太空垃圾的個(gè)頭雖小，但卻帶來大麻煩,這些
太空垃圾的處理方法是什么?
2014年，國際空間站不得不3次變軌，以避免遭到太空碎片，也就是太空垃圾的撞擊。除了空間站外，太空垃圾也對(duì)軌道中造價(jià)昂貴并且對(duì)我們至關(guān)重要的衛(wèi)星構(gòu)成威脅。太空垃圾的問題究竟有多嚴(yán)重？我們又當(dāng)采取何種措施應(yīng)對(duì)這種威脅？
太空垃圾是什么人類為了追求更加清潔、優(yōu)美的生活環(huán)境，采取了各種各樣的方法治理地球上的垃圾等有害物質(zhì)。但鮮為人知的是，在太空，成千上萬噸垃圾正在不斷地產(chǎn)生。更令人不安的是，這些垃圾存在大量放射性物質(zhì)。
太空垃圾是人類在進(jìn)行航天活動(dòng)時(shí)，遺棄在太空的各種物體的碎片。如各種衛(wèi)星的保護(hù)罩及部件，各種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在空間爆炸產(chǎn)生的殘骸，核動(dòng)力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片；宇航員在太空行走時(shí)丟棄的螺母、螺栓和螺絲刀等各種物體。這些東西如人造衛(wèi)星，一般按一定的軌道環(huán)繞地球飛行，形成了一條危險(xiǎn)的垃圾帶。
本文選自譯言網(wǎng)
譯者：小北譯原文作者：Hugh Lewis
自進(jìn)入太空時(shí)代以來，人類已進(jìn)行了5000多次發(fā)射，致使 地球軌道越發(fā)擁擠 軌道越發(fā)擁擠
軌道越發(fā)擁擠
在應(yīng)對(duì)和解決全球健康、饑餓、貧困、教育、能源安全、氣候變化等問題以及降低災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)方面，越發(fā)成熟的太空基礎(chǔ)設(shè)施做出了很大貢獻(xiàn)。不幸的是，由于我們對(duì)衛(wèi)星的依賴度不斷提高以及長(zhǎng)久以來認(rèn)為“太空非常巨大”，太空環(huán)境不斷惡化。自太空時(shí)代開始以來，人類已經(jīng)進(jìn)行了5000多次發(fā)射，大量地球觀測(cè)衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星以及其他衛(wèi)星被送入太空，致使“太空交通”越發(fā)擁擠。
現(xiàn)在，美國太空監(jiān)測(cè)網(wǎng)正對(duì)數(shù)萬塊個(gè)頭超過網(wǎng)球的太空垃圾進(jìn)行追蹤。據(jù)估計(jì)，尺寸不到1厘米的太空垃圾數(shù)量達(dá)到1億。由于時(shí)速可達(dá)到驚人的1.7萬英里（約合每小時(shí)2.7萬公里），每一塊這么大的太空垃圾都足以破壞甚至摧毀我們依賴的衛(wèi)星。
美國建造了一個(gè)傳感器網(wǎng)路，包括座落于夏威夷的3.67米口徑望遠(yuǎn)鏡（如圖），用于追蹤衛(wèi)星和太空碎片
可怕紅色會(huì)合
太空垃圾問題造成的最明顯“癥狀”恐怕就是國際空間站經(jīng)常進(jìn)行碰撞避免機(jī)動(dòng)。隨著太空垃圾的不斷增多，空間站進(jìn)行防撞機(jī)動(dòng)的頻率越發(fā)頻繁。一旦探測(cè)到太空垃圾的時(shí)間過晚，無法通過機(jī)動(dòng)進(jìn)行避讓，空間站便會(huì)拉響警報(bào)，提醒宇航員采取緊急措施?？臻g站上的系統(tǒng)為宇航員提供至關(guān)重要的生命支持，但同時(shí)也非常脆弱，在碎片撞擊面前顯得不堪一擊——真空中的加壓艙被撞破之后就像氣球一樣。
