觉得地球上垃圾分类不容易?看看处理“太空垃圾”有多难

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欧洲空间局近日公布了史上首次捕获并销毁太空垃圾的计划。我们的头顶大约盘旋着8000吨“废品”, 对这些垃圾放任不管会有什么后果?

撰文 /记者 王雪莹 编辑/丁林

新媒体编辑/陈炫之

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近日,欧洲航天局对外宣布了一项特殊的卫星发射任务:该机构将与ClearSpace公司合作,在2025年发射一颗外形奇特的“四爪”卫星(本页示意图)。这枚卫星的作用并不是探索太空,而是定向清除一片重量足有112千克的太空垃圾。令人咋舌的是,这项太空“保洁服务”的“劳务费”竟然高达1.05亿美元。

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▲ClearSpace-1太空清障计划概念图(图片来源:esa.int)

生活中的垃圾分类往往是举手之劳,但是当这个场景换到太空时,我们就要依赖技术上最先进的清洁设备了。其实在第一批航天器升空之前,地球的轨道上已经有一些来自宇宙的“垃圾”。但如今,太空垃圾威胁之大,已经到了不能坐视不理的时期。

千金一掷,只为跟垃圾同归于尽

据悉,此次计划发射的卫星除配置导航相机、激光雷达等“必备品”外,还将装上四个巨大的铰接式触角,远远看去宛如一只巨大利爪。在进入目标轨道后,“利爪”卫星会在靠近目标时伸出触角对太空垃圾进行捕捉,随后按照计划将其拖入“破坏轨道”,一同坠入大气层焚毁。

值得注意的是,此前ClearSpace公司考虑的并非爪式捕捉,而是类似捕鱼的撒网式捕捉,但由于后者的容错率较低撒网必须一次就成功,否则后续一系列的回收操作都会变得异常艰难,最终ClearSpace公司还是选择了“四爪”的设计方案。

类似的,同样专注于清理太空垃圾的日本公司Astroscale则选择了另外一种思路:给卫星主体配置一个磁力“吸盘”,当靠近太空垃圾时,卫星会伸出磁力“手”牢牢吸住垃圾,随后拖着它们进入大气层“同归于尽”。

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▲ClearSpace此前考虑的网式捕捉方案(图片来源:esa.int)

而相比于欧洲和日本“先捕获后自毁”的设计思路,美国科学家给出的解决方案似乎要更加简单、更加直接:利用大气脉冲射击太空碎片。据了解,美国密歇根大学提出了一项名为“SpaDE”的太空碎片清除计划,该方案并不需要向太空发射任何新的装置,只需利用热气球在高空中将聚焦的大气脉冲发射至相应轨道,“超级气枪”就能将太空垃圾轻轻“拽一把”通过瞬间增加的摩擦力使这些垃圾减速并自动脱离轨道,最终坠入大气层中焚毁。

与其他方案不同的是,大气脉冲本身相对更加绿色、更加“环保” 完成使命后,这把“气枪”自身也会重新融入大气层中,不会产生任何新的太空垃圾,真正做到了“挥挥衣袖,不留下一片云彩”。同时,此方案可以清理的太空垃圾目标范围更广、适用性更强:小到航天设备上剥落的油漆涂层,大到废旧的推进器外壳,没有这把“气枪”打不下来的。

然而,不管是用“网”抓还是用“枪”打,在太空“搞卫生”无疑是一个耗时、耗力又耗钱的工作。俗话说“眼不见为净”,我们为什么要清理太空垃圾呢?

令人担忧的垃圾“天网”

人们千辛万苦地上太空“搞卫生”,并不是出于“将环保进行到底”的热心,而是不得已而为之。航天机构要把一颗卫星安全地送上天、让它顺利地为人类谋福利,所面临的最大难题有时并非在地球,而是在天上:它们需要小心翼翼地避开各种各样的太空垃圾。

很多人没有想到,如今地球正被一张细密的“垃圾网”裹挟着。在这张总重超过8000吨的“天网”中,最小的垃圾碎片尺寸尚不如一部手机,最大的却堪比一辆轿车。它们有的在距地300~450公里的近地轨道上,以每秒7~8千米的速度“游荡”,有的在距地36000公里的地球静止轨道上,以3~10千米/秒的高速飞快移动,成为太空中随时会击中卫星和飞船的一支支“暗箭”。

