人類頭頂上方的8000噸垃圾該如何解決？

索隆

2021年11月15日，俄羅斯開展了一次反衛(wèi)星導(dǎo)彈試驗(yàn)，將己方一顆廢棄衛(wèi)星擊碎。衛(wèi)星位于地球上空約480公里，服役近40年。這一舉動(dòng)隨即引發(fā)美俄雙方激烈爭(zhēng)執(zhí)。俄國(guó)防部稱，“按照試驗(yàn)時(shí)間和軌道參數(shù)，所產(chǎn)生的碎片未曾、也不會(huì)對(duì)空間站、航天器和太空活動(dòng)構(gòu)成威脅?！泵拦賳T則稱，試驗(yàn)產(chǎn)生的1500多個(gè)可追蹤碎片及更多不易發(fā)現(xiàn)的小碎片將在軌道上停留數(shù)年或更久，這會(huì)對(duì)包括國(guó)際空間站人造衛(wèi)星在內(nèi)的各類航天器安全造成影響。

不容忽視的是，廢棄的衛(wèi)星或衛(wèi)星解體以及與火箭殘骸碰撞等產(chǎn)生的碎片將帶來大量太空垃圾，這一問題由來已久且日漸凸顯。人類頭頂上方，就是浩瀚無邊的垃圾場(chǎng)，垃圾存量超過8000噸。

可以想象，各類航天器的運(yùn)行就是在大大小小、飛速運(yùn)動(dòng)的垃圾間閃轉(zhuǎn)騰挪。在地球上，實(shí)行的是“誰污染、誰治理”的原則，但這一切在太空尚屬空白。迄今為止，從發(fā)射衛(wèi)星到清除垃圾，都缺少國(guó)際性公約以及法律法規(guī)的約束。

俄羅斯廢棄的衛(wèi)星名為Kosmos-1408，是一顆軍用偵察衛(wèi)星。國(guó)際空間站飛行在距地大約420公里的高度，較Kosmos的飛行高度低五六十公里。當(dāng)Kosmos“粉身碎骨”后，碎片四散到更高或更低的離地高度。國(guó)際空間站每90分鐘繞地球一圈，這意味著每90分鐘空間站會(huì)靠近或通過碎片帶?？臻g站上有7名航天員，4名來自NASA（美國(guó)宇航局），2名來自俄羅斯，1名來自歐洲宇航局。在導(dǎo)彈發(fā)射后最初幾小時(shí)內(nèi)，7名航天員一度躲進(jìn)美國(guó)太空探索技術(shù)公司的載人龍飛船和俄羅斯聯(lián)盟號(hào)宇宙飛船中。最壞的打算是，航天員們將乘坐這些“救生艇”逃離太空，回到地球。

一些衛(wèi)星處在不同的軌道上。早期照相偵察衛(wèi)星及用于探測(cè)低層大氣的科學(xué)衛(wèi)星處在離地400公里左右的高空，屬低軌道衛(wèi)星。絕大部分應(yīng)用衛(wèi)星，包括氣象衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等的飛行高度都在700到1200公里之間。

處于不同軌道高度的空間碎片壽命也不同。如，高度在400公里以下的碎片，在四處游蕩的過程中，因?yàn)橛幸欢ù髿庾枇?，壽命衰減就會(huì)較快，幾個(gè)月就壽終正寢，進(jìn)入大氣層，回地球“入土為安”。600公里高度的碎片軌道壽命為幾年，600公里至800公里為十幾年，800公里至1000公里為幾十年。如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片，壽命則可長(zhǎng)達(dá)百年乃至上千年。

越是衛(wèi)星密集的軌道，空間碎片的數(shù)量越多。高度在2000公里以下的近地球軌道LEO（軌道高度約為400-2000公里，絕大多數(shù)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、測(cè)地衛(wèi)星、空間站以及一些新的通信衛(wèi)星系統(tǒng)都采用近地軌道）；20000公里左右的中地球軌道MEO（軌道高度為2000-36000公里之間，GPS、GLONASS都屬于此類軌道）；以及高度在36000公里左右的地球同步轉(zhuǎn)移軌道GEO（指近地點(diǎn)在1000公里以下、遠(yuǎn)地點(diǎn)為地球同步軌道高度約36000公里的橢圓軌道）是空間碎片的密集運(yùn)行區(qū)域。

