海綿演講，今日頭條創作者系列演講活動，傳遞智識與見解。
比起遙遠的太空，人們似乎永遠更關心身邊實實在在的生活，太空垃圾就是這樣一個聽上去好像與我們無關的話題。但中國科學院空間應用工程與技術中心戰略規劃室主任 介紹說，密佈的太空垃圾會對我們常用的手機通信、GPS、天氣預報的運行帶來極大威脅，更會阻擋人類向宇宙探索的腳步。
本期 中，張偉介紹了太空垃圾的來龍去脈。他說，太空將是我們下一個家園，太空垃圾問題是需要每個人共同面對的問題。
觀看張偉現場演講視頻：
以下為張偉演講文字實錄：
各位嘉賓，下午好。非常高興今天能和大家來分享一些關於太空垃圾的知識。
大家可能看過電影《地心引力》，在電影中衛星爆炸產生的太空垃圾把我們的航天飛機撞壞了，除了一位航天員搭乘我國的載人飛船返回地球，其他的航天員都獻出了寶貴的生命。看了這樣的情節，大家可能會想，這種事情真的可能發生嗎？太空垃圾真的會多到防不勝防嗎？
首先我想問大家一個問題，目前太空中共有多少太空垃圾存在？
1957年，從蘇聯發射第一顆人造衛星開始，人類不斷地向太空發射越來越多的衛星，產生了越來越多的太空垃圾。目前太空中的垃圾碎片，據估計總共有1億多塊，尺寸有大有小，從毫米級、釐米級到米級以上不等。
這些太空垃圾中，大於10釐米的有大約2萬9千塊，就是比西紅柿要大，甚至長達幾十米；在1釐米到10釐米之間的有75萬個，比我們小時候玩的彈珠要大，比西紅柿要小；毫米級的有1.66億個，比芝麻大，比彈珠小。
大家可能會問，我們每年只往太空發射400個航天器，怎麼會產生這麼多的太空垃圾呢？這些太空垃圾又是怎麼產生的呢？
首先我們要了解一下，什麼是太空垃圾？太空垃圾，是指除了在軌道正常運行的航天器外，遊離於太空的人造物體。這裡麵包括廢棄的衛星、拋棄的整流罩以及火箭的殘骸等，甚至還有航天員出艙活動時丟失的手套、工具包等。
上圖最右邊的圖片是2008年美國的一位航天員（Heide）在太空維修太陽能面板時，一不小心讓工具包飄走了。在太空中不像我們在地面，可以走過去把它撿回來，它最後非常高速地飄走了。據說這個工具包價值10萬美元。後來有天文愛好者還在地面觀測到了軌道上的一個太空垃圾，就是這個工具包。
當然了，我國的航天員還沒丟過東西，因為目前我們的出艙活動只有（神舟七號宇航員）翟志剛進行過一次。
我們的天宮一號今年得到了國際社會的廣泛關注，因為在2016年結束使命後，它已經在太空遨遊了兩年。大家老在想它什麼時候會掉下來，掉在哪裡，直到今年4月天宮一號墜落在南太平洋。在太空遨遊的這兩年，它就是作為太空垃圾存在的。
上圖是美國太空監視網發佈的，10釐米以上的太空垃圾隨年代變化的情況，這個圖裡只包括10釐米以上的垃圾，因為太小的垃圾很難被探測到。圖中綠色的線是火箭的箭體，藍色的線是廢棄的衛星，這兩種航天器是緩慢增長的。紫色的線代表碎片級垃圾，增長非常快，而且增長速度有突變。突變是由於衛星的解體和火箭的爆炸形成了大量碎片，佔太空垃圾總數的47.7%。截止目前，已記錄的航天器解體事件達290起，大部分是衛星的解體和火箭的爆炸，這將會產生大量的空間碎片。
衛星在太空當中，一旦失控就會發生非常快的旋轉，有可能會把自己的太陽能電板也給甩出來，導致衛星最終解體；另外，兩個航天器也可能在太空相撞，這些情況都會產生大量的太空垃圾。比如說2009年2月蘇聯的一顆廢棄衛星和美國的一個移動通訊衛星發生了碰撞，一下子產生了2300塊太空垃圾。
還有很多小的垃圾，它們還會相互再撞，產生更多更小的垃圾，進而導致更多的碰撞，直到太空垃圾佔滿我們整個軌道空間。這樣連綿不絕的相互碰撞，國際上稱作“凱斯勒效應”。 所以從這裡我們可以總結出，我們的航天事業發展了60年，雖然取得了很大的進步，但是也產生了1億多塊太空垃圾。
有人可能會問，太空這麼大，太空垃圾是不是不會對我們人類造成大的影響？
首先我們要回答，這些太空垃圾位於什麼位置？