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▲被太空垃圾包裹的地球概念图(图片来源:nasa.gov)

这些“太空垃圾”是谁丢弃的呢?毫无疑问,让人类深陷“垃圾满天飞”困局的罪魁祸首,不是别人,正是人类自己。在8000余吨太空垃圾中,近6300吨都是人类航天活动产生的废弃卫星和废弃物品的碎片。不过,让人类全盘背下“太空污染者”这口锅可能有点儿冤:构成危险太空垃圾的不仅有人造废弃物,还包含了宇宙中的一些天然物质,譬如陨石碎片等。

1957年,苏联将人类第一颗人造地球卫星送上了太空。从那时起,世界各国开始前仆后继地探索太空,同时也在无形中将“随手乱扔”的坏习惯带到了太空。从航天器和运载火箭发射、运行中掉下来的碎片,到各种报废了的航天器组件和它们表面脱落的物质,到意外相撞或发生爆炸而产生的破损航天器碎片,再到航天员因为工作失误而不小心“落”在太空中的废物……太空垃圾的种类可谓五花八门。

对于太空垃圾问题的严重程度,有人可能会提出质疑:多数在轨设备的使用寿命都能达到十几年甚至几十年,变成垃圾还为时尚早;再说截至目前人类成功发射到太空的航天器加起来能有多少?就算是其中报废了一大半,也不太可能造成太空垃圾的泛滥吧!

其实,相比于航天器本身,将这些“金贵”的设备推送上天的过程是太空垃圾的主要来源。根据欧洲航天局的统计,1980~1996年期间,太空垃圾中占半数的碎片主要来自于火箭箭体;而2000年至今,来源于有效载荷的各种废弃物比例才显著上升。

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▲自1960年开始,火箭残骸(RB)在太空垃圾中的占比越来越重(图片来源:esa.int)

在近20年里,每年太空中都会发生至少12起“碎片事件”,其中“航天推进操作”和“设备异常”又是造成这些事故发生的重要原因。那些游荡在轨道上的残骸,因为通常还会残存一些剩余的能量(多数情况下,为了保障火箭和航天器升空时动力十足,人们通常会多为其准备一些燃料和电池),随时可能因“太空剐蹭”而发生爆炸,制造一批新的太空垃圾。

防不胜防的绕地“定时炸弹”

地球上的垃圾会污染环境,而那些远离地球的太空垃圾,则会给航天器和航天员带来危险。

根据美国航空航天局的统计,绕地球飞行的各种在轨垃圾中,超过20000块垃圾碎片的体积比棒球还大,且一直在以最高3万公里的危险时速运动着。这种高速下,任何一枚“棒球”都有可能瞬间击穿一颗巨大的人造卫星。

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▲透过航天飞船的窗户,宇航员能非常直观地看到很多太空垃圾(图片来源:nasa.gov)

举例来说,当一块重量不足10克的太空垃圾正面撞上卫星时,其撞击力相当于两辆时速超100公里的汽车相撞,眨眼之间就能击毁卫星。更令人感到担忧的是,太空垃圾会在每一次撞击中不断产生更多新的碎片,继而引发更多的碰撞、更多的垃圾,形成滚雪球般的恶性连锁反应。

1983年,美国“挑战者号”航天飞机曾遭到太空垃圾的“偷袭”,一片直径只有0.2毫米的涂料残渣导致飞船的舷窗受损而被迫终止飞行;1991年,美国“发现者号”航天飞机在太空飞行中,险些与一块苏联的火箭残骸相撞当地面指挥部意识到这块“游荡”垃圾的存在时,它与航天飞机的距离甚至不足3公里;1996年,法国“樱桃号”侦察卫星在轨道工作时被太空垃圾撞断了观测设备,而这次撞击的罪魁祸首,竟然是数十年前法国“阿丽亚娜号”运载火箭入轨时掉下的“碎渣”。

