太空里垃圾成灾?因为发射的卫星太多了……

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  在电影《地心引力》里,有这样一个情节:

  两名宇航员在太空中执行任务时,突然遭遇一场“碎片雨”。

  像子弹一样高速飞过的太空碎片,不仅把飞船撞得七零八落,还差点让两名宇航员命丧太空。

  

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  ▲ 图片来源:电影《地心引力》

  不要以为这只是科幻片虚构的情节。

  实际上,太空碎片已经逐渐成为航天业的主要威胁。

  2009 年 2 月,美国一颗私人通信卫星与俄罗斯一颗军用卫星以 11.7 公里每秒的速度相撞,两者都被摧毁。NASA 估计,此次碰撞至少产生了超过 1000 块 10 厘米以上的碎片。

  2021 年 3 月,中国发射的云海一号 02 星被一块太空碎片碰撞后解体;2021 年 5 月,国际空间站的一个机械臂被太空碎片撞出一个洞……

  

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  ▲ 太空碰撞示意图。图片来源:best documentary

  近年来,由于技术发展与成本下降,进军太空变得越来越容易。

  以往传统的雷达卫星体积庞大,重量可达数吨,发射一次要耗资数亿美元,因此只有政府才能负担得起。

  如今的卫星发射逐渐商业化,而卫星也越做越小,斯坦福大学联合研发的立方体卫星只有 10 厘米见方,美国某企业研发的超级信鸽卫星只有一个鞋盒大小。

  

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  ▲ 立方体卫星。图片来源:Wikipedia

  同时,火箭可搭载的卫星也越来越多。

  2021 年,马斯克运营的 SpaceX 单次火箭可以发射 143 颗卫星,刷新了世界纪录。目前 SpaceX 发射一个卫星只需 100 万美元,极大地降低了成本。

  因此,太空里人造物体的数量也开始井喷。

  在 2012 年之前,人类向太空发射的物体每年不超过 200 个。然而,到了 2020 年,这个数字暴涨到 1200,2021 年则是约 1800 个。

  目前在近地轨道上,已经有超过一万个卫星在围绕着地球旋转。

  

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  ▲ 发射数量 2015 年后开始井喷。图片来源:our world in data

  而未来计划要发射的卫星不会变少,只会越来越多。

  SpaceX 公司正在大规模部署卫星版图,计划将近地轨道上分散的 24 个轨道面扩大到 72 个,未来还要发射 1.2 万颗星链卫星。

  近地轨道越来越拥挤,由此产生的太空垃圾数量也不容小觑。

  所谓的太空垃圾,涵盖了航天飞船废弃的助推器、退役的人造卫星(超过 3000 个)、航天器的各种零件(螺丝刀、螺母、螺栓等),还有各类体积较小的垃圾,比如航天器外部因强烈的紫外线照射而脱落的油漆碎片。

  由于碎片数量庞大,且小到无法追踪,没有人能够准确知道太空里一共漂浮着多少垃圾。

  

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  ▲ 太空垃圾示意图。图片来源:MIT News

  科学家估计,在近地轨道上,大小在 1~10 厘米之间的碎片约有 75 万块,大小超过 10 厘米的碎片约有 3 万块,而小于 1 厘米的碎片数量在一亿块以上。

  “我们已经被一个类似垃圾场的东西围绕。”密歇根州立大学天体物理学教授 Megan Donahue 说。

  太空垃圾的增多,首先会增加碰撞几率。

  科学家估计,物体的数量增加一倍,碰撞的几率就会增加四倍。

  而且碎片飞行的速度非常快,达到 28000 公里每小时,即便是一块小小的碎片,也可以摧毁比它大得多的卫星或航天器,造成大规模灾难。

  

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  ▲ 太空垃圾的主要来源国。图片来源:BBC

  更可怕的是,碎片之间相撞会出现级联反应,这被称为“凯斯勒效应”。

  这是由美国科学家唐纳德・凯斯勒在 1978 年首先提出的。它指的是在近地轨道上,物体的密度达到一定程度后,碎片之间相撞会形成更多的碎片,从而导致更多的撞击,最终导致近地轨道完全被太空垃圾覆盖。

  除此之外,太空垃圾还有可能穿过大气层,重新掉落地球。

  

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  ▲ 卫星穿过大气层时,可能会因摩擦烧毁,也有可能燃烧不完全,仍有残骸掉落地球。图片来源:space news

  1970 年代,有一块 NASA 的火箭碎片,掉落在澳大利亚西部,澳洲当局以“乱扔垃圾”向美国罚款 400 美元,罚款至今未付。

  近几年,太空碎片掉落地球的新闻并不鲜见。

  今年 7 月,中国长征五乙号运载火箭成功发射,部分残骸坠落印度洋;今年 8 月,澳大利亚新南威尔士州的一个农场也发现了好几块太空碎片,每块高约 3 米,后证实是 SpaceX 火箭掉落的。