太空垃圾目前主要集中在近地軌道和地球同步軌道上。近地軌道是指地球200公里以上、2000公里以下的軌道，我們的天宮二號、美國牽頭建造的國際空間站就位於這個軌道；還有大多數對地觀測衛星也在這個軌道上，為我們提供天氣預報、資源監測及災害預警等服務。
地球同步軌道距離地球表面3萬6千公里左右，這個軌道上衛星的軌道週期與地球的自轉週期相同。衛星轉一圈是24小時，而我們地球自轉也是24小時，這樣能夠保持衛星與地球的同步。比如我國的北斗導航衛星就在這個軌道上，能夠為我們提供穩定的導航服務。
太空垃圾中90%分佈在近地軌道，近地軌道太空垃圾如下圖所示，軌道上佈滿了密密麻麻的太空垃圾，彷彿已經把地球覆蓋住。近地軌道的太空垃圾由於受地球引力和大氣阻力的作用，會逐漸軌道衰減，自行墜落到地球上。但軌道越高，衰減速度越慢，有的需要數百年才能落回地球。
由於近地軌道空間的不斷開發利用，太空垃圾增長非常快，已累積到2700噸，約為1800輛小轎車的重量，而每年落回地球的太空垃圾只有幾十噸。太空垃圾減少的速度遠遠趕不上增加的速度，導致每年近地軌道太空垃圾淨增長5%左右。
照這個速度，近地軌道中太空垃圾的數量每15年就會翻一番。
近地軌道上這麼多的太空垃圾，很容易與航天器發生碰撞，可能造成航天器的重大損傷或解體。近地軌道太空垃圾與航天器的相對速度大約10千米/秒，大約是高鐵速度的100倍，在這麼高的速度下，一個子彈大的太空垃圾撞擊航天器時，其毀傷作用相當於子彈的100倍，很容易擊穿航天器。 如果是大碎片撞擊，可能直接導致航天器四分五裂。比如電影《地心引力》中，太空垃圾就將航天飛機撞得旋轉個不停。
我這裡有一個實物，是一塊來自小行星的太空隕石，它在太空遨遊了數百萬年甚至更長，現在落在了地球上。這麼大的一塊隕石，如果以10千米/秒的速度撞上空間站，可想而知空間站的下場如何，我們的航天員能否活著回來都是個問題。
近地軌道的太空垃圾如果與某個應用衛星相撞，可能會對我們的生活造成影響，比如太空垃圾與某氣象衛星相撞，會造成一大片區域無法進行天氣預報，即使明天要下冰雹，我們也不知道要帶傘。
地球同步軌道的太空垃圾受地球引力很小，逐漸軌道衰減回到地球可能需要花費幾百萬年的時間，因此它們會長期滯留在軌道上，這樣位於地球同步軌道的太空垃圾就會持續增加。但是與近地軌道相比，地球同步軌道的太空垃圾還是相對較少，且同步軌道空間巨大，不易與在軌運行的衛星相撞。不過它們一旦與這個軌道上的衛星（如導航衛星或通信衛星）相撞，可能使一個地區的導航無法使用或者手機通信中斷，嚴重影響我們的生活。我想大家可能會有這樣的經歷，當我們開車去一個陌生的地方時，一旦途中碰到GPS導航信號差、或者手機沒有信號，在前不著村、後不著店的地方，簡直是叫天天不應、叫地地不靈。
隨著航天技術的快速發展，人類的太空活動越來越頻繁，發射的衛星數量加倍增長，太空垃圾增長的速度也非常驚人。下面我們來看一下1960年以來太空垃圾的演變過程。
由上圖可以看出，隨著空間開發活動的增多，1960年清潔的太空到2010年變成了垃圾遍佈的軌道空間，在這期間太空垃圾的數量幾乎呈幾何級數的增長。我們可以想象一下，在不遠的將來，如2200年，太空垃圾有可能會將地球完全包圍，我們將無法向太空發射任何新的航天器。
航天之父齊奧爾剋夫斯基說過，地球是人類的搖籃，但人類不會永遠被束縛在搖籃裡。
我們可以想象，如果未來地球周圍遍佈太空垃圾，人類的確將可能永遠被束縛在搖籃裡。到那時，太空垃圾與衛星相撞的概率將會非常大，我們的應用衛星將可能遭到完全破壞。大家可以想想，如果出門沒有GPS導航、手機無法通信、天氣不能預報，這是不是會讓我們回到原始社會？在這種情況下，對於太空垃圾，我們可以怎麼辦呢？
太空垃圾的長期存在和增長，對我們的太空活動造成巨大威脅，必須採取手段和措施以解決這個問題。
這些手段中，首先是太空垃圾規避，也就是躲避。