所謂的“紅色會(huì)合”是指一塊太空碎片與空間站之間的距離近到對(duì)其構(gòu)成威脅的程度。最近的一次紅色會(huì)合發(fā)生在今年的7月17日，威脅者是一顆俄羅斯衛(wèi)星的碎片。這一次的紅色會(huì)合再一次說明太空垃圾威脅不斷升級(jí)。通過好萊塢大片《地心引力》，觀眾身臨其境地感受到空間站上的宇航員聽到“紅色會(huì)合”警報(bào)時(shí)內(nèi)心的焦慮。
在空間站所處的高度，太空垃圾的數(shù)量較少。在更高的高度，太空垃圾的數(shù)量也隨之增多，在這些高度運(yùn)轉(zhuǎn)的只有衛(wèi)星。在幫助我們了解地球方面，這些衛(wèi)星發(fā)揮著不可估量的作用。隨著數(shù)量的不斷增多，太空垃圾實(shí)現(xiàn)“自維持”的幾率也不斷提高。所謂的“自維持”是指因相互碰撞新增的太空垃圾數(shù)量超過因大氣阻力導(dǎo)致的自然衰減而消失的垃圾數(shù)量。2009年2月，2顆較小的衛(wèi)星在西伯利亞上空“撞車”，產(chǎn)生大約2000塊可被追蹤的新碎片。這些碎片中，很多仍逗留在軌道并且經(jīng)常在其他衛(wèi)星附近穿過。
由于探測(cè)到一塊太空垃圾的時(shí)間太晚，已來不及進(jìn)行防撞機(jī)動(dòng)，國際空間站上的宇航員被迫躲進(jìn)“聯(lián)盟”號(hào)飛船
數(shù)說
太空垃圾尺寸1到10厘米的太空垃圾達(dá)到50萬塊
尺寸10厘米以上的太空垃圾超過2.1萬塊
尺寸不到1厘米的太空垃圾超過1億塊
絕大多數(shù)太空垃圾與地球表面的距離不到2000公里
距地面750到800公里之間的太空垃圾密度最大
太空垃圾的移動(dòng)速度達(dá)到每小時(shí)17500英里（約合每小時(shí)28163公里）
只有7%的太空垃圾是仍在運(yùn)轉(zhuǎn)中的衛(wèi)星
2007年，一塊太空碎片在“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的散熱板上撞出一個(gè)洞
凱斯勒綜合癥
自維持碰撞活動(dòng)是影片《地心引力》的另一大看點(diǎn)。這種活動(dòng)被稱之為“凱斯勒綜合癥”，以美國宇航局科學(xué)家唐·凱斯勒（已退休）的名字命名。1978年，凱斯勒與同事伯頓·考爾-帕萊斯描述了這一過程。凱斯勒綜合癥真實(shí)存在，但經(jīng)常被夸大。
太空垃圾數(shù)量增長(zhǎng)的失控以及重要衛(wèi)星的損失促使科學(xué)家尋找各種方式，消除太空垃圾。如果我們能夠掃清存在威脅的太空垃圾，我們便可緩解甚至避免凱斯勒綜合癥。然而，這并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，不僅需要研發(fā)新技術(shù)，同時(shí)還需要制定新的法律以及巨大的資金支持。
在清除太空垃圾方面，歐洲航天局走在世界前列。他們正在執(zhí)行一項(xiàng)名為“脫軌”的任務(wù)，目標(biāo)是“消滅”軌道中的一顆大型歐洲衛(wèi)星。這是一項(xiàng)雄心勃勃的任務(wù)，無數(shù)新技術(shù)被研發(fā)出來并進(jìn)行評(píng)估，其中包括空中客車防務(wù)及航天公司的英國工程師提議的一種基于魚叉的解決方案。當(dāng)然，這絕非一項(xiàng)沒有風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，然而一旦取得成功，便可讓整個(gè)世界意識(shí)到如果政治、法律和財(cái)政方面的問題得以解決，利用技術(shù)手段解決太空垃圾問題的可能性是存在的?！懊撥墶比蝿?wù)將在2016年遭遇關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。一方面，它的系統(tǒng)需要接受評(píng)估；另一方面，歐航局部長(zhǎng)級(jí)理事會(huì)將就是否批準(zhǔn)這項(xiàng)任務(wù)和撥款以繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)任務(wù)展開討論。