說起太空垃圾，我們第一時(shí)間想到的可能就是那些從太空墜落的人造飛行物殘骸。但實(shí)際上，它涵蓋的范圍非常之廣。不光是廢棄的衛(wèi)星、報(bào)廢的火箭助推器，還有宇航員作業(yè)時(shí)留下的航天服、工具鏟、老虎鉗、相機(jī)、牙刷、鉛筆等。比如1982年蘇聯(lián)宇航員列勃捷夫在太空行走前，就不小心讓艙里的螺栓、墊圈還有一支鉛筆被吸出到太空，成為致命的垃圾。

不過，太空垃圾的主力軍是世界各國(guó)發(fā)射的運(yùn)載火箭、衛(wèi)星等航天器。完成任務(wù)后，它們有的很快進(jìn)入大氣層燒毀，有的則長(zhǎng)久停留在軌道上，變成太空垃圾。

太空垃圾墜落產(chǎn)生的最大危害當(dāng)屬著名的“宇宙954”事件。1978年1月24日，一顆蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星回收時(shí)因失控從天而降，墜落到加拿大西北部地區(qū)。當(dāng)時(shí)它攜帶30千克濃縮鈾核燃料，足以生產(chǎn)3枚核彈頭，被形容為從天而降的核災(zāi)難。這些具有高放射性的碎片在18000平方英里的范圍內(nèi)散落，引發(fā)民眾的強(qiáng)烈恐慌。幸而并沒有危及人身安全，但加拿大還是花費(fèi)1400萬美元清除污染，并獲得蘇聯(lián)賠償。

碎片家族有著個(gè)頭大小之分，根據(jù)歐洲航天局的最新預(yù)估，圍繞地球運(yùn)行直徑大于10厘米的空間碎片有34000個(gè)，1厘米到10厘米的碎片數(shù)量約為90萬個(gè)，直徑在1毫米至1厘米之間的碎片有1.28億個(gè)。

如果你認(rèn)為這些以厘米計(jì)算的碎片不足以構(gòu)成威脅的話，那你就大錯(cuò)特錯(cuò)了。美國(guó)宇航局估計(jì)，這些碎片大多數(shù)以每小時(shí)2萬公里的速度繞地球運(yùn)動(dòng)。這個(gè)速度相當(dāng)于我們普通客機(jī)的70到80倍。它們就像馬路上隨意亂開的汽車一樣漂浮在太空軌道上。并且，如果不經(jīng)過追蹤，你無法知道它們什么時(shí)候會(huì)停住，何時(shí)會(huì)突然進(jìn)行變線等。

由于它的相對(duì)速度較大，所以小到幾毫米的油漆斑點(diǎn)都足以給人造衛(wèi)星或者載人飛船造成致命損傷?？梢哉f，這些看似不起眼的碎片是宇宙交通事故最大的潛在“肇事者”。

自人類航天史發(fā)展以來，它們?cè)斐傻氖鹿室巡辉谏贁?shù)。1991年12月，俄羅斯的廢棄人造衛(wèi)星“宇宙1934”與飛船“宇宙926”釋放出的一大塊物體相撞，旋即發(fā)生爆炸。2013年3月，俄羅斯衛(wèi)星與一小塊中國(guó)衛(wèi)星被擊毀之后產(chǎn)生的碎片相撞，再次在太空中發(fā)生爆炸。

在科幻電影《地心引力》中，美航天飛機(jī)維修哈勃望遠(yuǎn)鏡期間，因俄羅斯擊碎一顆俄方廢棄衛(wèi)星，導(dǎo)致大量空間碎片產(chǎn)生，將航天飛機(jī)及望遠(yuǎn)鏡擊毀。通?？臻g碎片都以第一宇宙速度（7.9公里/秒）量級(jí)的速度運(yùn)行，這相當(dāng)于狙擊步槍子彈飛行速度的幾倍。一個(gè)直徑10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀。一顆以第一宇宙速度運(yùn)行的衛(wèi)星，被1厘米大小、以同樣速度運(yùn)行的碎片撞擊，后果相當(dāng)于衛(wèi)星受到一輛1噸重、以50公里/小時(shí)行駛的汽車撞擊，只能“以身殉職”。數(shù)毫米大小的太空垃圾就可能使航天器無法繼續(xù)工作。小于0.1毫米的碎片主要會(huì)引起航天器表面燒蝕和濺蝕，會(huì)使太陽能電池的效率降低。

2021年5月，在對(duì)國(guó)際空間站機(jī)械臂的一次常規(guī)檢查中，專家發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂上有一個(gè)被微小碎片撞擊的小孔。但好在這是一次“幸運(yùn)的撞擊”，并未影響機(jī)械臂的運(yùn)行。

