太空里垃圾成災(zāi)？因為發(fā)射的衛(wèi)星太多了……

       在電影《地心引力》里，有這樣一個情節(jié)：

       兩名宇航員在太空中執(zhí)行任務(wù)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。

       不要以為這只是科幻片虛構(gòu)的情節(jié)。

       實際上，太空碎片已經(jīng)逐漸成為航天業(yè)的主要威脅。

       2009年2月，美國一顆私人通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆軍用衛(wèi)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(chǎn)生了超過1000塊10厘米以上的碎片。

       2021年3月，中國發(fā)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……

       這些太空碰撞事故，都發(fā)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(fā)射的物體，包括空間站、人造衛(wèi)星、探測器、飛船等，大多都聚集在近地軌道上。由此產(chǎn)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。

       近年來，由于技術(shù)發(fā)展與成本下降，進軍太空變得越來越容易。

       以往傳統(tǒng)的雷達衛(wèi)星體積龐大，重量可達數(shù)噸，發(fā)射一次要耗資數(shù)億美元，因此只有政府才能負擔(dān)得起。

       如今的衛(wèi)星發(fā)射逐漸商業(yè)化，而衛(wèi)星也越做越小，斯坦福大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的立方體衛(wèi)星只有10厘米見方，美國某企業(yè)研發(fā)的超級信鴿衛(wèi)星只有一個鞋盒大小。


       同時，火箭可搭載的衛(wèi)星也越來越多。

       2021年，馬斯克運營的 SpaceX 單次火箭可以發(fā)射143顆衛(wèi)星，刷新了世界紀錄。目前 SpaceX 發(fā)射一個衛(wèi)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(shù)量也開始井噴。

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

       目前在近地軌道上，已經(jīng)有超過一萬個衛(wèi)星在圍繞著地球旋轉(zhuǎn)。


       發(fā)射數(shù)量2015年后開始井噴。圖片來源：our world in data

       而未來計劃要發(fā)射的衛(wèi)星不會變少，只會越來越多。

       SpaceX 公司正在大規(guī)模部署衛(wèi)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(fā)射1.2萬顆星鏈衛(wèi)星。

       近地軌道越來越擁擠，由此產(chǎn)生的太空垃圾數(shù)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(wèi)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(shù)量龐大，且小到無法追蹤，沒有人能夠準(zhǔn)確知道太空里一共漂浮著多少垃圾。


       科學(xué)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(shù)量在一億塊以上。

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

       太空垃圾的增多，首先會增加碰撞幾率。

       科學(xué)家估計，物體的數(shù)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�達到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(wèi)星或航天器，造成大規(guī)模災(zāi)難。

       更可怕的是，碎片之間相撞會出現(xiàn)級聯(lián)反應(yīng)，這被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。

       這是由美國科學(xué)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(dǎo)致更多的撞擊，最終導(dǎo)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。


       衛(wèi)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(dāng)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(fā)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(nóng)場也發(fā)現(xiàn)了好幾塊太空碎片，每塊高約3米，后證實是 SpaceX 火箭掉落的。


       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(wǎng)布掉落下來。

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

       科學(xué)雜志《自然》的一篇文章預(yù)測，人類在10年內(nèi)有10%的幾率被墜落的太空碎片擊中。


       引發(fā)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(guān)項目，來應(yīng)對太空垃圾問題。由英國薩里大學(xué)主導(dǎo)的 RemoveDEBRIS 項目，于2018年分別試驗了使用網(wǎng)和魚叉來清理垃圾。

       在網(wǎng)的測試中，航天器會發(fā)射幾個物體，牽引出網(wǎng)的幾個頂點，將網(wǎng)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(fā)射出去，成功撞擊并穿透目標(biāo)。

       通過多次試驗，網(wǎng)和魚叉都被證實是可行的清理手段。


       日本2016年發(fā)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(dāng)太空碎片的速度低于圍繞地球旋轉(zhuǎn)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(yù)計將于2025~26年發(fā)射。


       盡管如此，太空垃圾清理的速度遠遠跟不上生產(chǎn)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(dǎo)的太空問題。如果不進行干預(yù)的話，近地軌道被垃圾占領(lǐng)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(dān)憂：“我討厭這樣說，但只有當(dāng)災(zāi)難真正發(fā)生在人類身上，我們才會行動。”