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“把科學(xué)帶回家”所有
(圖片來(lái)源:ESA)
撰文 | Greye
審校 | 韓晶晶
在電影《地心引力》里,有這樣一個(gè)情節(jié):
兩名宇航員在太空中執(zhí)行任務(wù)時(shí),突然遭遇一場(chǎng)“碎片雨”。
像子彈一樣高速飛過(guò)的太空碎片,不僅把飛船撞得七零八落,還差點(diǎn)讓兩名宇航員命喪太空。
圖片來(lái)源:電影《地心引力》
不要以為這只是科幻片虛構(gòu)的情節(jié)。
實(shí)際上,太空碎片已經(jīng)逐漸成為航天業(yè)的主要威脅。
2009年2月,美國(guó)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(jì),此次碰撞至少產(chǎn)生了超過(guò)1000塊10厘米以上的碎片。
2021年3月,中國(guó)發(fā)射的云海一號(hào)02星被一塊太空碎片碰撞后解體;2021年5月,國(guó)際空間站的一個(gè)機(jī)械臂被太空碎片撞出一個(gè)洞……
國(guó)際空間站被碎片撞出的洞。圖片來(lái)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(cè)器、飛船等,大多都聚集在近地軌道上。由此產(chǎn)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(lái)源:best documentary
近年來(lái),由于技術(shù)發(fā)展與成本下降,進(jìn)軍太空變得越來(lái)越容易。
以往傳統(tǒng)的雷達(dá)衛(wèi)星體積龐大,重量可達(dá)數(shù)噸,發(fā)射一次要耗資數(shù)億美元,因此只有政府才能負(fù)擔(dān)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(xué)聯(lián)合研發(fā)的立方體衛(wèi)星只有10厘米見方,美國(guó)某企業(yè)研發(fā)的超級(jí)信鴿衛(wèi)星只有一個(gè)鞋盒大小。
立方體衛(wèi)星。圖片來(lái)源:Wikipedia
同時(shí),火箭可搭載的衛(wèi)星也越來(lái)越多。
2021年,馬斯克運(yùn)營(yíng)的 SpaceX 單次火箭可以發(fā)射143顆衛(wèi)星,刷新了世界紀(jì)錄。目前 SpaceX 發(fā)射一個(gè)衛(wèi)星只需100萬(wàn)美元,極大地降低了成本。
因此,太空里人造物體的數(shù)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(guò)200個(gè)。然而,到了2020年,這個(gè)數(shù)字暴漲到1200,2021年則是約1800個(gè)。
目前在近地軌道上,已經(jīng)有超過(guò)一萬(wàn)個(gè)衛(wèi)星在圍繞著地球旋轉(zhuǎn)。
發(fā)射數(shù)量2015年后開始井噴。圖片來(lái)源:our world in data
而未來(lái)計(jì)劃要發(fā)射的衛(wèi)星不會(huì)變少,只會(huì)越來(lái)越多。
SpaceX 公司正在大規(guī)模部署衛(wèi)星版圖,計(jì)劃將近地軌道上分散的24個(gè)軌道面擴(kuò)大到72個(gè),未來(lái)還要發(fā)射1.2萬(wàn)顆星鏈衛(wèi)星。
近地軌道越來(lái)越擁擠,由此產(chǎn)生的太空垃圾數(shù)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(guò)3000個(gè))、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(qiáng)烈的紫外線照射而脫落的油漆碎片。
由于碎片數(shù)量龐大,且小到無(wú)法追蹤,沒(méi)有人能夠準(zhǔn)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(lái)源:MIT News
科學(xué)家估計(jì),在近地軌道上,大小在1~10厘米之間的碎片約有75萬(wàn)塊,大小超過(guò)10厘米的碎片約有3萬(wàn)塊,而小于1厘米的碎片數(shù)量在一億塊以上。
“我們已經(jīng)被一個(gè)類似垃圾場(chǎng)的東西圍繞?!泵苄萘⒋髮W(xué)天體物理學(xué)教授 Megan Donahue 說(shuō)。
太空垃圾的增多,首先會(huì)增加碰撞幾率。
科學(xué)家估計(jì),物體的數(shù)量增加一倍,碰撞的幾率就會(huì)增加四倍。
而且碎片飛行的速度非常快,達(dá)到28000公里每小時(shí),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(zāi)難。
太空垃圾的主要來(lái)源國(guó)。圖片來(lái)源:BBC
更可怕的是,碎片之間相撞會(huì)出現(xiàn)級(jí)聯(lián)反應(yīng),這被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。
