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    太空垃圾太多:哪个国家一直丢最多垃圾?

    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。

    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 ……

    国际空间站被碎片撞出的洞。图片来源:NASA

    这些太空碰撞事故,都发生在近地轨道上。

    近地轨道可以理解成距离地球比较近的一条宽阔车道。

    人类向太空发射的物体,包括空间站、人造卫星、探测器、飞船等,大多都聚集在近地轨道上。由此产生的垃圾也基本分布在这条轨道上。

    可是车道再宽阔,一旦变得拥挤,碰撞事故便在所难免。

    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。

    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。

    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、航天器的各种零件,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。

    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。

    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。

    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。

    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

    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。

    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 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。”

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