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“把科學帶回家”所有
（圖片來源：ESA）
撰文 | Greye
審校 | 韓晶晶
在電影《地心引力》里，有這樣一個情節(jié)：
兩名宇航員在太空中執(zhí)行任務時，突然遭遇一場“碎片雨”。
像子彈一樣高速飛過的太空碎片，不僅把飛船撞得七零八落，還差點讓兩名宇航員命喪太空。
圖片來源：電影《地心引力》
不要以為這只是科幻片虛構的情節(jié)。
實際上，太空碎片已經逐漸成為航天業(yè)的主要威脅。
2009年2月，美國一顆私人通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆軍用衛(wèi)星以11.7公里每秒的速度相撞，兩者都被摧毀。NASA 估計，此次碰撞至少產生了超過1000塊10厘米以上的碎片。
2021年3月，中國發(fā)射的云海一號02星被一塊太空碎片碰撞后解體；2021年5月，國際空間站的一個機械臂被太空碎片撞出一個洞……
國際空間站被碎片撞出的洞。圖片來源：NASA
這些太空碰撞事故，都發(fā)生在近地軌道上。
近地軌道可以理解成距離地球比較近的一條寬闊車道。
人類向太空發(fā)射的物體，包括空間站、人造衛(wèi)星、探測器、飛船等，大多都聚集在近地軌道上。由此產生的垃圾也基本分布在這條軌道上。
可是車道再寬闊，一旦變得擁擠，碰撞事故便在所難免。
太空碰撞示意圖。圖片來源：best documentary
近年來，由于技術發(fā)展與成本下降，進軍太空變得越來越容易。
以往傳統(tǒng)的雷達衛(wèi)星體積龐大，重量可達數噸，發(fā)射一次要耗資數億美元，因此只有政府才能負擔得起。
如今的衛(wèi)星發(fā)射逐漸商業(yè)化，而衛(wèi)星也越做越小，斯坦福大學聯合研發(fā)的立方體衛(wèi)星只有10厘米見方，美國某企業(yè)研發(fā)的超級信鴿衛(wèi)星只有一個鞋盒大小。
立方體衛(wèi)星。圖片來源：Wikipedia
同時，火箭可搭載的衛(wèi)星也越來越多。
2021年，馬斯克運營的 SpaceX 單次火箭可以發(fā)射143顆衛(wèi)星，刷新了世界紀錄。目前 SpaceX 發(fā)射一個衛(wèi)星只需100萬美元，極大地降低了成本。
因此，太空里人造物體的數量也開始井噴。
在2012年之前，人類向太空發(fā)射的物體每年不超過200個。然而，到了2020年，這個數字暴漲到1200，2021年則是約1800個。
目前在近地軌道上，已經有超過一萬個衛(wèi)星在圍繞著地球旋轉。
發(fā)射數量2015年后開始井噴。圖片來源：our world in data
而未來計劃要發(fā)射的衛(wèi)星不會變少，只會越來越多。
SpaceX 公司正在大規(guī)模部署衛(wèi)星版圖，計劃將近地軌道上分散的24個軌道面擴大到72個，未來還要發(fā)射1.2萬顆星鏈衛(wèi)星。
近地軌道越來越擁擠，由此產生的太空垃圾數量也不容小覷。
所謂的太空垃圾，涵蓋了航天飛船廢棄的助推器、退役的人造衛(wèi)星（超過3000個）、航天器的各種零件（螺絲刀、螺母、螺栓等），還有各類體積較小的垃圾，比如航天器外部因強烈的紫外線照射而脫落的油漆碎片。
由于碎片數量龐大，且小到無法追蹤，沒有人能夠準確知道太空里一共漂浮著多少垃圾。
太空垃圾示意圖。圖片來源：MIT News
科學家估計，在近地軌道上，大小在1~10厘米之間的碎片約有75萬塊，大小超過10厘米的碎片約有3萬塊，而小于1厘米的碎片數量在一億塊以上。
“我們已經被一個類似垃圾場的東西圍繞?！泵苄萘⒋髮W天體物理學教授 Megan Donahue 說。
太空垃圾的增多，首先會增加碰撞幾率。
科學家估計，物體的數量增加一倍，碰撞的幾率就會增加四倍。
而且碎片飛行的速度非?？欤_到28000公里每小時，即便是一塊小小的碎片，也可以摧毀比它大得多的衛(wèi)星或航天器，造成大規(guī)模災難。
太空垃圾的主要來源國。圖片來源：BBC
更可怕的是，碎片之間相撞會出現級聯反應，這被稱為“凱斯勒效應”。
這是由美國科學家唐納德·凱斯勒在1978年首先提出的。它指的是在近地軌道上，物體的密度達到一定程度后，碎片之間相撞會形成更多的碎片，從而導致更多的撞擊，最終導致近地軌道完全被太空垃圾覆蓋。
除此之外，太空垃圾還有可能穿過大氣層，重新掉落地球。
衛(wèi)星穿過大氣層時，可能會因摩擦燒毀，也有可能燃燒不完全，仍有殘骸掉落地球。圖片來源：space news
1970年代，有一塊 NASA 的火箭碎片，掉落在澳大利亞西部，澳洲當局以“亂扔垃圾”向美國罰款400美元，罰款至今未付。
近幾年，太空碎片掉落地球的新聞并不鮮見。
今年7月，中國長征五乙號運載火箭成功發(fā)射，部分殘骸墜落印度洋；今年8月，澳大利亞新南威爾士州的一個農場也發(fā)現了好幾塊太空碎片，每塊高約3米，后證實是 SpaceX 火箭掉落的。
掉落在澳大利亞農場的碎片。圖片來源：the guardian
但歷史上真正被太空碎片擊中的，只有一個人。她就是美國俄克拉荷馬州的居民 Lottie Williams。
