我們發射出去的8400噸太空垃圾，該怎麼“掃”？

摘要：但是，衛星與國際空間站不同，它們不能補充燃料，如果因爲變軌消耗過多的燃料，很可能導致在報廢時無法返回地球，成爲一塊巨型的太空垃圾。地面指揮站爲國際空間站畫出了一個長寬都是50千米、高度是0.75千米的虛擬安全盒子，在人類監測的22300塊太空垃圾中，如果其中的任何一個將穿過這個區域，就會引發警報。

1969年7月16日，土星五號火箭運載着阿波羅11號的升空瞬間，每一次太空活動，都會在太空中留下些垃圾。圖/NASA

我們頭頂看不見的威脅

中國第一個進入太空的航天員楊利偉曾經回憶說，他在太空裏聽到了許多“咚、咚、咚”的響聲，但他不知道這是爲什麼。

這種聲音來自何處？甚至有傳聞說這是外星人在敲擊飛船......靠譜的解釋是，這是由艙內溫度變化導致的氣體熱脹冷縮，擠得艙體變形時的聲響。

其實，這還有可能是太空垃圾撞擊飛船時發出的聲音。我們頭頂上上億塊的、總量量超過8400噸的太空垃圾，從人類踏入太空的那一刻起，就從未被清理過。

太空垃圾摧毀衛星模擬。圖/ESA

發射出去的，不只有衛星和飛船

想象一下，如果歷史上所有的報廢船隻都還漂浮在海面上，在大洋中航行將會是多麼危險。

如今，我們頭頂的太空就面臨着同樣的困境。每次我們飛向太空，都可能對下一次的旅行產生威脅：火箭殘留的碎片，廢棄的衛星、甚至是空間站上不慎掉落在艙外的物品，都充斥在太空裏，它們被形象地稱爲——太空垃圾。

阿波羅6號任務期間火箭脫落的瞬間。圖/NASA

據歐航局統計，在我們頭頂上，有34000塊比蘋果（直徑10釐米）還大的垃圾，以及90萬塊介於豌豆（直徑1釐米）和蘋果之間大小的垃圾，另外，至少還有1.28億更小的以至於無法探測到的垃圾，總重量超過8400噸。

地球周圍的太空垃圾模擬圖。圖/ESA

報廢的人造衛星，是太空垃圾中的大個子。直到2019年年初，人們已經成功將約8950顆衛星送上了太空，如今，已經報廢但依然漂浮在太空中的衛星，總數超過了3000顆。

火箭的第一級，一般都會自然地落入大氣層燒燬，而火箭的其它部分，就成爲了太空垃圾的重要來源。早期火箭的二、三級，不具備反推進回收功能，所以在發射成功後就被留在了太空裏。比如發射阿波羅12號的土星5號的第三級（已經重要到被命名爲J002E3號天體），要再過幾十年才能慢慢落回地球。在某些情況下，火箭在太空中會掉落零件或塗料碎片，甚至是發生引擎爆炸，從而形成更多的小塊垃圾。

運送阿波羅17號的土星五號火箭第三級，與運送阿波羅12號的火箭第三級同款。圖/NASA

人類在太空站出艙行走時，有時會不小心丟下一些東西。“愛德華·懷特丟失的手套，邁克爾·科林斯丟掉的一個扳手和一支牙刷，蘇尼特·威廉斯掉落的攝影機......”這些都是被確實記錄在案的遺失物品。

1998年拍攝到的一條在軌道中飛行的太空站的毯子。圖/NASA

太空中的撞擊或爆炸，將會極大程度地增加太空垃圾的數量。2009年，美國的通信衛星銥-33與俄羅斯的報廢衛星宇宙2251以4.2萬千米的相對時速發生了碰撞，兩顆衛星隨即從兩塊垃圾，變爲了兩團由碎片組成的“垃圾雲”。另外，很多國家都曾開展過反衛星實驗，雖然有證據表明，衛星被導彈炸燬後，大部分的碎片都會很快墜落回地球，但畢竟還是有小部分留在了太空之中。

“炮彈”呼嘯而過

我們一直有一種錯覺，那就是太空是如此之大，不管我們“扔”多少東西上去，和它的廣袤相比，都不值一提。然而，地球周圍的空間，遠非我們想象的那樣“充裕”。因爲，我們發射上去的東西，只集中在幾個特定的區域。

