仰望“破碎星空”——談談太空垃圾的危害與處理

2018年4月2日,遨遊太空6年多的天宮一號,在預測的時間和範圍內準確再入大氣層,化作流星歸隱中心點位於西經163.1度、南緯14.6度的南太平洋。作為一個負責人大國,當然不會讓已經超期服役兩年半,鞠躬盡瘁的天宮一號一直留在太空而成為太空垃圾。不過說道太空垃圾,這些飄在我們頭上的高級垃圾有多少,會不會掉下來危害到我們?這是個令各個國家都頭痛的問題。

仰望“破碎星空”——談談太空垃圾的危害與處理

天宮一號再入大氣層和分解的示意圖

自從1957年第一顆人造衛星進入太空以來 ,60多年過去了,人類的太空探索獲得了非凡的成就,不計其數的衛星環繞著地球飛行,深刻的改變了人類的生產生活方式,也極大的推動了歷史的進程,但是,所有的衛星和探測器都是有一定壽命的,那麼當它們結束使命後,人們該怎麼處理呢?所有國家的航天機構都不約而同的選擇了同一種方式,那就是置之不理,因為人們想當然的認為宇宙如此浩瀚,不在乎多一點廢銅爛鐵,但在這個問題上,人類顯然是過於謙虛了,事實是,六十多年以來人類已經制造了超過7000噸的太空垃圾,超過5000萬片人造衛星和火箭的殘害飄蕩在地球周圍,於是,這就引發了兩個必須重視的問題,一個問題是這些碎片伴隨著與大氣分子及星際塵埃的碰撞摩擦 ,它們的速度會逐漸減慢,最終在地球重力的作用下不可避免的墜回大地,這種墜落萬分危險卻又無法預測。

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第二個問題是,太空垃圾的存在將嚴重影響後續的太空計劃,包括各種飛離地球的飛船、探測器以及人造衛星等等,它們去往太空之路將不再一帆風順,事實上,衛星與太空碎片的碰撞已經多次發生,而目前據統計,90%的垃圾的都集中在高度2000公里以下的低軌道以及距離地面3.6萬公里的地球同步軌道上,當這些垃圾的數量超過一定程度時,航天設備將再無可能進入低軌道,所以,現在是到了必須該出手的時候了。

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當然,清理太空垃圾畢竟不是掃地,那我們應該採取哪些對策呢?目前,有五種方式脫穎而出。

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大塊直接抓

第一種方法比較簡單、粗暴、直接、那就是挨個撿,具體來說,就是把裝有機械臂的宇宙飛船送入太空,挨個尋找垃圾,然後把它們收回在船艙中,這種方法比較適合衛星,多級火箭的箭身等體型最大那些垃圾,它的優點是有選擇性,不是盲目一把抓,這樣就可以集中精力於那些最具危險性的垃圾,不過,這種方法的缺點也是很明顯的,那就是它不好抓,這是因為在太空中,垃圾會自轉,稍有不慎就會損壞機械臂,這樣一來,別說去清理垃圾了,機械臂自己很有可能就成為太空垃圾,另外,這種方法也不便宜,想象一下,能把衛星裝進去的宇宙飛船,其自身就得具備一定的體積,發射這樣的飛船必定造價極高,而按人類目前的技術水平,估計一次也抓不了幾個,所以,要想處理相當數量的垃圾,靠這種方法有一定的難度。

