太空垃圾清理，或将成为下一个新商机？答案或许不一样

2022-11-22 09:55:50 来源：科普中国

太空垃圾清理工作进展不顺利

即使是微小的空间碎片也会产生灾难性的影响。这张图片显示了一块铝和一个小铝球之间以每秒近7公里的速度撞击的实验室测试结果。

（图片来源：ESA航天局）

(资料图片)

一场太空时代的“哈定悲剧”正在我们眼前展开——或者说，就在我们头上真实存在——但对于如何阻止它，还未达成共识。半个多世纪以来，人类向近地轨道投掷物体的数量不断增加。由于对进一步发射到这个日益拥挤的区域几乎没有什么明确的限制，普遍的态度一直是宽容的：似乎轨道上总是有空间再发射一次。

废弃的多级火箭、脱落的螺栓和油漆碎片、固体火箭发动机的残骸、坏掉或濒临坏掉的卫星以及反卫星试验的零星碎片等，这些可能损坏或摧毁其他太空财产的高速运动的杂物经过几十年的堆积，使得近地轨道即将变得过于拥挤，而无法让太空仪器在舒适的状态运转。由于一种需要数千艘航天器的人造卫星“巨型星座”的兴起，例如SpaceX的宽带互联网网络Starlink，近地轨道拥挤问题现在可能会变得更糟。Starlink只是众多类似项目中的一个：另一个名为OneWeb的公司的巨型星座已经部署完毕，亚马逊的柯伊伯计划正在寻求在不久的将来建立一个由多达3200颗卫星组成的巨型星座。

在轨道越来越拥挤的情况下，在轨资产之间的密切接触也在增加。例如，国际空间站为了避免可能造成危险的太空碎片，需要定期调整轨道。更糟糕的是，这增加了大碰撞的威胁，而这些碰撞产生的具有威胁性的太空垃圾会让本就糟糕的局势进一步恶化。想想2009年2月，一颗俄罗斯宇宙卫星和一艘商业铱星航天器之间的碰撞，产生了大量碎片。

国家航空航天局（NASA）退休的轨道碎片研究高级科学家唐纳德·凯斯勒（Donald Kessler）表示，寻找清理部分太空垃圾的方法应该是全球的首要任务。20世纪70年代末，他预言了一种被称为凯斯勒综合征的情况的可能性：随着空间垃圾密度的增加，可能会出现碎片碰撞的级联、自我维持的失控循环，最终可能使近地轨道过于危险，无法支持大多数空间活动。

凯斯勒说：“现在，学界内一致认为，碎片环境已经达到一个‘临界点’，即使所有发射都停止，碎片也会继续增加。”。“这需要铱宇宙类型的碰撞才能引起大家的注意。结果就是这样……而我们早就该做这样的事情了。”

至于凯斯勒综合症，碎片专家说：“它已经开始了。”凯斯勒补充道：“一直都有碰撞发生，没有那么剧烈，也没有大规模的碰撞。”

尝试与进展

凯斯勒的噩梦场景产生了不少可能的碎片清除方法：网、激光爆炸、鱼叉、巨型泡沫球、空气喷射、绳索和太阳帆，以及垃圾收集机器人手臂和触手，这些都被提议作为清除轨道垃圾的解决方案。

为了应对这种令人担忧的事态，刚刚启动的太空尺度演示生命终结服务（ELSA-d）任务新加入其中。ELSA-d是一个由卫星服务公司Astroscale开发的双卫星任务：它由一个用于安全地清除轨道上的碎片的“服务器”卫星和一个“客户机”卫星组成，兼做目标回波。该项目旨在展示一种用于轨道碎片清除或者维护都能够捕获稳定甚至翻滚的物体的磁系统。按照多阶段测试议程，“服务器”卫星和“客户机”卫星将一起脱轨，在它们猛烈地坠入地球大气层时解体。

ELSA-d现在在近地轨道上绕转。该任务由搭载大量其他卫星的俄罗斯联盟号火箭发射升空。升空后，Astroscale创始人兼首席执行官Nobu Okada表示，ELSA-d将证明碎片清除能力，并“推动监管发展，推进报废和活动碎片清除服务的商业案例”。他说，此次升空是朝着“安全和可持续地发展空间，造福后世”迈出的一步。

尽管ELSA-d和其他同类技术的演示无疑是清除轨道碎片的积极进展，但它们不应被误认为是万灵药。这些任务取得了一定的成功，但仍无法解决当前的动态困境，太空垃圾的扩散基本上有增无减。