人類近2/3的衛星，以及我們熟悉的國際空間站，都在一個叫做低地軌道的空間範圍內運行。低地軌道，一般指的是距離地面2000千米以內的空間，比如，國際空間站的飛行高度就在390千米左右。

低地軌道雖然只佔到了地球軌道的一小部分（藍色），但它的利用率遠高於其它軌道。我們熟知的GPS系統位於距離地面20200千米的中軌道上（綠色），在這裏，可以用更少的衛星覆蓋全球。另外，電視通信衛星大都集中在高度爲35786千米的地球靜止軌道上（紅色），與地面上的一個點保持相對靜止。圖/Rrakanishu，CC BY-SA 4.0

低地軌道有很多好處。因爲離地面近，觀測衛星就看得更清楚，通信衛星的延遲也更短。更爲重要的是，離地面越近，發射成本就越低：人類最強大的火箭土星五號，如果是發射到低地軌道，能夠載重119噸，但如果是發射到月球軌道，就只能裝45噸了，花同樣的錢，幹更多的事兒，這個賬，誰都會算。

美國的一枚極高頻通信衛星。圖/USAF

低地軌道的優勢明顯，但在這個區域運行，也會有很多麻煩。離地球近，意味着地球引力還能發揮很強的作用，所以在這裏飛行的物體，需要保持高速才能維持軌道。低地軌道上的衛星因爲速度太快，在某一片區域上空覆蓋的時間只能有短短几十分鐘，爲了保障不間斷的通信服務，人們必須打造由多顆衛星組建的網絡，這就更加加劇了低地軌道的擁擠程度。Space X公司前幾年提出的星鏈計劃，一開口就要在低地軌道上部署多達1584顆衛星，數量之大甚至引發了人們對於“衛星密度太大，會影響天文觀測”的擔憂。

2014年7月14日發射的Space X獵鷹9號火箭。圖/Wikipedia

如此密集的太空活動，讓低地軌道，成爲了太空垃圾的重災區。這些太空垃圾同軌道上的衛星一樣，都在高速飛行，這讓它們擁有了驚人的破壞力。當13毫米直徑的鋁製彈丸，以每秒7千米的速度（與太空垃圾的速度近似）撞擊13釐米厚的鋁板時，會留下7、8釐米深的彈坑。數以億計的太空垃圾，在以最高3萬千米的時速縱橫交錯環繞着地球，這些“炮彈”和“子彈”，可以輕易地摧毀我們價值數萬億美元的衛星體系。

美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的超高速彈道靶場，以每小時17000英里的速度發射的彈丸撞擊固體表面時產生的“能量閃光”。這個試驗是用來模擬軌道碎片撞擊軌道上的航天器時所發生的情況。圖/NASA

國際空間站前站長克里斯·哈菲爾德已經將太空垃圾的撞擊視爲家常便飯：“如果你在空間站牆邊靜靜地坐着，過一會兒就能聽到有東西像是撞擊了飛船，雖然大部分情況是航天器外殼因爲熱脹冷縮而發出的聲音，但也有的是小物體在撞擊鋁製薄殼。”

太空垃圾最可怕的地方還不是垃圾本身，而是它們可能引發的鏈式反應：當太空垃圾與其它物體相撞後，會產生更多的碎片，這將導致相撞事件的發生幾率呈指數級增長。

歐洲航天局製作的衛星被太空垃圾碎片摧毀的動圖。圖/ESA

歐洲航天局的太空垃圾專家本傑明·巴斯提達對於太空垃圾可能產生的鏈式反應充滿了擔憂：“即使我們現在不再向太空發射任何東西，在200年內，大塊垃圾會破碎成爲小塊垃圾，從而讓太空無法使用。”

清掃回收？沒那麼容易！

本月初，歐洲航天局宣佈，他們委託了一家名爲Clearspace的公司，計劃在2025年時開展人類第一個太空垃圾清理任務。Clearspace是由一羣經驗豐富的太空垃圾專家組成的瑞士初創公司，它的成立地點在瑞士的洛桑理工學院。