  

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  ▲ 掉落在澳大利亚农场的碎片。图片来源:the guardian

  但历史上真正被太空碎片击中的,只有一个人。她就是美国俄克拉荷马州的居民 Lottie Williams。

  1997 年 1 月的一个夜晚,她在公园散步时,看到天边有一颗像流星一样的东西划过。然后,她突然感到肩膀被拍了一下,回头一看,原来是一块烧焦的网布掉落下来。

  后来她才知道,这块垃圾来自当天坠落地球的 Delta II 号火箭。

  科学杂志《自然》的一篇文章预测,人类在 10 年内有 10% 的几率被坠落的太空碎片击中。

  

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  ▲ 这位幸运女士与击中她的碎片。图片来源:fox news

  引发碰撞事故、可能坠落地球、阻碍宇宙观测…… 太空垃圾的危害正在扩大。

  如何清理太空垃圾,变得迫在眉睫。

  多国都已启动相关项目,来应对太空垃圾问题。由英国萨里大学主导的 RemoveDEBRIS 项目,于 2018 年分别试验了使用网和鱼叉来清理垃圾。

  在网的测试中,航天器会发射几个物体,牵引出网的几个顶点,将网展开从而将垃圾捕获;在鱼叉的测试中,鱼叉则以 20 米每秒的速度被发射出去,成功撞击并穿透目标。

  通过多次试验,网和鱼叉都被证实是可行的清理手段。

  

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  ▲ 用网捕获太空垃圾的设想图。图片来源:ESA

  日本 2016 年发射的 "鹳" 号货运飞船,则使用一条金属绳索,将太空垃圾吸附到表面,然后通过绳索向其放电,让其减速。

  当太空碎片的速度低于围绕地球旋转所需的速度后,它就会坠入大气层,与大气摩擦烧毁。

  ESA(欧洲航天局)也启动了一个 ClearSpace 项目,目的同样是清理太空垃圾,预计将于 2025~26 年发射。

  

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  ▲ 清理太空垃圾的设想图。图片来源:ESA

  尽管如此,太空垃圾清理的速度远远跟不上生产的速度。

  有人说,近地轨道就像一条在没有拖车的情况下,使用了 60 多年的高速公路。

  在未来,碰撞将会是主导的太空问题。如果不进行干预的话,近地轨道被垃圾占领只是时间问题。而这一点仍未得到世界各国足够的重视。

  一名航空公司的咨询顾问表达了他的担忧:“我讨厌这样说,但只有当灾难真正发生在人类身上,我们才会行动。”

  参考

  [1]"Photos Suggest Spacex, NASA, And China Space Junk Struck Land. There's A 10% Chance A Person Will Be Hit This Decade.". 2022. Business Insider.

  [2]About space debris - The European Space Agency

  [3]Heavy Space Traffic Ahead - The European Space Agency

  [4]Space debris is coming down more frequently. What are the chances it could hit someone or damage property? - The Conversation

  [5]Where Falling Satellite Lands Is Anyone's Guess : NPR

  [6]Space Debris and Human Spacecraft | NASA

  [7]How many satellites orbit Earth? | Live Science

  [8]Space junk: The cluttered frontier | MIT News | Massachusetts Institute of Technology

  [9]Why space debris cleanup might be a national security threat - The Conversation

  [10]What is space junk and why is it a problem? | Natural History Museum

  [11]Solving the space junk problem | CU Boulder Today | University of Colorado Boulder

  [12]Falling Space Junk From SpaceX, NASA, China Risk Life, Property. Business Insider.

  [13]SpaceX capsule confirmed as source of space debris that crashed on farm in Australia | The Guardian

  [14]SpaceX and our space junk problem - Vox

  [15] 清除地球轨道碎片太空垃圾的难题 - BBC News

  [16] 日本发射货运飞船将试验清除太空垃圾 - BBC News

  [17] 太空垃圾泛滥成灾盘点几种潜在清理方案 - BBC News

  [18] SpaceX 火箭单次发射 143 颗卫星,刷新“一箭多星”世界纪录 - BBC News

  [19] 人造卫星正在成为我们探索宇宙的障碍 - BBC News

  [20] 近地卫星越来越多,科学家担心影响到行星防御计划_网易科技

  [21] 近地轨道可容纳几百亿卫星?这牛吹得几乎不打草稿_新浪财经_新浪网

  [22] 2021 年有多少颗卫星环绕地球运行?_网易订阅


标签: 垃圾

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