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)射中散落的殘骸；三是源于航天員在太空生活時所產(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)。科學(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)?，它們的速度甚至更快，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。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。

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。

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。

“機器清潔工”則是用帶有機械臂的機動衛(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，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械臂的機器人衛(wèi)星清理太空垃級。當(dāng)機器人衛(wèi)星進人軌道。感測器會感測并接近太空垃圾 ，接著用四只機棫臂將其包住后朝地球墜落，機器人和殘骸進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，負責(zé)瞄準(zhǔn)特定太空垃圾；第二種鐳射光則負責(zé)提升鐳射的準(zhǔn)確度，強度遠高于第一種鐳射。第二種鐳射會被射出軌道、進入更深的空間。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。