鱼叉、机器人与激光:如何捕获太空垃圾并将其带回地球

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  • 失效卫星和其他物体正在造成大量太空碎片,可能给当前和未来的太空任务以及人类太空旅行带来问题。

  • 哈勃望远镜和太阳极大期任务卫星都曾被飞行中的碎片击穿,留下小孔。

  • 世界迫切需要开发实用的碎片清除技术——迄今为止,还没有任何轨道物体被成功从太空回收。

  • 首个清除太空碎片的项目计划于2025年启动,但关键挑战包括高昂的成本,以及可能对地球大气层造成的影响。

目前,数千颗在轨卫星中有一半以上已经失效。这些漂浮在太空中的碎片不断累积,被称为当前和未来太空任务及人类太空旅行面临的“致命问题”。

据欧洲航天局(ESA)统计,估计有1.3亿个尺寸小于1厘米的物体,以及3.4万个尺寸大于10厘米的物体,正以每小时数千公里的速度在轨道上运行。今年的欧洲太空碎片会议上发布的一份报告显示,到2100年,太空垃圾的数量可能会增加50倍。

许多太空垃圾碎片虽然很小,但运行速度极快,撞击能量足以使卫星失灵,或对空间站造成严重损坏。

哈勃望远镜和太阳极大期任务(SMM)卫星都曾被飞行中的碎片击穿,留下硬币大小的孔洞;美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韦布太空望远镜的一面镜子也曾遭微流星体损坏。

大多数卫星在设计时并未考虑其使用寿命终结后的情况。在轨运行的6000颗卫星中,约有60%现已停止工作。这些失效卫星连同较小的物体,对现有和未来的卫星及空间站都构成了重大问题。

SpaceX和亚马逊等企业目前正在向太空发射巨型卫星星座,预计这将改变所有国家接入互联网的方式。Image: Unsplash/SpaceX

SpaceX和亚马逊等企业目前正在向太空发射巨型卫星星座,预计这将改变所有国家接入互联网的方式。但这些私营电信项目还将向已经拥挤到危险程度的轨道再增加5万颗卫星。

科学家警告说,巨型卫星星座的快速发展可能引发多种“公地悲剧”,影响地基天文学、地球轨道以及地球高层大气。

清除太空碎片的方法

人们日益担忧一种被称为凯斯勒综合征的情形:我们可能正在形成一层太空碎片,阻碍人类太空旅行、太空探索以及在地球轨道某些区域使用卫星。太空物体相撞会产生更多碎片,使这一情形不断加剧,还可能损害全球通信和导航系统。

因此,开发实用的碎片清除技术既重要又紧迫。迄今,人们已构想出多种解决太空碎片问题的策略,其中一些最近已被列为优先事项。

太空物体相撞会产生更多碎片,还可能损害全球通信和导航系统。Image: The Conversation。

迄今为止,还没有任何在轨物体被成功从太空回收。

设计太空碎片清除策略的主要难题之一,是在首次接触时如何在碎片(目标)与追踪飞行器之间传递能量。目前有两种优先方案,第三种仍在开发中:

  • 冲击能量耗散法旨在降低碎片的冲击能量。一种方案是由追踪卫星发射鱼叉,刺入太空碎片。发射成功后,追踪卫星、鱼叉和目标将由弹性系绳连接,追踪卫星会拉动碎片重返大气层,并一同烧毁。

  • 能量中性平衡法包括一种磁性捕获方法,利用磁线圈使追踪器与目标之间达到完美的能量平衡。这是一种软对接方法,是后续某种碎片处置方法的初步步骤。

  • 破坏性能量吸收法旨在用高功率激光摧毁小型碎片目标。但挑战在于研发出功率足够强、重量又足够轻的激光器与电池组合。中国一家实验室一直在开发一种安装于追踪卫星上的天基激光系统,可瞄准尺寸最大为20厘米的碎片。美国国家航空航天局(NASA)的猎户座项目则使用地基激光摧毁小型碎片。

ClearSpace追踪飞行器设计采用机械臂捕获太空碎片。Image: The Conversation。

首个太空清除项目计划于2025年启动,由欧洲航天局牵头。该项目采用联合体模式,以一家瑞士衍生公司ClearSpace为基础。

ClearSpace追踪飞行器将与目标交会,并使用四条机械臂将其捕获。随后,追踪飞行器和捕获的运载器将脱离轨道,并在大气层中烧毁。

成本高昂,污染加剧

考虑到太空碎片问题的巨大规模,这些拟议解决方案的一大挑战是成本高昂。另一个重要方面是太空清理行动可能对地球大气层造成的影响。

随着越来越多的卫星和其他物体被移出太空并在大气层中焚毁,气候科学家对此感到担忧。太空碎片会自然下落,并在低层大气中烧毁;但二氧化碳浓度不断上升,正在降低高层大气的密度,这可能会削弱其能力,使其无法将碎片拉回地球。

越来越多的卫星和其他太空碎片(目前每年80吨)无论是自然坠落,还是通过新的清除方法坠落并燃烧,都会向大气层释放分解产物。

这些物质无疑会增加二氧化碳和其他温室气体的排放。卫星中某些材料的分解也可能释放氯氟烃(CFC)气体,进而损害臭氧层。

太空垃圾问题与废弃物回收之间的相似之处显而易见。我们显然需要为太空废弃物制定循环经济战略。

目前,太空碎片的法律责任由其来源国承担。这似乎不利于未来开展国际合作,推进太空垃圾清除计划。

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