類似的事件并不罕見，隨著太空垃圾所占的軌道空間不斷擴(kuò)大，碰撞發(fā)生的可能性也在不斷增加。早在1978年，美國(guó)宇航局科學(xué)家唐納德·凱斯勒就提出了一種理論假設(shè)。該假設(shè)認(rèn)為當(dāng)近地軌道的航天器密度達(dá)到一定程度時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生碰撞，形成碎片，進(jìn)而形成更多碰撞，更多碎片……這樣下去，最壞的結(jié)果便是導(dǎo)致近地軌道被危險(xiǎn)的太空垃圾所覆蓋。

如今，像Space X、One Web等衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商打著聯(lián)通全世界的旗號(hào)，在低地軌道布設(shè)小衛(wèi)星，此舉將增加衛(wèi)星碰撞的可能性，“這將是未來太空最大的危險(xiǎn)”。2009年2月10日，在西伯利亞泰梅爾半島上空770公里的高度，美國(guó)銥衛(wèi)星公司的銥星33號(hào)和俄羅斯的宇宙2251衛(wèi)星發(fā)生碰撞，撞擊時(shí)的相對(duì)速度為11.6公里/秒，產(chǎn)生至少2000多片碎片。這是人類歷史上首次近地軌道人造衛(wèi)星碰撞事件。碰撞時(shí)，銥星仍處于工作狀態(tài)，俄國(guó)衛(wèi)星已廢棄多年。

馬斯克的Space X計(jì)劃于2027年前實(shí)現(xiàn)“星鏈”宏圖，部署共計(jì)12000顆低軌道衛(wèi)星，至今已有1700顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行。除此之外，馬斯克預(yù)計(jì)還將向低地軌道貢獻(xiàn)30000顆小衛(wèi)星。Space X的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手波音、亞馬遜等近年來也在向聯(lián)邦通信委員會(huì)提交申請(qǐng)，預(yù)計(jì)向近地軌道發(fā)射總計(jì)35000顆商用衛(wèi)星。此外，One Web也將像Space X一樣，發(fā)射總計(jì)超過40000顆衛(wèi)星。2021年10月，非洲國(guó)家盧旺達(dá)宣布了更為瘋狂的發(fā)射計(jì)劃，將在未來發(fā)射320000顆小衛(wèi)星。

對(duì)于低地軌道衛(wèi)星發(fā)射來說，在哪里發(fā)射、發(fā)射多少顆并沒有一定之規(guī)，通常是各國(guó)先到先得，跑馬圈地。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的外層空間物體指數(shù)，截至2021年9月，近地球軌道約有7500顆運(yùn)行中的衛(wèi)星。

1978年，美國(guó)宇航局科學(xué)家唐納德·凱斯勒曾提出一種假設(shè)，當(dāng)?shù)偷剀壍牢矬w密度足夠高時(shí)，物體間碰撞會(huì)產(chǎn)生碎片，碎片又會(huì)與其他物體碰撞，產(chǎn)生更多碎片。一系列連鎖反應(yīng)后，最終，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星軌道資源被碎片包圍，造成永久性破壞，以致無法開展太空活動(dòng)。這被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。凱斯勒認(rèn)為，目前業(yè)界已達(dá)成共識(shí)，碎片環(huán)境已達(dá)到臨界點(diǎn)，即便現(xiàn)在停止所有發(fā)射，碎片依然會(huì)繼續(xù)增加。至于凱斯勒效應(yīng)，“它已經(jīng)開始了，雖然碰撞尚不劇烈，規(guī)模也還不大”。

亞倫·博利是英屬哥倫比亞大學(xué)的一名天文學(xué)家。他在2021年3月發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的一篇文章中提到，在近地球軌道上，已有超過12000個(gè)直徑10厘米及以上、可追蹤的碎片。如果統(tǒng)計(jì)直徑降至1厘米，碎片數(shù)目可能達(dá)上百萬個(gè)。諸如星鏈等低成本衛(wèi)星的普遍擴(kuò)散進(jìn)一步加劇了近地球軌道的環(huán)境壓力。博利還分析說，雖然Space X聲稱發(fā)射衛(wèi)星將在5到6年使用壽命結(jié)束時(shí)主動(dòng)離軌，但離軌的整個(gè)過程需要6個(gè)月。如果其他公司也如此操作，這意味著數(shù)以千計(jì)的離軌衛(wèi)星將緩慢穿過同一個(gè)擁擠的空間，構(gòu)成碰撞風(fēng)險(xiǎn)。離軌的衛(wèi)星將被追蹤，以避免和碎片近距離交會(huì)。但能否真正避免“太空交通事故”，這取決于各個(gè)運(yùn)營(yíng)商間能否持續(xù)溝通與合作，目前這樣的合作是“臨時(shí)和自愿”的。

