太空垃圾清理工作進(jìn)展不順利

即使是微小的空間碎片也會產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。這張圖片顯示了一塊鋁和一個(gè)小鋁球之間以每秒近7公里的速度撞擊的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。

（圖片來源：ESA歐洲航天局）

一場太空時(shí)代的“哈定悲劇”正在我們眼前展開——或者說，就在我們頭上真實(shí)存在——但對于如何阻止它，還未達(dá)成共識。半個(gè)多世紀(jì)以來，人類向近地軌道投擲物體的數(shù)量不斷增加。由于對進(jìn)一步發(fā)射到這個(gè)日益擁擠的區(qū)域幾乎沒有什么明確的限制，普遍的態(tài)度一直是寬容的：似乎軌道上總是有空間再發(fā)射一次。

廢棄的多級火箭、脫落的螺栓和油漆碎片、固體火箭發(fā)動機(jī)的殘骸、壞掉或?yàn)l臨壞掉的衛(wèi)星以及反衛(wèi)星試驗(yàn)的零星碎片等，這些可能損壞或摧毀其他太空財(cái)產(chǎn)的高速運(yùn)動的雜物經(jīng)過幾十年的堆積，使得近地軌道即將變得過于擁擠，而無法讓太空儀器在舒適的狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于一種需要數(shù)千艘航天器的人造衛(wèi)星“巨型星座”的興起，例如SpaceX的寬帶互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)Starlink，近地軌道擁擠問題現(xiàn)在可能會變得更糟。Starlink只是眾多類似項(xiàng)目中的一個(gè)：另一個(gè)名為OneWeb的公司的巨型星座已經(jīng)部署完畢，亞馬遜的柯伊伯計(jì)劃正在尋求在不久的將來建立一個(gè)由多達(dá)3200顆衛(wèi)星組成的巨型星座。

在軌道越來越擁擠的情況下，在軌資產(chǎn)之間的密切接觸也在增加。例如，國際空間站為了避免可能造成危險(xiǎn)的太空碎片，需要定期調(diào)整軌道。更糟糕的是，這增加了大碰撞的威脅，而這些碰撞產(chǎn)生的具有威脅性的太空垃圾會讓本就糟糕的局勢進(jìn)一步惡化。想想2009年2月，一顆俄羅斯宇宙衛(wèi)星和一艘商業(yè)銥星航天器之間的碰撞，產(chǎn)生了大量碎片。

美國國家航空航天局（NASA）退休的軌道碎片研究高級科學(xué)家唐納德·凱斯勒（Donald Kessler）表示，尋找清理部分太空垃圾的方法應(yīng)該是全球的首要任務(wù)。20世紀(jì)70年代末，他預(yù)言了一種被稱為凱斯勒綜合征的情況的可能性：隨著空間垃圾密度的增加，可能會出現(xiàn)碎片碰撞的級聯(lián)、自我維持的失控循環(huán)，最終可能使近地軌道過于危險(xiǎn)，無法支持大多數(shù)空間活動。

凱斯勒說：“現(xiàn)在，學(xué)界內(nèi)一致認(rèn)為，碎片環(huán)境已經(jīng)達(dá)到一個(gè)‘臨界點(diǎn)’，即使所有發(fā)射都停止，碎片也會繼續(xù)增加?！薄！斑@需要銥宇宙類型的碰撞才能引起大家的注意。結(jié)果就是這樣……而我們早就該做這樣的事情了?！?/p>

至于凱斯勒綜合癥，碎片專家說：“它已經(jīng)開始了?！眲P斯勒補(bǔ)充道：“一直都有碰撞發(fā)生，沒有那么劇烈，也沒有大規(guī)模的碰撞。”

嘗試與進(jìn)展

凱斯勒的噩夢場景產(chǎn)生了不少可能的碎片清除方法：網(wǎng)、激光爆炸、魚叉、巨型泡沫球、空氣噴射、繩索和太陽帆，以及垃圾收集機(jī)器人手臂和觸手，這些都被提議作為清除軌道垃圾的解決方案。

為了應(yīng)對這種令人擔(dān)憂的事態(tài)，剛剛啟動的太空尺度演示生命終結(jié)服務(wù)（ELSA-d）任務(wù)新加入其中。ELSA-d是一個(gè)由日本衛(wèi)星服務(wù)公司Astroscale開發(fā)的雙衛(wèi)星任務(wù)：它由一個(gè)用于安全地清除軌道上的碎片的“服務(wù)器”衛(wèi)星和一個(gè)“客戶機(jī)”衛(wèi)星組成，兼做目標(biāo)回波。該項(xiàng)目旨在展示一種用于軌道碎片清除或者維護(hù)都能夠捕獲穩(wěn)定甚至翻滾的物體的磁系統(tǒng)。按照多階段測試議程，“服務(wù)器”衛(wèi)星和“客戶機(jī)”衛(wèi)星將一起脫軌，在它們猛烈地墜入地球大氣層時(shí)解體。

ELSA-d現(xiàn)在在近地軌道上繞轉(zhuǎn)。該任務(wù)由搭載大量其他衛(wèi)星的俄羅斯聯(lián)盟號火箭發(fā)射升空。升空后，Astroscale創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Nobu Okada表示，ELSA-d將證明碎片清除能力，并“推動監(jiān)管發(fā)展，推進(jìn)報(bào)廢和活動碎片清除服務(wù)的商業(yè)案例”。他說，此次升空是朝著“安全和可持續(xù)地發(fā)展空間，造福后世”邁出的一步。