比如美國就建立了太空監視網，通過部署於全球的地面雷達和光學望遠鏡，對較大的太空垃圾進行探測和跟蹤，能夠對近地軌道10釐米以上和地球同步軌道0.5米以上的太空垃圾進行預警。當他們對在軌航天器有撞擊威脅時，可以控制航天器進行軌道機動以躲避撞擊。目前每年國際空間站都會進行幾次軌道機動以躲避太空垃圾。
第二是太空垃圾防護。
對於毫米級的微小太空垃圾可以採用必要的防護手段，比如採用下圖中的多層防護結構，通過多層緩衝逐步減弱太空碎片的撞擊力。國際空間站就安裝了大量的防護結構以對抗太空垃圾撞擊，以降低對空間站和航天員的危害。
第三是太空垃圾減緩，也就是如何使我們的航天活動減少產生太空垃圾。目前主要有以下辦法：
一是在航天器壽命結束時，通過控制離軌使其墜入地球大氣層燒燬，或向上推送入墳墓軌道。墳墓軌道類似於我們的垃圾填埋場，這個軌道長期無人使用，衛星放在那兒不會對我們造成什麼影響。
對於近地軌道的衛星，在快接近壽命結束時提前控制它離軌，使其墜落入大氣層燒燬，不要等到燃料耗盡了等它慢慢軌道衰減，那樣一方面是衛星掉的很慢，另一方面殘骸可能會掉在有人生活的地方；而對於地球同步軌道的衛星，則留一部分燃料將它推進至高於軌道300公里以上的墳墓軌道。
二是發展可重複使用火箭，儘量將火箭的大部分回收，包括一級、二級火箭和整流罩等。例如美國SpaceX公司等已成功實現一級火箭的回收，不僅可以減少太空垃圾，還可以降低發射成本。2018年2月，SpaceX成功發射獵鷹9號火箭並嘗試使用回收船進行整流罩回收，雖然以幾百米誤差宣告失敗，但我們相信，有志者事竟成，馬斯克（SpaceX公司CEO）未來一定可以成功。
最後是太空垃圾清除，也就是將現有的太空垃圾通過各種技術手段進行回收或使其離軌等。
而對於如何清除太空垃圾，人們想出了各種非常有趣的想法：
例如，我們可以建造大型太空拖船，類似我們的垃圾回收車，走到哪兒收到哪兒，利用各種工具，將經過的太空垃圾捕獲並回收；還有一種想法是研製專用機械臂，對廢棄的衛星進行抓取，不過由於衛星形狀不規則且常常在轉動，抓取有一定技術難度。另外，空中客車公司研發了一種太空魚叉，用於清除一顆失效的地球觀測衛星Envisat。抓不住它就直接用“魚叉”插進去拖走，這似乎是一種可行的辦法。
2015年，歐洲航天局成功試驗了利用太空漁網捕獲太空垃圾的技術，漁網對於捕獲不規則形狀的物體很有效，這個辦法非常實用，未來有望獲得廣泛應用。
另外，我國有科學家在研究，用回收船通過導電的繩子連接廢棄的衛星，並通過繩子給衛星充電，然後由帶電的繩子切割地球磁場的磁力線產生的拖力，使衛星軌道下降，從而實現離軌。 由於近地軌道地球磁場較強，因此這個方法對於近地軌道上的衛星清除應該很有用。
當然，人們還提出了其他各種各樣腦洞大開的想法，並積極開展地面試驗，如用強激光燒掉空間碎片等。愛因斯坦曾經說過，想象力比知識更重要。由太空垃圾的清除辦法可以看出，科技的發展不僅僅依靠技術的進步，更要依靠人類想象力的提升。
下面我對前面提到的三個問題進行簡要總結，一是人類每年僅向太空發射數百個航天器，卻產生數以億計的太空垃圾；二是日益增長的太空垃圾將可能對我們的日常生活帶來重大影響；三是對於太空垃圾，一方面要採取必要措施減少航天活動中太空垃圾的產生，另一方面更要不斷提升我們的想象力，想出更高效、成本更低的方法去清除大量太空垃圾。
太空垃圾的治理不是一個國家的問題，而是人類共同的問題。太空是我們共同的家園，我相信，在不遠的未來，我們進入太空旅遊將像在國內旅遊一樣方便，甚至可以隨時移民到另一個星球。正因為如此，我們才要更加珍惜我們的太空環境，要治理日益增長的太空垃圾，讓我們走向太空的道路更加通暢，讓我們未來的太空家園更加清潔，讓我們的子孫後代生活得更加美好。
我想，現在是時候來處理太空垃圾問題了！
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