空垃圾
國際空間站被碎片撞出的洞。圖片來源:NASA

       這些太空碰撞事故,都發生在近地軌道上。

       近地軌道可以理解成距離地球比較近的一條寬闊車道。

       人類向太空發射的物體,包括空間站、人造衛星、探測器、飛船等,大多都聚集在近地軌道上。由此產生的垃圾也基本分布在這條軌道上。

       可是車道再寬闊,一旦變得擁擠,碰撞事故便在所難免。

太空碰撞
太空碰撞示意圖。圖片來源:best documentary

       近年來,由于技術發展與成本下降,進軍太空變得越來越容易。

       以往傳統的雷達衛星體積龐大,重量可達數噸,發射一次要耗資數億美元,因此只有政府才能負擔得起。

       如今的衛星發射逐漸商業化,而衛星也越做越小,斯坦福大學聯合研發的立方體衛星只有10厘米見方,美國某企業研發的超級信鴿衛星只有一個鞋盒大小。

立方體衛星
立方體衛星。圖片來源:Wikipedia

       同時,火箭可搭載的衛星也越來越多。

       2021年,馬斯克運營的 SpaceX 單次火箭可以發射143顆衛星,刷新了世界紀錄。目前 SpaceX 發射一個衛星只需100萬美元,極大地降低了成本。

       因此,太空里人造物體的數量也開始井噴。

       在2012年之前,人類向太空發射的物體每年不超過200個。然而,到了2020年,這個數字暴漲到1200,2021年則是約1800個。

       目前在近地軌道上,已經有超過一萬個衛星在圍繞著地球旋轉。

衛星數量

       發射數量2015年后開始井噴。圖片來源:our world in data

       而未來計劃要發射的衛星不會變少,只會越來越多。

       SpaceX 公司正在大規模部署衛星版圖,計劃將近地軌道上分散的24個軌道面擴大到72個,未來還要發射1.2萬顆星鏈衛星。

       近地軌道越來越擁擠,由此產生的太空垃圾數量也不容小覷。

       所謂的太空垃圾,涵蓋了航天飛船廢棄的助推器、退役的人造衛星(超過3000個)、航天器的各種零件(螺絲刀、螺母、螺栓等),還有各類體積較小的垃圾,比如航天器外部因強烈的紫外線照射而脫落的油漆碎片。

       由于碎片數量龐大,且小到無法追蹤,沒有人能夠準確知道太空里一共漂浮著多少垃圾。

太空垃圾
太空垃圾示意圖。圖片來源:MIT News

       科學家估計,在近地軌道上,大小在1~10厘米之間的碎片約有75萬塊,大小超過10厘米的碎片約有3萬塊,而小于1厘米的碎片數量在一億塊以上。

       “我們已經被一個類似垃圾場的東西圍繞。”密歇根州立大學天體物理學教授 Megan Donahue 說。

       太空垃圾的增多,首先會增加碰撞幾率。

       科學家估計,物體的數量增加一倍,碰撞的幾率就會增加四倍。

       而且碎片飛行的速度非?欤_到28000公里每小時,即便是一塊小小的碎片,也可以摧毀比它大得多的衛星或航天器,造成大規模災難。

太空垃圾
太空垃圾的主要來源國。圖片來源:BBC

       更可怕的是,碎片之間相撞會出現級聯反應,這被稱為“凱斯勒效應”。

       這是由美國科學家唐納德·凱斯勒在1978年首先提出的。它指的是在近地軌道上,物體的密度達到一定程度后,碎片之間相撞會形成更多的碎片,從而導致更多的撞擊,最終導致近地軌道完全被太空垃圾覆蓋。

       除此之外,太空垃圾還有可能穿過大氣層,重新掉落地球。

太空垃圾

       衛星穿過大氣層時,可能會因摩擦燒毀,也有可能燃燒不完全,仍有殘骸掉落地球。圖片來源:space news

       1970年代,有一塊 NASA 的火箭碎片,掉落在澳大利亞西部,澳洲當局以“亂扔垃圾”向美國罰款400美元,罰款至今未付。

       近幾年,太空碎片掉落地球的新聞并不鮮見。

       今年7月,中國長征五乙號運載火箭成功發射,部分殘骸墜落印度洋;今年8月,澳大利亞新南威爾士州的一個農場也發現了好幾塊太空碎片,每塊高約3米,后證實是 SpaceX 火箭掉落的。

太空垃圾
掉落在澳大利亞農場的碎片。圖片來源:the guardian

       但歷史上真正被太空碎片擊中的,只有一個人。她就是美國俄克拉荷馬州的居民 Lottie Williams。

       1997年1月的一個夜晚,她在公園散步時,看到天邊有一顆像流星一樣的東西劃過。然后,她突然感到肩膀被拍了一下,回頭一看,原來是一塊燒焦的網布掉落下來。

       后來她才知道,這塊垃圾來自當天墜落地球的 Delta II 號火箭。

       科學雜志《自然》的一篇文章預測,人類在10年內有10%的幾率被墜落的太空碎片擊中。

太空垃圾
       這位幸運女士與擊中她的碎片。圖片來源:fox news

       引發碰撞事故、可能墜落地球、阻礙宇宙觀測……太空垃圾的危害正在擴大。

       如何清理太空垃圾,變得迫在眉睫。

       多國都已啟動相關項目,來應對太空垃圾問題。由英國薩里大學主導的 RemoveDEBRIS 項目,于2018年分別試驗了使用網和魚叉來清理垃圾。

       在網的測試中,航天器會發射幾個物體,牽引出網的幾個頂點,將網展開從而將垃圾捕獲;在魚叉的測試中,魚叉則以20米每秒的速度被發射出去,成功撞擊并穿透目標。

       通過多次試驗,網和魚叉都被證實是可行的清理手段。

清理太空垃圾
用網捕獲太空垃圾的設想圖。圖片來源:ESA

       日本2016年發射的"鸛"號貨運飛船,則使用一條金屬繩索,將太空垃圾吸附到表面,然后通過繩索向其放電,讓其減速。

       當太空碎片的速度低于圍繞地球旋轉所需的速度后,它就會墜入大氣層,與大氣摩擦燒毀。

       ESA(歐洲航天局)也啟動了一個 ClearSpace 項目,目的同樣是清理太空垃圾,預計將于2025~26年發射。

清理太空垃圾
清理太空垃圾的設想圖。圖片來源:ESA

       盡管如此,太空垃圾清理的速度遠遠跟不上生產的速度。

       有人說,近地軌道就像一條在沒有拖車的情況下,使用了60多年的高速公路。

       在未來,碰撞將會是主導的太空問題。如果不進行干預的話,近地軌道被垃圾占領只是時間問題。而這一點仍未得到世界各國足夠的重視。

       一名航空公司的咨詢顧問表達了他的擔憂:“我討厭這樣說,但只有當災難真正發生在人類身上,我們才會行動。” 
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