仰望“破碎星空”——谈谈太空垃圾的危害与处理

2018年4月2日,遨游太空6年多的天宫一号,在预测的时间和范围内准确再入大气层,化作流星归隐中心点位于西经163.1度、南纬14.6度的南太平洋。作为一个负责人大国,当然不会让已经超期服役两年半,鞠躬尽瘁的天宫一号一直留在太空而成为太空垃圾。不过说道太空垃圾,这些飘在我们头上的高级垃圾有多少,会不会掉下来危害到我们?这是个令各个国家都头痛的问题。

仰望“破碎星空”——谈谈太空垃圾的危害与处理

天宫一号再入大气层和分解的示意图

自从1957年第一颗人造卫星进入太空以来 ,60多年过去了,人类的太空探索获得了非凡的成就,不计其数的卫星环绕着地球飞行,深刻的改变了人类的生产生活方式,也极大的推动了历史的进程,但是,所有的卫星和探测器都是有一定寿命的,那么当它们结束使命后,人们该怎么处理呢?所有国家的航天机构都不约而同的选择了同一种方式,那就是置之不理,因为人们想当然的认为宇宙如此浩瀚,不在乎多一点废铜烂铁,但在这个问题上,人类显然是过于谦虚了,事实是,六十多年以来人类已经制造了超过7000吨的太空垃圾,超过5000万片人造卫星和火箭的残害飘荡在地球周围,于是,这就引发了两个必须重视的问题,一个问题是这些碎片伴随着与大气分子及星际尘埃的碰撞摩擦 ,它们的速度会逐渐减慢,最终在地球重力的作用下不可避免的坠回大地,这种坠落万分危险却又无法预测。

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第二个问题是,太空垃圾的存在将严重影响后续的太空计划,包括各种飞离地球的飞船、探测器以及人造卫星等等,它们去往太空之路将不再一帆风顺,事实上,卫星与太空碎片的碰撞已经多次发生,而目前据统计,90%的垃圾的都集中在高度2000公里以下的低轨道以及距离地面3.6万公里的地球同步轨道上,当这些垃圾的数量超过一定程度时,航天设备将再无可能进入低轨道,所以,现在是到了必须该出手的时候了。

仰望“破碎星空”——谈谈太空垃圾的危害与处理

当然,清理太空垃圾毕竟不是扫地,那我们应该采取哪些对策呢?目前,有五种方式脱颖而出。

仰望“破碎星空”——谈谈太空垃圾的危害与处理

大块直接抓

第一种方法比较简单、粗暴、直接、那就是挨个捡,具体来说,就是把装有机械臂的宇宙飞船送入太空,挨个寻找垃圾,然后把它们收回在船舱中,这种方法比较适合卫星,多级火箭的箭身等体型最大那些垃圾,它的优点是有选择性,不是盲目一把抓,这样就可以集中精力于那些最具危险性的垃圾,不过,这种方法的缺点也是很明显的,那就是它不好抓,这是因为在太空中,垃圾会自转,稍有不慎就会损坏机械臂,这样一来,别说去清理垃圾了,机械臂自己很有可能就成为太空垃圾,另外,这种方法也不便宜,想象一下,能把卫星装进去的宇宙飞船,其自身就得具备一定的体积,发射这样的飞船必定造价极高,而按人类目前的技术水平,估计一次也抓不了几个,所以,要想处理相当数量的垃圾,靠这种方法有一定的难度。