2013年好萊塢大片《地心引力》劇照，由女星桑德拉·布洛克領(lǐng)銜
追蹤系統(tǒng)
小到3毫米的太空垃圾可以被地面雷達(dá)探測(cè)到；
尺寸小于1毫米的太空垃圾可以通過分析返航飛船表面遭受的撞擊進(jìn)行評(píng)估——僅限于距地高度不到600公里的太空垃圾；
美國空軍太空垃圾監(jiān)視網(wǎng)當(dāng)前對(duì)2.1萬塊尺寸超過10厘米的太空垃圾進(jìn)行追蹤；
美國聯(lián)邦政府投入近10億美元研制一種新型太空垃圾追蹤裝置——“太空柵欄”雷達(dá)系統(tǒng)，能夠追蹤20萬塊尺寸更小的太空垃圾。
令航天機(jī)構(gòu)感到擔(dān)憂的是，低成本小衛(wèi)星數(shù)量的暴漲將加劇太空垃圾問題
小衛(wèi)星乃未來方向？面對(duì)不斷加劇的太空垃圾問題，一個(gè)旨在讓太空開發(fā)利用發(fā)生革命性變化的新產(chǎn)業(yè)也隨之浮出水面。這個(gè)新產(chǎn)業(yè)就是小衛(wèi)星。現(xiàn)在，很多小公司和創(chuàng)業(yè)公司——尤其是后者——正用事實(shí)證明預(yù)算低并不一定意味著作用和影響小。以舊金山的“行星實(shí)驗(yàn)室”公司為例，這家公司利用所謂的“立方體衛(wèi)星”重新定義地球成像市場(chǎng)。他們的Dove衛(wèi)星尺寸不及一個(gè)公文包，但卻能拍攝用于多種用途的高分辨率地球照片。包括SpaceX和OneWeb在內(nèi)的其他公司也紛紛研制大型低成本小衛(wèi)星群。
一個(gè)超惡?jiǎn)栴}
對(duì)小衛(wèi)星的無所不在可能導(dǎo)致的長(zhǎng)期后果以及太空的快速商業(yè)化，航天機(jī)構(gòu)產(chǎn)生憂慮。尤讓他們擔(dān)心的是，在軌衛(wèi)星數(shù)量的暴漲將大幅提高防撞機(jī)動(dòng)的頻率，加劇凱斯勒綜合癥。2014年，安全世界基金會(huì)技術(shù)顧問布萊恩·維登將太空垃圾稱之為一個(gè)“超惡?jiǎn)栴}”。在他看來，解決這個(gè)問題面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，因?yàn)榱艚o我們的時(shí)間不斷流失，沒有一個(gè)中央權(quán)威機(jī)構(gòu)提供指導(dǎo)或者支持，試圖解決這個(gè)問題的人同時(shí)也是這個(gè)問題的制造者，解決方案可能要留給后代尋找。
解決這個(gè)“超惡?jiǎn)栴}”的關(guān)鍵性第一步是壯大為降低這一風(fēng)險(xiǎn)提供支持措施的隊(duì)伍規(guī)模。令人感到欣慰的是，無論是太空探索領(lǐng)域的老人還是新手都意識(shí)到需要采取措施降低其太空活動(dòng)的負(fù)面影響。包括“行星實(shí)驗(yàn)室”和OneWeb在內(nèi)的公司也公開承諾力求解決太空垃圾問題。不過，我們?nèi)杂写罅抗ぷ魅プ?，才能完全了解這個(gè)問題，研發(fā)相關(guān)技術(shù)，消除法律和政治障礙以及提高意識(shí)。換句話說，凱斯勒綜合癥仍舊是一個(gè)長(zhǎng)期存在的威脅。
目前，廢棄的衛(wèi)星、剝落的隔熱瓦、燃料艙的殘片、宇航員們的排泄物……據(jù)估計(jì)，有近5500噸人類制造的太空垃圾正環(huán)繞地球旋轉(zhuǎn)。
歷史上第一位太空垃圾制造者是美國宇航員埃德?懷特。1965年，他在進(jìn)行首次太空漫步時(shí)不小心弄丟了一只備用手套。從那以后，宇航員們的“不小心”已經(jīng)使得環(huán)繞地球的太空垃圾達(dá)到大約10萬件。去年7月，另一位太空漫步者皮爾斯?塞勒斯神情尷尬地報(bào)告說，他在開放太空作業(yè)時(shí)，不小心將刮刀丟失了。結(jié)果這件被太空垃圾觀察員們昵稱為“spatsat”的遺留物在當(dāng)年8月初變成一顆火流星返回地球。
