文｜觀察未來科技
當(dāng)前，人類正在更多地利用太空資源。不過，太空對這種利用還需要面對一個環(huán)境容量的問題——太空資源的利用，也有一個空間容量極限、規(guī)則和秩序。
如今，太空探索形成的環(huán)境的最嚴(yán)重問題就是太空垃圾，即圍繞地球軌道的無用人造物體，包括人造衛(wèi)星碎片、漆片、粉塵，甚至整個火箭發(fā)動機(jī)等等。
越來越多的太空垃圾增加了空間站和載人飛船被撞擊的可能，給太空探索帶來新的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，隨著挑戰(zhàn)而來的，還有機(jī)遇，那就是關(guān)于太空垃圾清除技術(shù)的發(fā)展，以及一場新的太空垃圾清理產(chǎn)業(yè)的興起。
難以回避的太空垃圾
作為圍繞地球軌跡的無用人造物體，太空垃圾作是除了正在運行的航天器之外的各類人造廢棄物體。
目前，太空垃圾由三大主要部分組成：一是已經(jīng)達(dá)到運行壽命或是已經(jīng)退役但還沒有返回地球的人造航天器，以及各個人造航天器之間、自然天體與人造航天器之間發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的碎片；二是來自于運載火箭的發(fā)射中散落的殘?。蝗窃从诤教靻T在太空生活時所產(chǎn)生的垃圾，以及在完成太空考察任務(wù)過程中不慎遺落的物品。
對于太空探索來說，太空垃圾的確是一個嚴(yán)重的問題。如果人造衛(wèi)星或宇宙飛船撞到哪怕幾厘米長的太空碎片，都可能受到嚴(yán)重的破壞。因此，為防止與漂浮在地球周圍的小金屬碎片相撞，火箭有時不得不推遲發(fā)射。這也是人類最大的“宇宙飛船”——國際空間站面臨的一大挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們必須定期將空間站上升或下降到安全的地方。否則，它可能因為碰撞而變成太空垃圾，而空間站里的宇航員更是面臨生命威脅。
太空垃圾的“攻擊原理”類似于槍支子彈或?qū)棧鼈兊乃俣壬踔粮?，因為地球軌道上的物體基本上都是以每小時2.7萬千米的速度前進(jìn)。這樣的撞擊通常不會是迎面而來，但平均的相撞速度仍會達(dá)到每小時3.6萬千米。
舉個簡單的例子，一個直徑1厘米的鋁制球體，大約只有標(biāo)準(zhǔn)彈珠的大小，但造成的撞擊能量相當(dāng)于一顆以時速2600千米前進(jìn)的板球，或者是一輛時速96千米的汽車。沒有任何物體能承受這樣的沖擊。
另外，太空中還有更大的東西，可能是剩余的火箭節(jié)，也可能是廢棄的衛(wèi)星。1996年，一枚法國軍事偵察衛(wèi)星就被多年前爆炸的一枚火箭的碎片撞上。這塊碎片大約只有公文包大小，但撞擊卻導(dǎo)致了衛(wèi)星主天線折斷。1985年，美國用反衛(wèi)星導(dǎo)彈擊毀一顆在500多千米高軌道上的軍用實驗衛(wèi)星，產(chǎn)生成千上萬的碎片，引起了爭議。2009年也發(fā)生過一起無法避免的意外：一枚已經(jīng)無法運行的俄羅斯衛(wèi)星撞上了美國的銥衛(wèi)星，進(jìn)一步增加了太空中的碎片總數(shù)。
人類已經(jīng)占據(jù)了太多空間——甚至將太空變成了我們的垃圾填埋場。如今，約有幾千顆衛(wèi)星在圍繞地球正常運行，但也有數(shù)千顆已經(jīng)報廢的衛(wèi)星悄無聲息地成為太空碎片。還有墜毀的飛船，它們墜落到大氣中時被燒成了灰燼。
根據(jù)美國國家航空航天局軌道碎片項目辦公室的報告，早在2018年，近地太空中衛(wèi)星碎片和火箭殘骸的總數(shù)已經(jīng)達(dá)到14357個。美國空間碎片研究專家唐納德·凱斯勒的研究結(jié)果表明，按照目前太空碎片的增長速度估算，如果不采取任何措施，再過 70年左右，太空中的碎片數(shù)量將達(dá)到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值，之后近地空間將無法使用。