即將在2025年發射的清理衛星Clearspace-1，既不像一臺吸塵器，也不是一輛太空垃圾車，它的造型是一隻蜘蛛，因爲它的唯一目標，是一塊重量達到100千克的電子設備。

Clearspace-1模擬圖。圖/ESA

NASA和歐航局的研究表明，要阻止太空垃圾發生鏈式反應、穩定軌道環境的唯一主動方法，是清除大碎片。所以，人類太空垃圾清理的第一步，就選擇了這塊100千克重的大傢伙。

這塊電子設備，來源於2013年歐洲發射的織女星火箭（Vaga），它是火箭二級推進器上使用的載荷適配器。這枚適配器形狀簡單、結構堅固，非常適合作爲第一次太空垃圾回收的試驗品。說白了，就是不僅好抓，也不容易被撞得稀碎。

織女星火箭，載荷適配器位於頂部衛星的下方，據ESA介紹，織女星火箭會完全墜回大氣層，並燃燒殆盡，所以這枚適配器留在天上的原因，或許是一次失誤。圖/ESA_Event，CC BY-SA 2.0

爲了完成這項任務，Clearspace-1衛星會慢慢接近這塊垃圾，然後抓住它，再開啓返回推進器，與它一起墜回地球，整個過程堪稱一次“死亡擁抱”。

除了“死亡擁抱”的方法外，科學家們爲清理太空垃圾，還開過不少腦洞。

他們曾經設想設計出一個帶有捕捉網的清理衛星，將軌道中的大碎片都“撈”回地球，對於那些因爲太大而無法“撈”住的物體，則從衛星上發射一枚魚叉叉住，然後再打開降落傘返回地球。但是，在太空中與這些高速飛行的垃圾接觸，十分考驗技術，如果操作失敗發生碰撞，很可能會製造更多的垃圾。

用網清理太空垃圾的模擬圖。圖/Real Engineering GSUI5051

爲了做到不接觸，也能清理垃圾，有的科學家還有提出了一些更加瘋狂的想法，比如在軌道上放上一塊巨型磁鐵，把飛過來的太空垃圾都......擠下去或擠得更遠......

高能量的激光是非接觸型垃圾“清掃”中一種可行性很高的選擇：激光足以使垃圾表面的材料融化，產生的推力可以使它的速度變慢，或加快軌道降低的速度。但是這種激光因爲不僅能打垃圾，還能打別的國家的衛星，所以當一個國家研發這種技術的時候，其它的航天國家都會感覺如坐鍼氈。

或許，這次Clearspace-1的任務經驗，能爲我們帶來更多的“清掃”靈感。

硬抗？躲避？無奈的選擇

2000年開始運營的國際空間站，是人類歷史上最大的航天工程。它的大小，相當於兩個足球場，在垃圾遍佈的低地軌道，國際空間站簡直就是一個活靶子。

國際空間站。圖/NASA

“當你在飛船上的時候，你需要意識到，有一些東西會與飛船發生碰撞，”國際空間站前站長克里斯·哈菲爾德曾向採訪者坦言，“所以需要尋找一種與它共存的方法，我們的方法是，儘可能精確地去了解這件事，分析統計數據，知曉風險，我們熟悉國際空間站的設計，也有應急預案。”

國際空間站的防護分佈設計，紅色區域爲核心區域，防護力度最強，核心區域指的是：如果這些地方發生破損，有可能會危機到宇航員的生命安全。圖/NASA

爲了應對潛在的撞擊，人類研發出了惠普爾護盾。這種護盾利用了“物體在高速撞擊時，會爆發出極高的能量，從而使物體本身破碎、蒸發”這一事實，採用了雙層設計。小塊的太空垃圾，在擊穿第一層護盾時，就碎成了粉末，粉末對第二層的威脅就很小了。在測試實驗中，歐航局用7.5毫米直徑的鋁製彈丸，以每秒7千米的速度（與太空垃圾的速度相似）射向惠普爾護盾，雖然護盾被直接射穿了，但內側僅有3毫米厚的鋁製裝甲上，只留下了微小的灼燒痕跡。

不過，惠普爾護盾再強大，也只能承受小於1釐米碎片的撞擊，當大碎片襲來的時候，空間站會根據地面雷達站的警告採取變軌措施，當然，每次的變軌都需要一定的成本。