許多稀奇古怪的垃圾漂浮在地球周圍，它們大多是宇航員在太空作業(yè)時(shí)意外造成的。美國宇航局軌道垃圾項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室的一名官員表示，在俄羅斯“和平號(hào)”太空站外的一次實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)各種從太空船廢物艙中排出的廢物，包括干涸的尿液顆粒、牙膏和剃須膏等。一顆印尼的人造衛(wèi)星就慘遭“屎尿攻擊”?，F(xiàn)在美國宇航局已不再把大量廢棄物排放到太空中。
美國約翰遜太空中心太空垃圾計(jì)劃科學(xué)家馬克?馬特尼說，1960年，美國在一項(xiàng)拙劣的通訊計(jì)劃中把多數(shù)銅針撒在太空中，如今許多銅針依然還留在太空中。其他太空垃圾還包括許多從“和平號(hào)”太空站丟出的垃圾、當(dāng)年修理哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的太空漫步者遺留下來的儀器，以及早在1958年遺留下來的火箭箭身等巨型廢物。這些垃圾都分布在最危險(xiǎn)的區(qū)域，即離太空站與宇航船大約640公里的地方。當(dāng)問及目前地球軌道上最大的太空垃圾是什么?馬特尼立刻回答：國際太空站。他表示：“每艘太空船最后都注定要變成太空垃圾?！?
太空垃圾絕非無關(guān)痛癢的東西，這些東西可以使宇航員喪命、將人造衛(wèi)星擊穿。
從1991年至2006年初，科學(xué)家記錄到了三起直徑大于10厘米的太空垃圾間的相撞。最近的一次是2005年1月，一顆升空31年的廢棄美國衛(wèi)星和一些航天器殘骸發(fā)生了相撞。不過這三次撞擊均沒有造成更多太空碎片。2003年“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)著陸時(shí)意外解體墜毀，美國宇航局的相關(guān)人員就故事產(chǎn)生的原因表示：除了泡沫隔熱材料脫落的原因之外，“哥倫比亞”號(hào)很可能被一塊微型隕石或太空垃圾擊中。
太空碎片的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每小時(shí)3.52萬公里，這樣的高速能使小塊碎片在飛船或衛(wèi)星上撞出一個(gè)洞，并導(dǎo)致電力短路等故障。專家們已經(jīng)開始對(duì)這些物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以免人類的未來毀在它們手上。美國宇航局協(xié)同空軍正在應(yīng)用雷達(dá)與望遠(yuǎn)鏡感應(yīng)器，在太空探測(cè)直徑約lO厘米以上的垃圾。截至目前，直徑達(dá)10厘米左右的太空垃圾共有9925件。但是還有9萬件更小的垃圾存在于太空中，它們?cè)诃h(huán)繞地球的軌道中以每小時(shí)2400公里的速度運(yùn)行著。
目前科學(xué)家用來
清除太空垃圾的辦法主要有：
1．定位跟蹤系統(tǒng)目前最先進(jìn)的太空垃圾定位及監(jiān)視系統(tǒng)還是冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇兩國為監(jiān)視敵方導(dǎo)彈進(jìn)攻及間諜衛(wèi)星而建造的跟蹤系統(tǒng)。它們能探測(cè)到低軌道上10厘米大小和地球同步軌道上1米大小的碎片。
