太空里垃圾成灾？因为发射的卫星太多了

本文来自微信公众号：把科学带回家 （ID：steamforkids），作者：Greye，审校：韩晶晶，头图来自：视觉中国

在电影《地心引力》里，有这样一个情节：

两名宇航员在太空中执行任务时，突然遭遇一场“碎片雨”。

像子弹一样高速飞过的太空碎片，不仅把飞船撞得七零八落，还差点让两名宇航员命丧太空。

图片来源：电影《地心引力》

不要以为这只是科幻片虚构的情节。

实际上，太空碎片已经逐渐成为航天业的主要威胁。

2009年2月，美国一颗私人通信卫星与俄罗斯一颗军用卫星以11.7公里每秒的速度相撞，两者都被摧毁。NASA 估计，此次碰撞至少产生了超过1000块10厘米以上的碎片。

2021年3月，中国发射的云海一号02星被一块太空碎片碰撞后解体；2021年5月，国际空间站的一个机械臂被太空碎片撞出一个洞……

国际空间站被碎片撞出的洞。图片来源：NASA

这些太空碰撞事故，都发生在近地轨道上。

近地轨道可以理解成距离地球比较近的一条宽阔车道。

人类向太空发射的物体，包括空间站、人造卫星、探测器、飞船等，大多都聚集在近地轨道上。由此产生的垃圾也基本分布在这条轨道上。

可是车道再宽阔，一旦变得拥挤，碰撞事故便在所难免。

太空碰撞示意图。图片来源：best documentary

近年来，由于技术发展与成本下降，进军太空变得越来越容易。

以往传统的雷达卫星体积庞大，重量可达数吨，发射一次要耗资数亿美元，因此只有政府才能负担得起。

如今的卫星发射逐渐商业化，而卫星也越做越小，斯坦福大学联合研发的立方体卫星只有10厘米见方，美国某企业研发的超级信鸽卫星只有一个鞋盒大小。

立方体卫星。图片来源：Wikipedia

同时，火箭可搭载的卫星也越来越多。

2021年，马斯克运营的 SpaceX 单次火箭可以发射143颗卫星，刷新了世界纪录。目前 SpaceX 发射一个卫星只需100万美元，极大地降低了成本。

因此，太空里人造物体的数量也开始井喷。

在2012年之前，人类向太空发射的物体每年不超过200个。然而，到了2020年，这个数字暴涨到1200，2021年则是约1800个。

目前在近地轨道上，已经有超过一万个卫星在围绕着地球旋转。

发射数量2015年后开始井喷。图片来源：our world in data

而未来计划要发射的卫星不会变少，只会越来越多。

SpaceX 公司正在大规模部署卫星版图，计划将近地轨道上分散的24个轨道面扩大到72个，未来还要发射1.2万颗星链卫星。

近地轨道越来越拥挤，由此产生的太空垃圾数量也不容小觑。

所谓的太空垃圾，涵盖了航天飞船废弃的助推器、退役的人造卫星（超过3000个）、航天器的各种零件（螺丝刀、螺母、螺栓等），还有各类体积较小的垃圾，比如航天器外部因强烈的紫外线照射而脱落的油漆碎片。

由于碎片数量庞大，且小到无法追踪，没有人能够准确知道太空里一共漂浮着多少垃圾。

太空垃圾示意图。图片来源：MIT News

科学家估计，在近地轨道上，大小在1~10厘米之间的碎片约有75万块，大小超过10厘米的碎片约有3万块，而小于1厘米的碎片数量在一亿块以上。

“我们已经被一个类似垃圾场的东西围绕。”密歇根州立大学天体物理学教授 Megan Donahue 说。

太空垃圾的增多，首先会增加碰撞几率。

科学家估计，物体的数量增加一倍，碰撞的几率就会增加四倍。

而且碎片飞行的速度非常快，达到28000公里每小时，即便是一块小小的碎片，也可以摧毁比它大得多的卫星或航天器，造成大规模灾难。

太空垃圾的主要来源国。图片来源：BBC

更可怕的是，碎片之间相撞会出现级联反应，这被称为“凯斯勒效应”。

这是由美国科学家唐纳德·凯斯勒在1978年首先提出的。它指的是在近地轨道上，物体的密度达到一定程度后，碎片之间相撞会形成更多的碎片，从而导致更多的撞击，最终导致近地轨道完全被太空垃圾覆盖。

