太空垃圾是什么 如何处理太空垃圾

太空垃圾的个头虽小，但却带来大麻烦,这些太空垃圾的处理方法是什么?
2014年，国际空间站不得不3次变轨，以避免遭到太空碎片，也就是太空垃圾的撞击。除了空间站外，太空垃圾也对轨道中造价昂贵并且对我们至关重要的卫星构成威胁。太空垃圾的问题究竟有多严重？我们又当采取何种措施应对这种威胁？

太空垃圾是什么

人类为了追求更加清洁、优美的生活环境，采取了各种各样的方法治理地球上的垃圾等有害物质。但鲜为人知的是，在太空，成千上万吨垃圾正在不断地产生。更令人不安的是，这些垃圾存在大量放射性物质。
太空垃圾是人类在进行航天活动时，遗弃在太空的各种物体的碎片。如各种卫星的保护罩及部件，各种火箭发动机在空间爆炸产生的残骸，核动力卫星及其产生的放射性碎片；宇航员在太空行走时丢弃的螺母、螺栓和螺丝刀等各种物体。这些东西如人造卫星，一般按一定的轨道环绕地球飞行，形成了一条危险的垃圾带。


本文选自译言网
译者：小北译原文作者：Hugh Lewis

太空垃圾

    自进入太空时代以来，人类已进行了5000多次发射，致使 地球轨道越发拥挤 轨道越发拥挤

轨道越发拥挤


在应对和解决全球健康、饥饿、贫困、教育、能源安全、气候变化等问题以及降低灾难风险方面，越发成熟的太空基础设施做出了很大贡献。不幸的是，由于我们对卫星的依赖度不断提高以及长久以来认为“太空非常巨大”，太空环境不断恶化。自太空时代开始以来，人类已经进行了5000多次发射，大量地球观测卫星、通讯卫星以及其他卫星被送入太空，致使“太空交通”越发拥挤。
现在，美国太空监测网正对数万块个头超过网球的太空垃圾进行追踪。据估计，尺寸不到1厘米的太空垃圾数量达到1亿。由于时速可达到惊人的1.7万英里（约合每小时2.7万公里），每一块这么大的太空垃圾都足以破坏甚至摧毁我们依赖的卫星。





美国建造了一个传感器网路，包括座落于夏威夷的3.67米口径望远镜（如图），用于追踪卫星和太空碎片
可怕红色会合

太空垃圾问题造成的最明显“症状”恐怕就是国际空间站经常进行碰撞避免机动。随着太空垃圾的不断增多，空间站进行防撞机动的频率越发频繁。一旦探测到太空垃圾的时间过晚，无法通过机动进行避让，空间站便会拉响警报，提醒宇航员采取紧急措施。空间站上的系统为宇航员提供至关重要的生命支持，但同时也非常脆弱，在碎片撞击面前显得不堪一击——真空中的加压舱被撞破之后就像气球一样。

所谓的“红色会合”是指一块太空碎片与空间站之间的距离近到对其构成威胁的程度。最近的一次红色会合发生在今年的7月17日，威胁者是一颗俄罗斯卫星的碎片。这一次的红色会合再一次说明太空垃圾威胁不断升级。通过好莱坞大片《地心引力》，观众身临其境地感受到空间站上的宇航员听到“红色会合”警报时内心的焦虑。

在空间站所处的高度，太空垃圾的数量较少。在更高的高度，太空垃圾的数量也随之增多，在这些高度运转的只有卫星。在帮助我们了解地球方面，这些卫星发挥着不可估量的作用。随着数量的不断增多，太空垃圾实现“自维持”的几率也不断提高。所谓的“自维持”是指因相互碰撞新增的太空垃圾数量超过因大气阻力导致的自然衰减而消失的垃圾数量。2009年2月，2颗较小的卫星在西伯利亚上空“撞车”，产生大约2000块可被追踪的新碎片。这些碎片中，很多仍逗留在轨道并且经常在其他卫星附近穿过。


由于探测到一块太空垃圾的时间太晚，已来不及进行防撞机动，国际空间站上的宇航员被迫躲进“联盟”号飞船
数说太空垃圾


尺寸1到10厘米的太空垃圾达到50万块
尺寸10厘米以上的太空垃圾超过2.1万块
尺寸不到1厘米的太空垃圾超过1亿块
绝大多数太空垃圾与地球表面的距离不到2000公里
距地面750到800公里之间的太空垃圾密度最大
太空垃圾的移动速度达到每小时17500英里（约合每小时28163公里）
只有7%的太空垃圾是仍在运转中的卫星