要知道，在半個多世紀(jì)以前，1957年，太空中只有一顆人造衛(wèi)星——蘇聯(lián)研制發(fā)射的“人造地球衛(wèi)星”1號。它只有83.6千克重，和一個直徑半米的金屬球差不多大，里面有一個無線電發(fā)射機(jī)。
事實已經(jīng)證明，密集龐大的碎片、火箭發(fā)射殘骸以及太空生活垃圾都會對航天器的運行和人類進(jìn)一步探索太空的行動構(gòu)成一種直接或是潛在的威脅，大量太空垃圾無序飄浮，打破了太空環(huán)境原有的生態(tài)平衡，一旦突破太空環(huán)境自我調(diào)節(jié)的底線，很可能出現(xiàn)無法挽回的太空環(huán)境危機(jī)。
有多少清理太空垃圾的辦法？
太空垃圾會產(chǎn)生的邏輯很簡單，就是因為雖然各國都在競相發(fā)射衛(wèi)星，但卻沒有人去做清除的工作。為了不讓人造衛(wèi)星的碎片像諸多科幻電影中那樣引發(fā)事故，人類也正在開始努力減少太空垃圾。
預(yù)先知道太空垃圾的位置與速度，算出它未來的軌道，并通知有可能與之相撞的航天器改變軌道規(guī)避，這只是消除太空垃圾的治標(biāo)之策。要根除太空垃圾，還需從垃圾本身入手。
焚燒處理是一種比較常用的解決方案。實際上，大部分碎片的公轉(zhuǎn)速度都會減慢，在幾天或幾年后墜落，并在大氣層中燒毀。其中，有些物體則是人類故意讓它在地球大氣層中燒毀的。不過，為了以防萬一，它們掉落的地點也都對準(zhǔn)了海洋，從而避免掉落在人口稠密的地方。另一種解決辦法是將廢棄的人造衛(wèi)星發(fā)射到一條更高的軌道上，在這條所謂的“公墓軌道”上，運行的航天器寥寥無幾，因此發(fā)生撞擊的可能性也大大降低。
清除與回收太空垃圾的方法還有“激光掃帚”，即用激光產(chǎn)生的光壓推開微小碎片，或用熱量氣化太空碎片，這種方法適合直徑1至10厘米的太空垃圾。阿瑟·克拉克在1979年出版的科幻小說《天堂噴泉》就描寫了這樣的場景——人們展開大清掃行動，用裝備有高能量激光的太空堡壘掃蕩天空，用激光炮將所有垃圾蒸發(fā)。
另外，清除與回收太空垃圾的“太空垃圾網(wǎng)”是用高強度纖維編織的大網(wǎng)攔截太空碎片。美國一家航天技術(shù)公司建議開發(fā)一種名為“太空牧羊犬”的裝置，把太空垃圾逐個清出軌道。太陽能飛船上裝備有數(shù)個“牧羊犬”——放飛到碎片附近的小型飛船，“牧羊犬”圍繞太空垃圾飛行并尋找合適的對接點，一旦連接在一起，就把垃圾一起拖回大氣層。每次小飛船都可以捕捉相當(dāng)于自身質(zhì)量數(shù)倍的太空垃圾。這聽起來就像用牧羊犬圍攏羊群一樣簡單。
這種辦法類似于給太空垃圾插上“翅膀”。2010年3月，英國薩里大學(xué)的科學(xué)家公布了“立方帆”的設(shè)計，其展開后會形成一塊5米×5米的塑料薄膜，它將單獨發(fā)射并在地面人員的引導(dǎo)下利用自身的動力靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾對接，它就會張開帆，把太空垃圾拖離軌道，墜向地面。
“機(jī)器清潔工”則是用帶有機(jī)械臂的機(jī)動衛(wèi)星來捕獲太空碎片。王晉康在短篇科幻小說《太空清道夫》中也描寫了駕駛“太空清道車”回收太空垃圾的宇航員形象。在小說中，由于人類頻繁的太空活動，產(chǎn)生了越來越多的太空垃圾。這些太空垃圾，如果不做適當(dāng)處理，人類最終很可能無法進(jìn)行安全的太空飛行。因而，清理太空垃圾的太空清道夫幾乎可以說是一種必然出現(xiàn)在未來的新職業(yè)。
一些太空環(huán)保主義者想得更遠(yuǎn)，約翰遜航天中心的軌道碎片首席科學(xué)家尼古拉斯·約翰遜認(rèn)為，重返月球之前首先要考慮月球周圍的太空垃圾。這些圍繞月球運轉(zhuǎn)的碎片會對未來的無人探月計劃和載人登月計劃構(gòu)成威脅。它們都是以往人類進(jìn)行月球探測的副產(chǎn)品，由各種航天器的碎片構(gòu)成。