是否有通用的解决方案？

“从我的角度来看，处理空间碎片的最佳解决方案是一开始就不要产生空间碎片，”关注地球轨道物体的分析小组CelesTrack的科学家T.S.Kelso这样说道。“就像任何环境问题一样，防止污染比事后清理更容易，成本也低得多。航天器在完成任务后，不要把东西留在轨道上。”

Kelso说，对于太空垃圾问题，根本没有“通用的解决方案”。

他观察到，移除大型火箭弹体与移除等效质量的轨道范围较广的更小物体，是截然不同的任务。与此同时，SpaceX等公司的创新大大降低了发射成本，为更多的卫星进入近地轨道打开了闸门，在低地球轨道上，一些卫星将不可避免地发生故障，并成为漂流和产生碎片的危险（除非用类似ELSA-d太空拖船将其移除）。“许多运营商开始认识到继续躲避不断增加的碎片的困难和复杂性。”

澳大利亚弗林德斯大学（Flinders University）的空间考古学家和空间垃圾专家爱丽丝·戈曼（Alice Gorman）表示，空间垃圾从纳米颗粒到整个航天器，比如在所有人的清除名单中名列前茅的航天局（European Space Agency）发射的有双层巴士那么大的Envisat。

还有一些物体，如固体金属压重块和如纸薄的隔热毯。戈尔曼说：“它们会造成不同类型的损害，可能需要不同的方法来清除。通用的方法不可能做到这一点。”

戈尔曼说，最严重的风险来自大小在1到10厘米范围的碎片颗粒。“它们比整个报废的航天器多得多，发生碰撞的可能性要大得多。”“虽然如此大小的碎片可能不会造成灾难性的破坏，但与之碰撞肯定会损坏正在工作的卫星，并产生新的碎片颗粒。”

戈尔曼注意到巨型卫星星座，担心它们在已经拥挤的近地轨道环境中的影响。她说：“我们也知道轨道动力学可能是不可预测的。”“我希望看到这些巨型星座运营商发布其随着越来越多的卫星发射的碰撞长期模型。”

戈尔曼说，毫无疑问，活动的轨道碎片清除在技术上具有挑战性。“然而，最大的问题是，任何能够清除现有碎片的成功技术也可以用作反卫星武器，”她说：“这是另一个需要外交谈判的问题，最重要的是需要国际信任。”

佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）萨姆·纳恩国际事务学院（Sam Nunn School of International Affairs）副教授玛丽尔·博罗维茨（Mariel Borowitz）表示，事实上，近些年来，在轨道上舒适地搭载航天器并进行维修或破坏的能力已经引起了军事规划者的极大兴趣。她说：“这些快速发展的技术具有用于和平太空活动或太空战争的潜力，鉴于其能力的两用性质，不可能事先确定它们哪天将如何使用。”

创建太空碎片清除的商业市场

目前，德克萨斯大学奥斯汀分校轨道碎片专家Moriba Jah表示，空间碎片清除的商业案例无法盈利，与其说是一个真正的市场，不如说是一场“PowerPoint演讲”。

Jah说：“我认为，人们希望政府基本上能达成一些共识，帮助创建和建立一个行业参与此类活动的市场。”为了实现这一点，他认为航天国家必须同意近地空间是一个类似于陆地、天空和海洋的生态系统。“这不是无限的，所以我们需要环境保护，”他说。

Jah认为空间可持续性指标类似于碳足迹。“让我们称之为‘太空交通’足迹，”他说。“我们需要一种方法来量化“轨道公路”在什么时候交通饱和而无法使用。然后，你可以为目标碎片分配奖金，并商讨如何将其强行清除，并可能会对占用轨道容量的死资产的主权所有者进行处罚。这样肯定会创造一个空间物体清除技术可以利用的市场繁荣发展。”

Jah说，还需要空间物体的分类方案。有了这样的分类法，将有助于理清清除轨道杂物的不同种类所需的技术类型。

至于全局，Jah说这是一个简单的数字游戏：发射速度超过了空间物体重返地球大气层的速度。“这不是一种很好的能量平衡，”他补充道。

Jah叹惋，政策制定者对这个问题的反应仍然迟缓。毕竟，虽然2009年宇宙铱星碰撞产生了大量碎片，但目前这样的事件仍然非常罕见。

BY: Leonard David

FY: 梦中识月

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

关键词：近地轨道太空垃圾解决方案