2007年，一块太空碎片在“奋进”号航天飞机的散热板上撞出一个洞
凯斯勒综合症


自维持碰撞活动是影片《地心引力》的另一大看点。这种活动被称之为“凯斯勒综合症”，以美国宇航局科学家唐·凯斯勒（已退休）的名字命名。1978年，凯斯勒与同事伯顿·考尔-帕莱斯描述了这一过程。凯斯勒综合症真实存在，但经常被夸大。

太空垃圾数量增长的失控以及重要卫星的损失促使科学家寻找各种方式，消除太空垃圾。如果我们能够扫清存在威胁的太空垃圾，我们便可缓解甚至避免凯斯勒综合症。然而，这并不是一项简单的任务，不仅需要研发新技术，同时还需要制定新的法律以及巨大的资金支持。

在清除太空垃圾方面，欧洲航天局走在世界前列。他们正在执行一项名为“脱轨”的任务，目标是“消灭”轨道中的一颗大型欧洲卫星。这是一项雄心勃勃的任务，无数新技术被研发出来并进行评估，其中包括空中客车防务及航天公司的英国工程师提议的一种基于鱼叉的解决方案。当然，这绝非一项没有风险的任务，然而一旦取得成功，便可让整个世界意识到如果政治、法律和财政方面的问题得以解决，利用技术手段解决太空垃圾问题的可能性是存在的。“脱轨”任务将在2016年遭遇关键性挑战。一方面，它的系统需要接受评估；另一方面，欧航局部长级理事会将就是否批准这项任务和拨款以继续推进这项任务展开讨论。




2013年好莱坞大片《地心引力》剧照，由女星桑德拉·布洛克领衔
追踪系统


小到3毫米的太空垃圾可以被地面雷达探测到；
尺寸小于1毫米的太空垃圾可以通过分析返航飞船表面遭受的撞击进行评估——仅限于距地高度不到600公里的太空垃圾；
美国空军太空垃圾监视网当前对2.1万块尺寸超过10厘米的太空垃圾进行追踪；
美国联邦政府投入近10亿美元研制一种新型太空垃圾追踪装置——“太空栅栏”雷达系统，能够追踪20万块尺寸更小的太空垃圾。

太空垃圾的处理方法

令航天机构感到担忧的是，低成本小卫星数量的暴涨将加剧太空垃圾问题


小卫星乃未来方向？


面对不断加剧的太空垃圾问题，一个旨在让太空开发利用发生革命性变化的新产业也随之浮出水面。这个新产业就是小卫星。现在，很多小公司和创业公司——尤其是后者——正用事实证明预算低并不一定意味着作用和影响小。以旧金山的“行星实验室”公司为例，这家公司利用所谓的“立方体卫星”重新定义地球成像市场。他们的Dove卫星尺寸不及一个公文包，但却能拍摄用于多种用途的高分辨率地球照片。包括SpaceX和OneWeb在内的其他公司也纷纷研制大型低成本小卫星群。

一个超恶问题

对小卫星的无所不在可能导致的长期后果以及太空的快速商业化，航天机构产生忧虑。尤让他们担心的是，在轨卫星数量的暴涨将大幅提高防撞机动的频率，加剧凯斯勒综合症。2014年，安全世界基金会技术顾问布莱恩·维登将太空垃圾称之为一个“超恶问题”。在他看来，解决这个问题面临独特挑战，因为留给我们的时间不断流失，没有一个中央权威机构提供指导或者支持，试图解决这个问题的人同时也是这个问题的制造者，解决方案可能要留给后代寻找。

解决这个“超恶问题”的关键性第一步是壮大为降低这一风险提供支持措施的队伍规模。令人感到欣慰的是，无论是太空探索领域的老人还是新手都意识到需要采取措施降低其太空活动的负面影响。包括“行星实验室”和OneWeb在内的公司也公开承诺力求解决太空垃圾问题。不过，我们仍有大量工作去做，才能完全了解这个问题，研发相关技术，消除法律和政治障碍以及提高意识。换句话说，凯斯勒综合症仍旧是一个长期存在的威胁。


