如何科學地清理太空垃圾？

太陽系中擁有行星環的行星雖然只有木星、土星、天王星和海王星,但現在，地球看起來也逐漸擁有了自己的“行星環”。構成地球“行星環”的物質并非星體碎片和巖屑，而是人類親手制造的“白色污染”——太空垃圾（Space debris）。

什么是太空垃圾

太空垃圾又有空間碎片或軌道碎片之稱，主要包括世界各國的運載火箭和航天器在發射過程中產生的碎片與廢棄不用的衛星，以及航天器爆炸、碰撞過程中產生的碎片等。航天器上脫落下去的漆塊，甚至軌道上爆炸的火箭殘留下的發動機都能成為環繞地球運行的太空垃圾。

太空垃圾的形成需要追溯到1957年10月4日，前蘇聯成功發射了世界上第一顆人造地球衛星“斯普特尼克1號”，它的廢棄是太空“白色污染”的開始。隨之而來的就是太空垃圾大爆發。

伴隨著世界各國的航天技術發展，太空發射任務達到了空前的膨脹，目前全世界已經有超過4000次的發射記錄。雖然報廢的航天器大部分墜入大氣層并且燒毀，但是仍有近4500噸的太空垃圾運行在地球周圍的軌道上。

太空垃圾產生的原因

人類有意或無意造成的航天器爆炸是太空碎片產生的主要原因。“冷戰”時期的美國和前蘇聯就曾進行過多次衛星攔截試驗和爆炸試驗。幾十年間各國在軌火箭爆炸事件屢見不鮮，航天器所遺棄的零件也同樣構成了藍天之上那些看不見的“白色污染”。

這導致的直接結果就是產生了大約6000個可以看到并跟蹤的太空垃圾碎片，其中直徑超過一厘米的太空垃圾，更是多達20萬個。

太空垃圾存在的危害

據美國宇航局估計，目前近地軌道約有2.7萬至3萬個體積大于10立方厘米的太空垃圾，日夜圍繞地球同步軌道旋轉。它們以每小時2萬公里的速度繞地球運動，而這個速度相當于客機的70到80倍。

這些高度運行的太空垃圾對航天器以及航天員存在著巨大的威脅，一旦與正在運行的衛星相撞，將帶來毀滅性的后果。

1991年12月，俄羅斯已經廢棄的人造衛星“宇宙1934”與飛船“宇宙926”釋放出的一大塊物體相撞，隨即發生爆炸。

2009年2月10日，美國一顆通信衛星與俄羅斯一顆已經報廢的衛星在西伯利亞790公里上空相撞。這次撞擊成為太空中首次發生的在軌衛星相撞事件。

2013年3月9日，一顆俄羅斯衛星與一片中國衛星被擊毀之后產生的碎片相撞，又一顆被安置在太空中的“定時炸彈”再次被引爆。處理大氣層外的這些“白色垃圾”，刻不容緩。

太空垃圾的治理

太空垃圾所引起的“雪崩效應”已經開始得到科研人員的高度重視。目前應對太空碎片這些“冷殺手”的主要手段就是規避碎片。

各個國家通過建立預警機制，在確認航天器可能與較大的太空碎片發生碰撞時，利用航天器自身的動力進行機動變軌，使航天器離開原有的和空間碎片有碰撞危險的軌道，轉移到另一條安全的軌道上。

成功回收的航天器表面多數處于“傷痕累累”的狀態，因此各國也通過增加航天器表面的強度，來應對體積較小的空間碎片，從而減小那些“不期而遇”的碎片帶來的破壞。

面對太空碎片日趨嚴重的太空威脅，很多國家都提出了解決方案。美國提出了太空碎片清除系統，通過把大氣氣體脈沖發射到目標碎片必經路線上，增加太空垃圾的摩擦力，令其下降墜落到地球大氣層里。

俄羅斯則計劃于2018年開始研發名為“掃除者”的航天器，用以將太空垃圾送到更高的空間軌道上或者送往地球降落在太平洋海域。

太空“清道夫”——立方帆

然而，目前最有可能實現的太空垃圾治理方案則是由英國科學家提出的太空“清道夫”---立方帆，用于將太空中遺棄的衛星或者失靈的火箭帶回地球。

立方帆其實為一顆微小的衛星，約重3千克，尺寸為，它可以與其他衛星一同搭載火箭進入太空，從而降低成本。立方帆內部安裝有一張折疊起來的聚合膜。發射到太空之后，這張膜就會張開，面積可達25平方米。

第一步：進入太空展開薄膜

“清道夫”身上裝備了四個小型攝像機，用于偵測太空垃圾。因此一旦立方帆附近出現太空碎片時，地面人員就會發出指令，小型動力裝置就會開啟，靠近太空碎片進行“對接”工作，使立方帆自身與碎片結合為一體。

第二步:與太空垃圾進行“對接”

為節省能源，立方帆巧妙地采用了一套應用微型馬達來傾斜風帆的技術。馬達可以在兩個維度上移動來改變風帆的重心，同時使用小型磁鐵的磁場與地球磁場的相互作用來控制風帆。這樣，“清道夫”就會帶著太空碎片脫離軌道。

第三步：攜帶太空垃圾返回大氣層

由于阻力的作用，立方帆的速度不斷降低，萬有引力會大于碎片運行所需的向心力，從而軌道高度會隨之降低，太空垃圾與立方帆最終會在墜入大氣層的過程中一同被燒毀。

原來那些軌道高度為600公里左右的太空垃圾自行墜入大氣層需要幾年的時間，而在立方帆的作用下，這個時間可以大大縮減。立方帆項目的投資只有100萬歐元左右，這將是科學家再次用智慧展現如何做到“四兩撥千斤”。

最后：一同墜入大氣層燒毀

立方帆的研制為太空垃圾的治理帶來了信心，雖然立方帆的控制還存在一定的技術，但是隨著科技的發展，科學家終將克服這些難題，太空污染將會被有效控制。在不遠的將來，“白色污染”將會被清除，重返太空一片清潔。

（出品：科普中國；制作：超導與航天新戰隊徐明研究團隊；監制：中國科學院計算機網絡信息中心；“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。如需轉載請與移動端科普融合創作辦公室mobile@cnic.cn 聯系。）

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