2．“激光掃帚”鎖定太空垃圾目標(biāo)后，發(fā)出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體，利用氣體的反作用力推動(dòng)太空垃圾朝地球的方向運(yùn)動(dòng)，最終使其進(jìn)入大氣層，與大氣產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦而燃燒。
3．“自殺衛(wèi)星”這種自殺衛(wèi)星體積只有足球那么大，一旦偵察到太空垃圾，便依附在垃圾上，使其速度降低，最后進(jìn)入大氣層，與太空垃圾同歸于盡。
4．“空間工友”這種儀器由12只空間“垃圾箱”組成，在地球同步軌道上運(yùn)行。當(dāng)太空垃圾飛過時(shí)，它的由電腦控制的機(jī)械臂會(huì)抓住目標(biāo)，放進(jìn)“垃圾箱”后將其分割切碎，使其墜入地球大氣層燃燒自毀。
不過，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，上述清除太空垃圾的方法多數(shù)還處于試驗(yàn)階段。
只有清除軌道上的大型物體才能避免未來航天的潛在威脅?？墒侵卫砜臻g環(huán)境比治理地面環(huán)境要困難得多，無論技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上，目前并沒有可行的方式來清除這些太空垃圾，人們似乎重復(fù)走上了與地球環(huán)境相同的“先污染，后治理”的老路。據(jù)了解，一個(gè)太空飛行器若在600千米的高空飛行，它將圍繞地球轉(zhuǎn)25～30年，如果它位于1000千米的高度，則可飛行到4001年，如果再高，它幾乎會(huì)成為永恒的物體。如今，太空中這種“長(zhǎng)壽”垃圾越來越多，清除將是極其艱難的。
多年來，各國科研人員一直在積極探索解決太空垃圾的問題。除了呼吁人類提高太空環(huán)保意識(shí)外，宇航專家們提出了許多對(duì)策。
“金鐘罩鐵布衫” 早在1947年，美國科學(xué)家惠普耳就提出了保護(hù)航天器免受高速飛行的太空垃圾襲擊的方法。為了代替鑲嵌在航天器表面越來越厚的保護(hù)層，惠普耳建議在保護(hù)層前安裝一層防護(hù)屏，當(dāng)太空垃圾與防護(hù)屏發(fā)生碰撞時(shí)，防護(hù)屏被擊碎，同時(shí)太空垃圾也被撞碎變成粉末，從而解除了對(duì)航天器的威脅。2007年5月，國際空間站上的兩名俄羅斯宇航員經(jīng)過5個(gè)半小時(shí)的太空行走，為空間站安裝金屬遮蔽罩，減少太空垃圾對(duì)空間站的威脅。每個(gè)遮蔽罩重9千克，寬0.6米、長(zhǎng)0.9米。防護(hù)屏的一個(gè)重要特點(diǎn)是在網(wǎng)狀的防護(hù)屏上還涂了一層特殊材料，當(dāng)太空碎片與其發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞產(chǎn)生的能量使其與太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了太空碎片變成粉末的過程。網(wǎng)狀防護(hù)屏還能使與其碰撞的太空碎片橫向面積增大，降低碰撞的強(qiáng)度。據(jù)估計(jì)，如果俄羅斯為空間站建造的設(shè)備完成防護(hù)升級(jí)，空間站被太空垃圾撞毀的風(fēng)險(xiǎn)將從9%降至5%。
“自殺衛(wèi)星” 英國薩里大學(xué)的科學(xué)家們，最近就發(fā)明了“太空清道夫”衛(wèi)星。它的體積只有足球那么小，重量?jī)H為5.9千克，配備四個(gè)小型攝影機(jī)。一旦偵察到太空垃圾，它便依附在垃圾上，然后將其推到大氣層。這時(shí)衛(wèi)星與垃圾都會(huì)被燒毀，同歸于盡。這類自殺式衛(wèi)星每個(gè)造價(jià)10萬英鎊。一旦這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展成熟，薩里大學(xué)可能會(huì)與俄羅斯方面合作，利用俄境內(nèi)的宇航設(shè)施發(fā)射首批試驗(yàn)性“太空清道夫”衛(wèi)星。美國科學(xué)家則設(shè)計(jì)出了一個(gè)名為“空間工友”的航天器，它由12只空間“垃圾箱”組成，將在地球同步軌道上運(yùn)行。當(dāng)太空中的廢棄衛(wèi)星或碎片飛過時(shí)，它由電腦控制的機(jī)械臂便會(huì)輕而易舉地抓住目標(biāo)，并放進(jìn)“垃圾箱”，然后將其分割切碎，使其墜入地球大氣層燃燒自毀。