盡管ELSA-d和其他同類技術(shù)的演示無疑是清除軌道碎片的積極進(jìn)展，但它們不應(yīng)被誤認(rèn)為是萬靈藥。這些任務(wù)取得了一定的成功，但仍無法解決當(dāng)前的動態(tài)困境，太空垃圾的擴(kuò)散基本上有增無減。

是否有通用的解決方案？

“從我的角度來看，處理空間碎片的最佳解決方案是一開始就不要產(chǎn)生空間碎片，”關(guān)注地球軌道物體的分析小組CelesTrack的科學(xué)家T.S.Kelso這樣說道。“就像任何環(huán)境問題一樣，防止污染比事后清理更容易，成本也低得多。航天器在完成任務(wù)后，不要把東西留在軌道上?！?/p>

Kelso說，對于太空垃圾問題，根本沒有“通用的解決方案”。

他觀察到，移除大型火箭彈體與移除等效質(zhì)量的軌道范圍較廣的更小物體，是截然不同的任務(wù)。與此同時(shí)，SpaceX等公司的創(chuàng)新大大降低了發(fā)射成本，為更多的衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道打開了閘門，在低地球軌道上，一些衛(wèi)星將不可避免地發(fā)生故障，并成為漂流和產(chǎn)生碎片的危險(xiǎn)（除非用類似ELSA-d太空拖船將其移除）?！霸S多運(yùn)營商開始認(rèn)識到繼續(xù)躲避不斷增加的碎片的困難和復(fù)雜性?！?/p>

澳大利亞弗林德斯大學(xué)（Flinders University）的空間考古學(xué)家和空間垃圾專家愛麗絲·戈曼（Alice Gorman）表示，空間垃圾從納米顆粒到整個(gè)航天器，比如在所有人的清除名單中名列前茅的歐洲航天局（European Space Agency）發(fā)射的有雙層巴士那么大的Envisat。

還有一些物體，如固體金屬壓重塊和如紙薄的隔熱毯。戈?duì)柭f：“它們會造成不同類型的損害，可能需要不同的方法來清除。通用的方法不可能做到這一點(diǎn)?！?/p>

戈?duì)柭f，最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)來自大小在1到10厘米范圍的碎片顆粒?！八鼈儽日麄€(gè)報(bào)廢的航天器多得多，發(fā)生碰撞的可能性要大得多?！薄半m然如此大小的碎片可能不會造成災(zāi)難性的破壞，但與之碰撞肯定會損壞正在工作的衛(wèi)星，并產(chǎn)生新的碎片顆粒?！?/p>

戈?duì)柭⒁獾骄扌托l(wèi)星星座，擔(dān)心它們在已經(jīng)擁擠的近地軌道環(huán)境中的影響。她說：“我們也知道軌道動力學(xué)可能是不可預(yù)測的?！薄拔蚁Ｍ吹竭@些巨型星座運(yùn)營商發(fā)布其隨著越來越多的衛(wèi)星發(fā)射的碰撞長期模型?！?/p>

戈?duì)柭f，毫無疑問，活動的軌道碎片清除在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。“然而，最大的問題是，任何能夠清除現(xiàn)有碎片的成功技術(shù)也可以用作反衛(wèi)星武器，”她說：“這是另一個(gè)需要外交談判的問題，最重要的是需要國際信任。”

佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）薩姆·納恩國際事務(wù)學(xué)院（Sam Nunn School of International Affairs）副教授瑪麗爾·博羅維茨（Mariel Borowitz）表示，事實(shí)上，近些年來，在軌道上舒適地搭載航天器并進(jìn)行維修或破壞的能力已經(jīng)引起了軍事規(guī)劃者的極大興趣。她說：“這些快速發(fā)展的技術(shù)具有用于和平太空活動或太空戰(zhàn)爭的潛力，鑒于其能力的兩用性質(zhì)，不可能事先確定它們哪天將如何使用?！?/p>

創(chuàng)建太空碎片清除的商業(yè)市場

目前，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校軌道碎片專家Moriba Jah表示，空間碎片清除的商業(yè)案例無法盈利，與其說是一個(gè)真正的市場，不如說是一場“PowerPoint演講”。

Jah說：“我認(rèn)為，人們希望政府基本上能達(dá)成一些共識，幫助創(chuàng)建和建立一個(gè)行業(yè)參與此類活動的市場。”為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他認(rèn)為航天國家必須同意近地空間是一個(gè)類似于陸地、天空和海洋的生態(tài)系統(tǒng)。“這不是無限的，所以我們需要環(huán)境保護(hù)，”他說。

Jah認(rèn)為空間可持續(xù)性指標(biāo)類似于碳足跡?！白屛覀兎Q之為‘太空交通’足跡，”他說?！拔覀冃枰环N方法來量化“軌道公路”在什么時(shí)候交通飽和而無法使用。然后，你可以為目標(biāo)碎片分配獎金，并商討如何將其強(qiáng)行清除，并可能會對占用軌道容量的死資產(chǎn)的主權(quán)所有者進(jìn)行處罰。這樣肯定會創(chuàng)造一個(gè)空間物體清除技術(shù)可以利用的市場繁榮發(fā)展。”

Jah說，還需要空間物體的分類方案。有了這樣的分類法，將有助于理清清除軌道雜物的不同種類所需的技術(shù)類型。

至于全局，Jah說這是一個(gè)簡單的數(shù)字游戲：發(fā)射速度超過了空間物體重返地球大氣層的速度?！斑@不是一種很好的能量平衡，”他補(bǔ)充道。

Jah嘆惋，政策制定者對這個(gè)問題的反應(yīng)仍然遲緩。畢竟，雖然2009年宇宙銥星碰撞產(chǎn)生了大量碎片，但目前這樣的事件仍然非常罕見。

BY: Leonard David

FY: 夢中識月

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