1997年1月的一個夜晚，她在公園散步時，看到天邊有一顆像流星一樣的東西劃過。然后，她突然感到肩膀被拍了一下，回頭一看，原來是一塊燒焦的網布掉落下來。
后來她才知道，這塊垃圾來自當天墜落地球的 Delta II 號火箭。
科學雜志《自然》的一篇文章預測，人類在10年內有10%的幾率被墜落的太空碎片擊中。
這位幸運女士與擊中她的碎片。圖片來源：fox news
引發(fā)碰撞事故、可能墜落地球、阻礙宇宙觀測……太空垃圾的危害正在擴大。
如何清理太空垃圾，變得迫在眉睫。
多國都已啟動相關項目，來應對太空垃圾問題。由英國薩里大學主導的 RemoveDEBRIS 項目，于2018年分別試驗了使用網和魚叉來清理垃圾。
在網的測試中，航天器會發(fā)射幾個物體，牽引出網的幾個頂點，將網展開從而將垃圾捕獲；在魚叉的測試中，魚叉則以20米每秒的速度被發(fā)射出去，成功撞擊并穿透目標。
通過多次試驗，網和魚叉都被證實是可行的清理手段。
用網捕獲太空垃圾的設想圖。圖片來源：ESA
日本2016年發(fā)射的”鸛”號貨運飛船，則使用一條金屬繩索，將太空垃圾吸附到表面，然后通過繩索向其放電，讓其減速。
當太空碎片的速度低于圍繞地球旋轉所需的速度后，它就會墜入大氣層，與大氣摩擦燒毀。
ESA（歐洲航天局）也啟動了一個 ClearSpace 項目，目的同樣是清理太空垃圾，預計將于2025~26年發(fā)射。
清理太空垃圾的設想圖。圖片來源：ESA
盡管如此，太空垃圾清理的速度遠遠跟不上生產的速度。
有人說，近地軌道就像一條在沒有拖車的情況下，使用了60多年的高速公路。
在未來，碰撞將會是主導的太空問題。如果不進行干預的話，近地軌道被垃圾占領只是時間問題。而這一點仍未得到世界各國足夠的重視。
一名航空公司的咨詢顧問表達了他的擔憂：“我討厭這樣說，但只有當災難真正發(fā)生在人類身上，我們才會行動。”
封面來源：ESA
參考資料：
[1]”Photos Suggest Spacex, NASA, And China Space Junk Struck Land. There’s A 10% Chance A Person Will Be Hit This Decade.”. 2022. Business Insider.
[2]About space debris – The European Space Agency
[3]Heavy Space Traffic Ahead – The European Space Agency
[4]Space debris is coming down more frequently. What are the chances it could hit someone or damage property? – The Conversation
[5]Where Falling Satellite Lands Is Anyone’s Guess : NPR
[6]Space Debris and Human Spacecraft | NASA
[7]How many satellites orbit Earth? | Live Science
[8]Space junk: The cluttered frontier | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
[9]Why space debris cleanup might be a national security threat – The Conversation
[10]What is space junk and why is it a problem? | Natural History Museum
[11]Solving the space junk problem | CU Boulder Today | University of Colorado Boulder
[12]Falling Space Junk From SpaceX, NASA, China Risk Life, Property. Business Insider.
[13]SpaceX capsule confirmed as source of space debris that crashed on farm in Australia | The Guardian
[14]SpaceX and our space junk problem – Vox
[15]清除地球軌道碎片太空垃圾的難題 – BBC News
[16]日本發(fā)射貨運飛船將試驗清除太空垃圾 – BBC News
[17]太空垃圾泛濫成災盤點幾種潛在清理方案 – BBC News
[18]SpaceX火箭單次發(fā)射143顆衛(wèi)星，刷新“一箭多星”世界紀錄 – BBC News
[19]人造衛(wèi)星正在成為我們探索宇宙的障礙 – BBC News
[20]近地衛(wèi)星越來越多，科學家擔心影響到行星防御計劃_網易科技
[21]近地軌道可容納幾百億衛(wèi)星？這牛吹得幾乎不打草稿_新浪財經_新浪網
[22]2021年有多少顆衛(wèi)星環(huán)繞地球運行？_網易訂閱
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