由于月球引力場不均勻，這些碎片垃圾有可能沖出本來的軌道，以每小時5000英里的速度撞向月球表面，這不但會對登月宇航員的安全構(gòu)成威脅，也可能破壞具有歷史紀(jì)念意義的阿波羅飛船著陸點。
太空垃圾清理產(chǎn)業(yè)正興起
隨著太空垃圾清理技術(shù)一同發(fā)展的，還有太空垃圾清理產(chǎn)業(yè)。近年來，太空垃圾清理相關(guān)企業(yè)正在陸續(xù)出現(xiàn)。
2019年，瑞士的航太新創(chuàng)企業(yè)兼代表性的太空垃圾清理技術(shù)開發(fā)企業(yè) Clear Space與歐洲太空總署簽訂了一份超過1億美元的太空垃圾回收合約。2025年，Clear Space 或?qū)⒊蔀槭澜缟系谝患姨绽謇砥髽I(yè)。
Clear Space-1將會利用帶有四只機(jī)械臂的機(jī)器人衛(wèi)星清理太空垃級。當(dāng)機(jī)器人衛(wèi)星進(jìn)人軌道。感測器會感測并接近太空垃圾 ，接著用四只機(jī)棫臂將其包住后朝地球墜落，機(jī)器人和殘骸進(jìn)人大氣層后會因摩擦熱而燒毀。
日本也正在太空垃圾處理產(chǎn)業(yè)嶄露頭角。太空垃圾清理企業(yè)Astroscale 開發(fā)出了一種會在發(fā)射機(jī)器人衛(wèi)星并利用黏著劑黏住太空垃圾后，返回大氣層的方式。截至目前為止，Astroscale 共獲得了210 億日元的投資，其目標(biāo)是在 2023年左右將這項服務(wù)商業(yè)化。2021年3月，Astroscale 把負(fù)責(zé)回收太空殘骸的衛(wèi)星ELSA-d裝在俄羅斯的聯(lián)盟號火箭上后，將其送入了地球低軌道。
俄羅斯航天企業(yè) StartRocket 也正在開發(fā)一種利用“泡沫碎片捕手”技術(shù)回收太空垃圾的衛(wèi)星，其目標(biāo)為最快在 2023 年發(fā)射這個衛(wèi)星。這個圓柱體衛(wèi)星會在有許多太空垃圾的地方釋放出具有黏性的聚合物泡沫，黏住垃圾的碎片，然后將其拋入地球的大氣層中，利用摩擦熱使其燃燒。
澳洲的科技企業(yè)EOS宣布，他們在經(jīng)過七年的研發(fā)后，成功開發(fā)出了一種能將地球表面危險的太空垃圾打飛到軌道外的強大鐳射。這種鐳射能準(zhǔn)確地追蹤并擊中地球軌道上的殘骸。若這種鐳射能正常運作，宇宙將會變得比現(xiàn)在更安全。
根據(jù) 9News 的報導(dǎo)，這個系統(tǒng)實際上由兩種鐳射光組成。第一種鐳射光是明亮的橘色激光束，負(fù)責(zé)瞄準(zhǔn)特定太空垃圾；第二種鐳射光則負(fù)責(zé)提升鐳射的準(zhǔn)確度，強度遠(yuǎn)高于第一種鐳射。第二種鐳射會被射出軌道、進(jìn)入更深的空間。這個系統(tǒng)會在映射大氣后，以每秒更新數(shù)百次的地圖為基礎(chǔ)，變換地面的鐳射光束，因此其能完美掌握宇宙空間并擊中垃圾。
韓國也正在考慮開發(fā)相關(guān)技術(shù)。根據(jù)韓國政府公布的 《2021年太空危險應(yīng)對施行計 畫》，為應(yīng)對太空物體碰撞的風(fēng)險和太空危險，韓國政府將投入約 130 億韓元的預(yù)算在技術(shù)開發(fā)上。此外，韓國目前也正在計劃加入機(jī)構(gòu)間太空碎片協(xié)調(diào)委員會、國際民用航空組織等旨在開發(fā)太空垃圾清除技術(shù)的國際組織。
可以預(yù)見，太空資源的利用和生產(chǎn)制造將帶來豐厚的利潤，重新定義人類的未來，但前提是，一個清潔和安全的太空環(huán)境。
如今，環(huán)境保護(hù)的意識已經(jīng)延伸到大氣層以外了，事實上，也只有在不斷完善的國際法和道德自律的雙重約束下，人類才能進(jìn)一步地探索太空，如果在如果太空垃圾清理、太空資源開采和外太空基本行為準(zhǔn)則等領(lǐng)域缺少國際共識，那么人類所預(yù)想的美好前景都可能受挫。