“終結(jié)繩索” 據(jù)國外媒體報(bào)道，美國一家公司最近開發(fā)出了一種能夠讓報(bào)廢衛(wèi)星快速脫離近地軌道的新方法――“終結(jié)繩索”。它是一條長(zhǎng)度為5千米的細(xì)導(dǎo)線，被繞成一個(gè)線圈放置在衛(wèi)星內(nèi)部。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，“終結(jié)繩索”便會(huì)自動(dòng)打開。在電離層和地球磁場(chǎng)的共同作用下，這條綿延達(dá)5千米的導(dǎo)線上可產(chǎn)生持續(xù)的電流。如此一來，地球磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一種向下的拉力，進(jìn)而牽動(dòng)衛(wèi)星逐漸下落。這一過程將一直持續(xù)到衛(wèi)星重返大氣層并在那里完全燒毀。據(jù)專家們測(cè)算，通過這種方法可非常簡(jiǎn)便和廉價(jià)地加快衛(wèi)星從軌道上脫離的速度。還有一種與“終結(jié)繩索”類似的設(shè)備，它是在衛(wèi)星上加上一個(gè)收集網(wǎng)，用一根5千米長(zhǎng)的收集繩拖帶。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，就松開收集長(zhǎng)繩。在地球磁場(chǎng)作用下，網(wǎng)袋垂向地球一側(cè)。在裝進(jìn)一定量的垃圾后，即墜入大氣燒毀。這樣，原來會(huì)繞地球飛行上百年的空間碎片，就能夠在十幾天內(nèi)消除掉。
“激光掃帚” 國際空間站美國航空航天局正在試驗(yàn)一種“激光掃帚”，這一裝置的主要功能是將可能運(yùn)行在空間站軌道內(nèi)的直徑1至10厘米的太空垃圾掃除出軌道?！凹す鈷咧恪辨i定某個(gè)太空垃圾目標(biāo)后，將發(fā)出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體，就像噴氣式飛機(jī)的原理一樣，利用氣體的反作用力推動(dòng)剩余部分太空垃圾朝地球的方向運(yùn)動(dòng)，最終使其進(jìn)入大氣層，與大氣產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦而燃燒，達(dá)到將它清除出國際空間站軌道的目的。
“軌道康復(fù)者” 為了給燃料用盡的衛(wèi)星添加燃料或者對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)維修，可以求助英國的“軌道康復(fù)者”和美國的“軌道快車”衛(wèi)星。它們是衛(wèi)星的拯救者，可使衛(wèi)星的服務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)10年左右，從而變相減少了太空垃圾的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2011年，80多顆在20世紀(jì)八九十年代發(fā)射的通信衛(wèi)星的壽命將要結(jié)束。它們會(huì)是軌道康復(fù)者的救助對(duì)象。到2015年將有超過100顆衛(wèi)星受到救助。