目前，废弃的卫星、剥落的隔热瓦、燃料舱的残片、宇航员们的排泄物……据估计，有近5500吨人类制造的太空垃圾正环绕地球旋转。

　　历史上第一位太空垃圾制造者是美国宇航员埃德?怀特。1965年，他在进行首次太空漫步时不小心弄丢了一只备用手套。从那以后，宇航员们的“不小心”已经使得环绕地球的太空垃圾达到大约10万件。去年7月，另一位太空漫步者皮尔斯?塞勒斯神情尴尬地报告说，他在开放太空作业时，不小心将刮刀丢失了。结果这件被太空垃圾观察员们昵称为“spatsat”的遗留物在当年8月初变成一颗火流星返回地球。

　　许多稀奇古怪的垃圾漂浮在地球周围，它们大多是宇航员在太空作业时意外造成的。美国宇航局轨道垃圾项目实验室的一名官员表示，在俄罗斯“和平号”太空站外的一次实验中，他们发现各种从太空船废物舱中排出的废物，包括干涸的尿液颗粒、牙膏和剃须膏等。一颗印尼的人造卫星就惨遭“屎尿攻击”。现在美国宇航局已不再把大量废弃物排放到太空中。
　　美国约翰逊太空中心太空垃圾计划科学家马克?马特尼说，1960年，美国在一项拙劣的通讯计划中把多数铜针撒在太空中，如今许多铜针依然还留在太空中。其他太空垃圾还包括许多从“和平号”太空站丢出的垃圾、当年修理哈勃太空望远镜的太空漫步者遗留下来的仪器，以及早在1958年遗留下来的火箭箭身等巨型废物。这些垃圾都分布在最危险的区域，即离太空站与宇航船大约640公里的地方。当问及目前地球轨道上最大的太空垃圾是什么?马特尼立刻回答：国际太空站。他表示：“每艘太空船最后都注定要变成太空垃圾。”
　　太空垃圾绝非无关痛痒的东西，这些东西可以使宇航员丧命、将人造卫星击穿。

　　从1991年至2006年初，科学家记录到了三起直径大于10厘米的太空垃圾间的相撞。最近的一次是2005年1月，一颗升空31年的废弃美国卫星和一些航天器残骸发生了相撞。不过这三次撞击均没有造成更多太空碎片。2003年“哥伦比亚号”航天飞机着陆时意外解体坠毁，美国宇航局的相关人员就故事产生的原因表示：除了泡沫隔热材料脱落的原因之外，“哥伦比亚”号很可能被一块微型陨石或太空垃圾击中。

　　太空碎片的运动速度高达每小时3.52万公里，这样的高速能使小块碎片在飞船或卫星上撞出一个洞，并导致电力短路等故障。专家们已经开始对这些物体进行监测，以免人类的未来毁在它们手上。美国宇航局协同空军正在应用雷达与望远镜感应器，在太空探测直径约lO厘米以上的垃圾。截至目前，直径达10厘米左右的太空垃圾共有9925件。但是还有9万件更小的垃圾存在于太空中，它们在环绕地球的轨道中以每小时2400公里的速度运行着。



　　目前科学家用来清除太空垃圾的办法主要有：


　　1．定位跟踪系统目前最先进的太空垃圾定位及监视系统还是冷战时期美苏两国为监视敌方导弹进攻及间谍卫星而建造的跟踪系统。它们能探测到低轨道上10厘米大小和地球同步轨道上1米大小的碎片。
　　2．“激光扫帚”锁定太空垃圾目标后，发出一束激光，照射在太空垃圾背离地球的一端，使之部分升华为气体，利用气体的反作用力推动太空垃圾朝地球的方向运动，最终使其进入大气层，与大气产生强烈摩擦而燃烧。
　　3．“自杀卫星”这种自杀卫星体积只有足球那么大，一旦侦察到太空垃圾，便依附在垃圾上，使其速度降低，最后进入大气层，与太空垃圾同归于尽。
　　4．“空间工友”这种仪器由12只空间“垃圾箱”组成，在地球同步轨道上运行。当太空垃圾飞过时，它的由电脑控制的机械臂会抓住目标，放进“垃圾箱”后将其分割切碎，使其坠入地球大气层燃烧自毁。
　　不过，由于技术和经济方面的原因，上述清除太空垃圾的方法多数还处于试验阶段。


只有清除轨道上的大型物体才能避免未来航天的潜在威胁。可是治理空间环境比治理地面环境要困难得多，无论技术上或经济上，目前并没有可行的方式来清除这些太空垃圾，人们似乎重复走上了与地球环境相同的“先污染，后治理”的老路。据了解，一个太空飞行器若在600千米的高空飞行，它将围绕地球转25～30年，如果它位于1000千米的高度，则可飞行到4001年，如果再高，它几乎会成为永恒的物体。如今，太空中这种“长寿”垃圾越来越多，清除将是极其艰难的。