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第二種方法叫終結繩索,原理是利用地磁場來降低垃圾軌道,我們知道,通電的導線在磁場中移動時會受到一種力的作用,這就是安培力,而根據電流的方向,這種力會阻止或加強導線的移動,於是有人就指出,如果利用這種力量的話或許可以阻止太空垃圾的移動,磁場方面沒有什麼問題,地球本身就擁有一個巨大的磁場,所以只需要在需要清理的垃圾上拴上一根長長的纜線便會產生安培力,使得垃圾的速度放慢,最終在數月後落回地面而不是堆積在太空中讓人不知道它們什麼時候會墜落,也不會阻礙其他的太空計劃,這樣的方法同樣適用於衛星、火箭等大型垃圾,優點是輕巧簡便,也不需要發射專門的火箭來把垃圾搞回來,垃圾將自行返回地球,但是顯而易見的是這一方面目前也存在著問題,最大的問題就是你怎麼把纜繩繫到垃圾身上,這可不是繫鞋帶兒那麼簡單,難的原因也在於垃圾本身也在不斷的自轉,另外高昂的成本恐怕也是難以想象的。鑑於此,現在科學家考慮的是,在衛星發射之前就把這個裝置安裝在衛星內部,在衛星正常運轉期間這根導線會被纏繞成線圈,那麼等到衛星壽終正寢之時再將其打開,不過想起來簡單,做起來難。這是因為導線的長度必須長達幾公里才會對垃圾產生作用,但是如此長的導線,在運行的數月當中,難免不會碰到其他運行的衛星。而且還有一個更重要的問題,便是導線必須用十分堅固的材料編成,以保證不會被其他太空碎片切斷,而製造這樣材料的導線也並不容易。

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第三個清理太空垃圾的方法就是一張移動的網,這和用漁網打魚是一個道理。美國一家公司開發了一種網狀系統。這是一張由聚合物織成的網,十分牢固足以抵抗宇宙塵埃帶來的磨損,只需要將其掛在一顆小行星上並展開,那麼隨著小行星的運動這張網就可以捕獲垃圾,等裝滿了再進行回收。這種方式同樣適用於大型垃圾,優點是用來網絡垃圾的裝置,是用可充氣的彈簧製成的,十分輕便,成本也不高。而且除了大型垃圾外也幾乎可以捕獲各種垃圾,不管你轉不轉,也不管你轉的有多快,更不管你有沒有什麼方便抓取的點,這種方式都是天網恢恢,疏而不漏。但這種方法的缺點是捕獲的垃圾必須由太空飛行器帶回地球,那麼這個成本是很高的。

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第四個方法是激光掃帚,也就是利用地面激光裝置,在超靈敏雷達的控制之下可以檢測到直徑一釐米的垃圾,使用激光照射,並將其加熱汽化。這種方式適合較小的垃圾,太大的垃圾,能耗將過大。其優點是,太空垃圾會直接消失在大氣中,檣櫓灰飛煙滅。缺點是,即便是對付小型垃圾,這種方法也是耗能極大的,而且操作不當的話,不但不會消滅垃圾,而且會形成更小更細微的碎片。另外這個方法會釋放出大量能量,可能會對環境產生十分不利的影響。比如激光束所到之處,大氣的熱平衡將會被破壞,甚至大氣的成分也會改變,成堆的帶電粒子會出現在大氣中,可能造成難以預見的後果,比如大氣層中的大規模放電。

第五種方法是使用氣凝膠板。也就是創造一個膠質陷阱,這個所謂的氣凝膠是一種多孔材料,比表面積非常大,其中的空氣比例佔了99.8%,所以垃圾威力在穿過這種材料時會減慢速度,並在氣凝膠內部鑿出長長的隧道直至完全停止運動。那麼當氣凝膠板最大限度的飽餐之後就會被送回地球。這種方法適用於微型,也就是直徑小於一毫米的微塵。而且這項技術的有效性現在已經得到了證明。2006年,NASA的星塵號探測器就曾利用氣凝膠板來捕捉和收集彗星塵埃。不過這一方法也有其缺陷,那就是直徑小於一毫米的垃圾,本身危險性就不大,他們雖然會對衛星造成磨損,但卻不會造成實質性的損壞,所以感覺就有點沒有必要。另外,要使這種方法效率更高,蒐集更多垃圾的話,就要發射面積很大的氣凝膠板,但這樣一來,就增加了其與大型垃圾相撞的幾率從而被撕碎,而如果撞在正在行進中的衛星,那麼二者有可能全都玩完。

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現在的科技發展很重要,提高外太空的技術也重要,那麼清理這些太空垃圾已經成為了科學家首要的重中之重,一旦到時候地球上被這些太空垃圾圍個水洩不通的時候,那麼人類接下來的困難就必然是一個接一個,將成為未來的世紀難題。


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