除了使太空更為擁擠，小衛(wèi)星的集聚還會(huì)對(duì)天文觀測(cè)造成影響。太陽光從航天器上反射，會(huì)使得天空可能變亮兩到三倍。由于衛(wèi)星大部分為鋁制，大量衛(wèi)星及碎片再入大氣還會(huì)帶來鋁在大氣中的沉積，火箭發(fā)射產(chǎn)生的黑碳、煙灰會(huì)使得氣候變暖，破壞臭氧層。當(dāng)碎片落回地球，還有可能給人類帶來意外襲擊。

面對(duì)無處不在的空間碎片，主要航天國(guó)家和國(guó)際組織只能采取“惹不起，躲得起”的方式，對(duì)其重點(diǎn)航天器執(zhí)行碰撞預(yù)警和機(jī)動(dòng)規(guī)避。截至2020年，國(guó)際空間站已執(zhí)行規(guī)避危險(xiǎn)碎片操作28次，僅2020年就有3次。歐洲航天局平均每顆低軌衛(wèi)星每年需執(zhí)行兩次避碰操作。

實(shí)現(xiàn)規(guī)避和預(yù)警，就要建立對(duì)空間碎片的觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。2020年3月，美空軍新一代地面雷達(dá)系統(tǒng)——“太空籬笆”上線。這一雷達(dá)系統(tǒng)位于北太平洋馬紹爾群島屬地內(nèi)，可追蹤到近地軌道尺寸為1至10厘米間的20萬件太空垃圾。2017年，美國(guó)宇航局將一太空碎片感應(yīng)器連接至國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)艙外部，用以探測(cè)在地面上難以查明的毫米級(jí)碎片。航天器進(jìn)而通過調(diào)整發(fā)射時(shí)間，或在軌運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，改變與碎片碰頭時(shí)間或軌道高度，達(dá)到規(guī)避目的。

太空垃圾的問題愈發(fā)嚴(yán)峻，再不及時(shí)清理必將后患無窮。因此，全世界的航天界都在研制各種方法來清除回收太空碎片。

比如用高強(qiáng)度纖維編織的垃圾網(wǎng)攔截太空碎片；或是將太空垃圾送到更高的空間軌道等。有意思的是，這些點(diǎn)子的靈感有一些是從動(dòng)物身上獲得的。

2017年8月，美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家就受壁虎啟發(fā)，研制出一種能抓住太空漂浮物體的機(jī)械抓手?，F(xiàn)實(shí)中，我們經(jīng)?？吹奖诨⒃趬Ρ凇⑻旎ò宓裙饣钠矫嫔涎杆倥佬?。這一項(xiàng)技能得益于它腳下布滿了細(xì)微的皮瓣和毛發(fā)等。這些物質(zhì)能使壁虎在跟任何表面完全接觸時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生非常大的吸附力，使自身粘附在上面。利用類似的原理，研究者便研發(fā)出一塊仿壁虎材料，并將兩塊材料組合成一個(gè)抓手。

在實(shí)驗(yàn)室、零重力環(huán)境下的測(cè)試表明，這種“壁虎抓手”不僅能抓取并操作重達(dá)370千克的大物體，也能抓取并操作質(zhì)量不到300克的小物件。這意味著，它能抓取不同形狀、大小以及材料的太空垃圾。 但為了保險(xiǎn)起見，它仍在進(jìn)行改進(jìn)，并運(yùn)往國(guó)際空間站進(jìn)一步測(cè)試使用。

除了壁虎的構(gòu)造，科學(xué)家也參照了鳥類的飛翔特性。他們想到給太空垃圾插上“翅膀”，讓它們自己飛回地球。2010年3月，英國(guó)科學(xué)家就設(shè)計(jì)了一種“立方帆”，來對(duì)付較大體積的太空垃圾。在立方帆的內(nèi)部，安裝有一張折疊起來的聚合膜。當(dāng)它發(fā)射到太空之后，這張膜就會(huì)張開，面積可達(dá)25平方米。當(dāng)立方帆附近出現(xiàn)太空碎片時(shí)，地面人員就會(huì)發(fā)出指令，小型動(dòng)力裝置就會(huì)開啟，靠近太空碎片進(jìn)行“對(duì)接”工作，使立方帆自身與碎片結(jié)合為一體。