进入21世纪后,垃圾碎片在太空碰撞的发生更加频繁:2005年,来自美国“雷神号”火箭与中国长征四号火箭的残骸,以每秒近6千米的相对速度在南极上空相撞,导致“雷神号”的残骸一分为四;4年后,在西伯利亚上空约800公里处,美国“铱星33号”商业卫星与1995年就废弃的俄罗斯“宇宙-2251”军用卫星相撞,在太空中产生了至少上千块直径超10厘米的碎片,一度对国际空间站的安全产生了威胁。

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▲“奋进号”航天飞船在执行任务中被太空垃圾刺穿的散热器(图片来源:nasa.gov)

“如今,天上的卫星已经是构成人类生活的重要部分,任何一颗受损都会严重影响我们的生活。”英国萨里大学航空中心主任古列尔莫?阿格莱蒂教授说。

因此,妥善处理绕地太空垃圾如今已是迫在眉睫。“事实上,很少有人意识到现在的太空有多乱七八糟。”英国航天局总负责人格雷厄姆?图诺克说,“在一条全是碎玻璃渣和垃圾的公路上,我们能开车吗?让所有卫星和空间站时刻警惕着它们……这太耗费精力了。”

太空清障既要“治标”也要“治本”

想要治理漫天的垃圾,人类到底该怎么办?送“太空爪”上天去清理垃圾既费力又费钱,终究不是长久之计。有没有什么方案,能从源头上减少这些垃圾呢?

目前,由人类航天活动而产生的各类残骸,一种是在火箭发射时就如碎渣一样掉落的碎片;第二种是在火箭上升过程中剥离、脱落的组件,诸如助推器、整流罩等。通常情况下,这些部分会散落掉回地面,为了避免它们对地面人员和设施的安全造成影响,工程人员会事先对其轨迹进行精密的估算和规划,控制这些组件落入指定的安全区,再由地面人员进行安全回收。正因如此,多数国家都会将火箭的发射地点选择在空无人烟的内陆地区或海边地区。

除了以上两种,最后一种残骸的主要来源则是末级火箭,即将卫星送入预定轨道后与卫星分离的火箭部分。由于这部分残骸与载荷脱离时已达到了入轨速度,因而妥善处理它们并不容易。具体来说:如果发射任务是以低地球轨道为目标,则末级火箭在分离后通常还会在轨道上继续“转悠”数日甚至数月,最后才会因为失去动力而坠入大气层并焚毁;对于以地球同

步轨道、太阳同步轨道为目标的卫星来说,多数末级火箭都会永久地停留在太空之上。

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▲近年来,各国对低地球轨道的火箭残骸“清障”成功率越来越高(图片来源:esa.int)

对于上述无法自毁的残骸,目前国际上比较流行的两种处理方法就是钝化处理和换轨:一方面,通过外泄燃料、切断电池等方法释放末级火箭中残存的能量,最大程度消除它们发生自爆的可能;另一方面,对末级火箭的高度进行调整,使其进入专用的“废弃轨道”,好为其它卫星“腾出”宝贵的轨道资源。

令人感到欣喜的是,根据美国航空航天局统计,自2000年至今,低地球轨道上约15%~30%的有效载荷都进行了换轨操作,火箭残骸的妥善处理率也高达60%~80%。与此同时,为了让更多设备能在“寿终正寝”后自行焚毁,近年来,各国也将卫星发射的重心转向了低地球轨道在此高度,近88%的小型有效载荷都能在报废后,自然坠回大气层中烧毁。

对于这些变化,欧洲航天局“太空碎片办公室”负责人蒂姆·罗尔直言感到欣慰。“人们利用太空的方式正在发生翻天覆地的变化。”他说,“为了实现人类和科学、技术、宇宙数据之间的良性循环,各国达成统一的太空碎片处理法则是非常重要的。”

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▲日本京都大学正参与研发的“木质卫星”,也是减少太空垃圾的一种尝试(图片来源:bbc.com)

参考资料

[1] nasa.gov/mission_pages/station/news/orbital_debris.html

[2] esa.int/Safety_Security/Space_Debris/The_current_state_of_space_debris

[3] Space Debris Elimination (SpaDE) Phase I Final Report,NASA NIAC-11-11NIAC-0241

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出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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