太空里垃圾成灾？因为发射的卫星太多了……
把科学带回家2022-09-20 14:38
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（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。
▲ 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。
▲ 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。
▲ 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。
▲ 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。
▲ 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
本文来自微信公众号：把科学带回家 （ID：steamforkids），撰文：Greye 审校 ：韩晶晶
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