之后，立方帆會(huì)利用地球高空的稀薄空氣帶著報(bào)廢的衛(wèi)星“飛”離軌道。

雖說地球軌道上的空氣分子密度極低，但卻足以讓立方帆緩緩減速，降低軌道。這樣就能使太空垃圾在比較短的時(shí)間內(nèi)墜入大氣層自行燒毀。

值得一提的是，立方帆的投資大約100萬歐元左右。一旦研發(fā)成功，可以說是處理太空垃圾的方法中性價(jià)比最高的，大大降低了太空垃圾處理的成本。

此外，還有科學(xué)家提出向太空中發(fā)射3000米寬的“漁網(wǎng)”，企圖將太空垃圾撞離軌道。甚至有科學(xué)家想出將氣球送上太空，用一陣狂風(fēng)將碎片吹得向大氣層猛沖。

2021年3月，一家日本衛(wèi)星服務(wù)公司研發(fā)的“終結(jié)碎片生命”衛(wèi)星由俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射升空。這款“神器”的“殺手锏”在于其磁性系統(tǒng)，既能抓住平靜如水的物體，也能捕獲興風(fēng)作浪的碎片。當(dāng)將“兇手”捉拿歸案后，衛(wèi)星將和碎片重回大氣層，同歸于盡。

2025年，歐洲航天局還將聯(lián)手一家瑞士初創(chuàng)公司，啟動(dòng)首個(gè)清除過往太空垃圾的任務(wù)。這次任務(wù)將啟用一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的四臂機(jī)器人，來捕獲2013年發(fā)射的織女星火箭留下的碎片。這塊太空垃圾位于距地球800公里的上空，重約100公斤。

除了清理碎片之外，航天界還應(yīng)從源頭上控制垃圾。隨著空間飛行器的增多，地球同步衛(wèi)星軌道位置的分配問題也越發(fā)受人關(guān)注。因此，協(xié)同各國(guó)進(jìn)行軌道位置的合理有效分配就顯得格外重要。它需要國(guó)際上進(jìn)行協(xié)同合作，按需求和可能予以優(yōu)化空間軌道的安排等。

與此同時(shí)，國(guó)際組織初步訂立了相關(guān)的“太空交規(guī)”。比如對(duì)碎片進(jìn)行編號(hào)，用定位進(jìn)行全程跟蹤等規(guī)避碰撞。而在對(duì)待太空垃圾的問題上，我們國(guó)家也承擔(dān)起了一個(gè)大國(guó)的責(zé)任。

2000年，我國(guó)就啟動(dòng)了“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃”，對(duì)太空垃圾進(jìn)行監(jiān)控和主動(dòng)處理。2015年，中國(guó)國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心正式成立。同時(shí)，中國(guó)政府也利用先進(jìn)技術(shù)盡可能減少空間碎片的產(chǎn)生。我國(guó)的航天科研人員就對(duì)在役長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭實(shí)施了末級(jí)鈍化處理。經(jīng)過鈍化處理，衛(wèi)星被撞后不會(huì)發(fā)生爆炸，從而避免產(chǎn)生更多的碎片。

2016年發(fā)射的“遨龍一號(hào)”裝載了一臺(tái)機(jī)械臂，能準(zhǔn)確地抓住速度超高的碎片。它是世界上第一個(gè)主動(dòng)的軌道碎片離軌清除試驗(yàn)項(xiàng)目。

目前，對(duì)于太空垃圾的處置方式基本上是任其自生自滅。就處理空間碎片而言，最大問題是沒有國(guó)際上的公約加以約束。另一重隱憂還在于，如今開發(fā)的清除碎片“利器”都可用作反衛(wèi)星的武器。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院國(guó)際事務(wù)學(xué)院副教授瑪麗埃爾·博洛維茨說，近年來，對(duì)航天器的在軌維修等操作都引發(fā)了軍事人員的極大興趣。這些快速發(fā)展的技術(shù)有著雙重用途，“有可能用于和平的太空活動(dòng)，也可能用于太空戰(zhàn)爭(zhēng)”，“不能提前確定它們?cè)谀囊惶鞂⑷绾问褂谩?。這樣的迷局需要外交談判和協(xié)商，以及國(guó)際層面的信任來解決。

1968年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家加勒特·哈丁在《科學(xué)》雜志上提出“公地悲劇”的概念，指面對(duì)有限的資源，如果每個(gè)人只從自身短期利益出發(fā)，一切將變得不可持續(xù)。此時(shí)此刻，在人類頭頂上方，正在經(jīng)歷著一場(chǎng)太空公地悲劇。越來越多的衛(wèi)星涌入近地軌道，人們對(duì)此的態(tài)度總是寬容的：似乎總有空間，能再發(fā)射一次。

3977500218538