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第二种方法叫终结绳索,原理是利用地磁场来降低垃圾轨道,我们知道,通电的导线在磁场中移动时会受到一种力的作用,这就是安培力,而根据电流的方向,这种力会阻止或加强导线的移动,于是有人就指出,如果利用这种力量的话或许可以阻止太空垃圾的移动,磁场方面没有什么问题,地球本身就拥有一个巨大的磁场,所以只需要在需要清理的垃圾上拴上一根长长的缆线便会产生安培力,使得垃圾的速度放慢,最终在数月后落回地面而不是堆积在太空中让人不知道它们什么时候会坠落,也不会阻碍其他的太空计划,这样的方法同样适用于卫星、火箭等大型垃圾,优点是轻巧简便,也不需要发射专门的火箭来把垃圾搞回来,垃圾将自行返回地球,但是显而易见的是这一方面目前也存在着问题,最大的问题就是你怎么把缆绳系到垃圾身上,这可不是系鞋带儿那么简单,难的原因也在于垃圾本身也在不断的自转,另外高昂的成本恐怕也是难以想象的。鉴于此,现在科学家考虑的是,在卫星发射之前就把这个装置安装在卫星内部,在卫星正常运转期间这根导线会被缠绕成线圈,那么等到卫星寿终正寝之时再将其打开,不过想起来简单,做起来难。这是因为导线的长度必须长达几公里才会对垃圾产生作用,但是如此长的导线,在运行的数月当中,难免不会碰到其他运行的卫星。而且还有一个更重要的问题,便是导线必须用十分坚固的材料编成,以保证不会被其他太空碎片切断,而制造这样材料的导线也并不容易。

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第三个清理太空垃圾的方法就是一张移动的网,这和用渔网打鱼是一个道理。美国一家公司开发了一种网状系统。这是一张由聚合物织成的网,十分牢固足以抵抗宇宙尘埃带来的磨损,只需要将其挂在一颗小行星上并展开,那么随着小行星的运动这张网就可以捕获垃圾,等装满了再进行回收。这种方式同样适用于大型垃圾,优点是用来网络垃圾的装置,是用可充气的弹簧制成的,十分轻便,成本也不高。而且除了大型垃圾外也几乎可以捕获各种垃圾,不管你转不转,也不管你转的有多快,更不管你有没有什么方便抓取的点,这种方式都是天网恢恢,疏而不漏。但这种方法的缺点是捕获的垃圾必须由太空飞行器带回地球,那么这个成本是很高的。

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第四个方法是激光扫帚,也就是利用地面激光装置,在超灵敏雷达的控制之下可以检测到直径一厘米的垃圾,使用激光照射,并将其加热汽化。这种方式适合较小的垃圾,太大的垃圾,能耗将过大。其优点是,太空垃圾会直接消失在大气中,樯橹灰飞烟灭。缺点是,即便是对付小型垃圾,这种方法也是耗能极大的,而且操作不当的话,不但不会消灭垃圾,而且会形成更小更细微的碎片。另外这个方法会释放出大量能量,可能会对环境产生十分不利的影响。比如激光束所到之处,大气的热平衡将会被破坏,甚至大气的成分也会改变,成堆的带电粒子会出现在大气中,可能造成难以预见的后果,比如大气层中的大规模放电。

第五种方法是使用气凝胶板。也就是创造一个胶质陷阱,这个所谓的气凝胶是一种多孔材料,比表面积非常大,其中的空气比例占了99.8%,所以垃圾威力在穿过这种材料时会减慢速度,并在气凝胶内部凿出长长的隧道直至完全停止运动。那么当气凝胶板最大限度的饱餐之后就会被送回地球。这种方法适用于微型,也就是直径小于一毫米的微尘。而且这项技术的有效性现在已经得到了证明。2006年,NASA的星尘号探测器就曾利用气凝胶板来捕捉和收集彗星尘埃。不过这一方法也有其缺陷,那就是直径小于一毫米的垃圾,本身危险性就不大,他们虽然会对卫星造成磨损,但却不会造成实质性的损坏,所以感觉就有点没有必要。另外,要使这种方法效率更高,搜集更多垃圾的话,就要发射面积很大的气凝胶板,但这样一来,就增加了其与大型垃圾相撞的几率从而被撕碎,而如果撞在正在行进中的卫星,那么二者有可能全都玩完。

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现在的科技发展很重要,提高外太空的技术也重要,那么清理这些太空垃圾已经成为了科学家首要的重中之重,一旦到时候地球上被这些太空垃圾围个水泄不通的时候,那么人类接下来的困难就必然是一个接一个,将成为未来的世纪难题。


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