除此之外，太空垃圾还有可能穿过大气层，重新掉落地球。

卫星穿过大气层时，可能会因摩擦烧毁，也有可能燃烧不完全，仍有残骸掉落地球。图片来源：space news

1970年代，有一块 NASA 的火箭碎片，掉落在澳大利亚西部，澳洲当局以“乱扔垃圾”向美国罚款400美元，罚款至今未付。

近几年，太空碎片掉落地球的新闻并不鲜见。

今年7月，中国长征五乙号运载火箭成功发射，部分残骸坠落印度洋；今年8月，澳大利亚新南威尔士州的一个农场也发现了好几块太空碎片，每块高约3米，后证实是 SpaceX 火箭掉落的。

但历史上真正被太空碎片击中的，只有一个人。她就是美国俄克拉荷马州的居民 Lottie Williams。

1997年1月的一个夜晚，她在公园散步时，看到天边有一颗像流星一样的东西划过。然后，她突然感到肩膀被拍了一下，回头一看，原来是一块烧焦的网布掉落下来。

后来她才知道，这块垃圾来自当天坠落地球的 Delta II 号火箭。

科学杂志《自然》的一篇文章预测，人类在10年内有10%的几率被坠落的太空碎片击中。

引发碰撞事故、可能坠落地球、阻碍宇宙观测……太空垃圾的危害正在扩大。

如何清理太空垃圾，变得迫在眉睫。

多国都已启动相关项目，来应对太空垃圾问题。由英国萨里大学主导的 RemoveDEBRIS 项目，于2018年分别试验了使用网和鱼叉来清理垃圾。

在网的测试中，航天器会发射几个物体，牵引出网的几个顶点，将网展开从而将垃圾捕获；在鱼叉的测试中，鱼叉则以20米每秒的速度被发射出去，成功撞击并穿透目标。

通过多次试验，网和鱼叉都被证实是可行的清理手段。

用网捕获太空垃圾的设想图。图片来源：ESA

日本2016年发射的"鹳"号货运飞船，则使用一条金属绳索，将太空垃圾吸附到表面，然后通过绳索向其放电，让其减速。

当太空碎片的速度低于围绕地球旋转所需的速度后，它就会坠入大气层，与大气摩擦烧毁。

ESA（欧洲航天局）也启动了一个 ClearSpace 项目，目的同样是清理太空垃圾，预计将于2025~26年发射。

清理太空垃圾的设想图。图片来源：ESA

尽管如此，太空垃圾清理的速度远远跟不上生产的速度。

有人说，近地轨道就像一条在没有拖车的情况下，使用了60多年的高速公路。

在未来，碰撞将会是主导的太空问题。如果不进行干预的话，近地轨道被垃圾占领只是时间问题。而这一点仍未得到世界各国足够的重视。

一名航空公司的咨询顾问表达了他的担忧：“我讨厌这样说，但只有当灾难真正发生在人类身上，我们才会行动。”

参考资料：

[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]清除地球轨道碎片太空垃圾的难题 - BBC News

[16]日本发射货运飞船将试验清除太空垃圾 - BBC News

[17]太空垃圾泛滥成灾盘点几种潜在清理方案 - BBC News

[18]SpaceX火箭单次发射143颗卫星，刷新“一箭多星”世界纪录 - BBC News

[19]人造卫星正在成为我们探索宇宙的障碍 - BBC News

[20]近地卫星越来越多，科学家担心影响到行星防御计划_网易科技

[21]近地轨道可容纳几百亿卫星？这牛吹得几乎不打草稿_新浪财经_新浪网

[22]2021年有多少颗卫星环绕地球运行？_网易订阅

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