　　多年来，各国科研人员一直在积极探索解决太空垃圾的问题。除了呼吁人类提高太空环保意识外，宇航专家们提出了许多对策。
　　“金钟罩铁布衫” 早在1947年，美国科学家惠普耳就提出了保护航天器免受高速飞行的太空垃圾袭击的方法。为了代替镶嵌在航天器表面越来越厚的保护层，惠普耳建议在保护层前安装一层防护屏，当太空垃圾与防护屏发生碰撞时，防护屏被击碎，同时太空垃圾也被撞碎变成粉末，从而解除了对航天器的威胁。2007年5月，国际空间站上的两名俄罗斯宇航员经过5个半小时的太空行走，为空间站安装金属遮蔽罩，减少太空垃圾对空间站的威胁。每个遮蔽罩重9千克，宽0.6米、长0.9米。防护屏的一个重要特点是在网状的防护屏上还涂了一层特殊材料，当太空碎片与其发生碰撞时，碰撞产生的能量使其与太空垃圾发生爆炸式的化学反应，促进了太空碎片变成粉末的过程。网状防护屏还能使与其碰撞的太空碎片横向面积增大，降低碰撞的强度。据估计，如果俄罗斯为空间站建造的设备完成防护升级，空间站被太空垃圾撞毁的风险将从9%降至5%。

　　“自杀卫星” 英国萨里大学的科学家们，最近就发明了“太空清道夫”卫星。它的体积只有足球那么小，重量仅为5.9千克，配备四个小型摄影机。一旦侦察到太空垃圾，它便依附在垃圾上，然后将其推到大气层。这时卫星与垃圾都会被烧毁，同归于尽。这类自杀式卫星每个造价10万英镑。一旦这项技术发展成熟，萨里大学可能会与俄罗斯方面合作，利用俄境内的宇航设施发射首批试验性“太空清道夫”卫星。美国科学家则设计出了一个名为“空间工友”的航天器，它由12只空间“垃圾箱”组成，将在地球同步轨道上运行。当太空中的废弃卫星或碎片飞过时，它由电脑控制的机械臂便会轻而易举地抓住目标，并放进“垃圾箱”，然后将其分割切碎，使其坠入地球大气层燃烧自毁。

　　“终结绳索” 据国外媒体报道，美国一家公司最近开发出了一种能够让报废卫星快速脱离近地轨道的新方法――“终结绳索”。它是一条长度为5千米的细导线，被绕成一个线圈放置在卫星内部。当卫星达到指定位置后，“终结绳索”便会自动打开。在电离层和地球磁场的共同作用下，这条绵延达5千米的导线上可产生持续的电流。如此一来，地球磁场会对其产生一种向下的拉力，进而牵动卫星逐渐下落。这一过程将一直持续到卫星重返大气层并在那里完全烧毁。据专家们测算，通过这种方法可非常简便和廉价地加快卫星从轨道上脱离的速度。还有一种与“终结绳索”类似的设备，它是在卫星上加上一个收集网，用一根5千米长的收集绳拖带。当卫星达到指定位置后，就松开收集长绳。在地球磁场作用下，网袋垂向地球一侧。在装进一定量的垃圾后，即坠入大气烧毁。这样，原来会绕地球飞行上百年的空间碎片，就能够在十几天内消除掉。

　　“激光扫帚” 国际空间站美国航空航天局正在试验一种“激光扫帚”，这一装置的主要功能是将可能运行在空间站轨道内的直径1至10厘米的太空垃圾扫除出轨道。“激光扫帚”锁定某个太空垃圾目标后，将发出一束激光，照射在太空垃圾背离地球的一端，使之部分升华为气体，就像喷气式飞机的原理一样，利用气体的反作用力推动剩余部分太空垃圾朝地球的方向运动，最终使其进入大气层，与大气产生强烈摩擦而燃烧，达到将它清除出国际空间站轨道的目的。

　　“轨道康复者” 为了给燃料用尽的卫星添加燃料或者对卫星进行维护维修，可以求助英国的“轨道康复者”和美国的“轨道快车”卫星。它们是卫星的拯救者，可使卫星的服务运转时间延长10年左右，从而变相减少了太空垃圾的产生。据统计，到2011年，80多颗在20世纪八九十年代发射的通信卫星的寿命将要结束。它们会是轨道康复者的救助对象。到2015年将有超过100颗卫星受到救助。