這是由美國(guó)科學(xué)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(dá)到一定程度后,碎片之間相撞會(huì)形成更多的碎片,從而導(dǎo)致更多的撞擊,最終導(dǎo)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(guò)大氣層,重新掉落地球。
衛(wèi)星穿過(guò)大氣層時(shí),可能會(huì)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(lái)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(dāng)局以“亂扔垃圾”向美國(guó)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(guó)長(zhǎng)征五乙號(hào)運(yùn)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(gè)農(nóng)場(chǎng)也發(fā)現(xiàn)了好幾塊太空碎片,每塊高約3米,后證實(shí)是 SpaceX 火箭掉落的。
掉落在澳大利亞農(nóng)場(chǎng)的碎片。圖片來(lái)源:the guardian
但歷史上真正被太空碎片擊中的,只有一個(gè)人。她就是美國(guó)俄克拉荷馬州的居民 Lottie Williams。
1997年1月的一個(gè)夜晚,她在公園散步時(shí),看到天邊有一顆像流星一樣的東西劃過(guò)。然后,她突然感到肩膀被拍了一下,回頭一看,原來(lái)是一塊燒焦的網(wǎng)布掉落下來(lái)。
后來(lái)她才知道,這塊垃圾來(lái)自當(dāng)天墜落地球的 Delta II 號(hào)火箭。
科學(xué)雜志《自然》的一篇文章預(yù)測(cè),人類在10年內(nèi)有10%的幾率被墜落的太空碎片擊中。
這位幸運(yùn)女士與擊中她的碎片。圖片來(lái)源:fox news
引發(fā)碰撞事故、可能墜落地球、阻礙宇宙觀測(cè)……太空垃圾的危害正在擴(kuò)大。
如何清理太空垃圾,變得迫在眉睫。
多國(guó)都已啟動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目,來(lái)應(yīng)對(duì)太空垃圾問(wèn)題。由英國(guó)薩里大學(xué)主導(dǎo)的 RemoveDEBRIS 項(xiàng)目,于2018年分別試驗(yàn)了使用網(wǎng)和魚叉來(lái)清理垃圾。
在網(wǎng)的測(cè)試中,航天器會(huì)發(fā)射幾個(gè)物體,牽引出網(wǎng)的幾個(gè)頂點(diǎn),將網(wǎng)展開從而將垃圾捕獲;在魚叉的測(cè)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(biāo)。
通過(guò)多次試驗(yàn),網(wǎng)和魚叉都被證實(shí)是可行的清理手段。
用網(wǎng)捕獲太空垃圾的設(shè)想圖。圖片來(lái)源:ESA
日本2016年發(fā)射的”鸛”號(hào)貨運(yùn)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(guò)繩索向其放電,讓其減速。
當(dāng)太空碎片的速度低于圍繞地球旋轉(zhuǎn)所需的速度后,它就會(huì)墜入大氣層,與大氣摩擦燒毀。
ESA(歐洲航天局)也啟動(dòng)了一個(gè) ClearSpace 項(xiàng)目,目的同樣是清理太空垃圾,預(yù)計(jì)將于2025~26年發(fā)射。
清理太空垃圾的設(shè)想圖。圖片來(lái)源:ESA
盡管如此,太空垃圾清理的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上生產(chǎn)的速度。
有人說(shuō),近地軌道就像一條在沒(méi)有拖車的情況下,使用了60多年的高速公路。
在未來(lái),碰撞將會(huì)是主導(dǎo)的太空問(wèn)題。如果不進(jìn)行干預(yù)的話,近地軌道被垃圾占領(lǐng)只是時(shí)間問(wèn)題。而這一點(diǎn)仍未得到世界各國(guó)足夠的重視。
一名航空公司的咨詢顧問(wèn)表達(dá)了他的擔(dān)憂:“我討厭這樣說(shuō),但只有當(dāng)災(zāi)難真正發(fā)生在人類身上,我們才會(huì)行動(dòng)?!?/p>
封面來(lái)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(yùn)飛船將試驗(yàn)清除太空垃圾 – BBC News
[17]太空垃圾泛濫成災(zāi)盤點(diǎn)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(jì)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(lái)越多,科學(xué)家擔(dān)心影響到行星防御計(jì)劃_網(wǎng)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(cái)經(jīng)_新浪網(wǎng)
[22]2021年有多少顆衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行?_網(wǎng)易訂閱
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