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(wù)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(gòu)的情節(jié)。
實際上，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(chǎn)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(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。圖片來源：best documentary
近年來，由于技術(shù)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(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(jì)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(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 200 個。然而，到了 2020 年，這個數(shù)字暴漲到 1200，2021 年則是約 1800 個。
目前在近地軌道上，已經(jīng)有超過一萬個衛(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(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 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(shù)量龐大，且小到無法追蹤，沒有人能夠準(zhǔn)確知道太空里一共漂浮著多少垃圾。
▲ 太空垃圾示意圖。圖片來源：MIT News
科學(xué)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(shù)量在一億塊以上。
“我們已經(jīng)被一個類似垃圾場的東西圍繞。”密歇根州立大學(xué)天體物理學(xué)教授 Megan Donahue 說。
太空垃圾的增多，首先會增加碰撞幾率。
科學(xué)家估計，物體的數(shù)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?？?，達到 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(zāi)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(xiàn)級聯(lián)反應(yīng)，這被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。
這是由美國科學(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，物體的密度達到一定程度后，碎片之間相撞會形成更多的碎片，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(dāng)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(nóng)場也發(fā)現(xiàn)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(nóng)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(wǎng)布掉落下來。
后來她才知道，這塊垃圾來自當(dāng)天墜落地球的 Delta II 號火箭。
科學(xué)雜志《自然》的一篇文章預(yù)測，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(guān)項目，來應(yīng)對太空垃圾問題。由英國薩里大學(xué)主導(dǎo)的 RemoveDEBRIS 項目，于 2018 年分別試驗了使用網(wǎng)和魚叉來清理垃圾。
在網(wǎng)的測試中，航天器會發(fā)射幾個物體，牽引出網(wǎng)的幾個頂點，將網(wǎng)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(biāo)。
通過多次試驗，網(wǎng)和魚叉都被證實是可行的清理手段。
▲ 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(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(yù)計將于 2025~26 年發(fā)射。
▲ 清理太空垃圾的設(shè)想圖。圖片來源：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，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(dǎo)的太空問題。如果不進行干預(yù)的話，近地軌道被垃圾占領(lǐng)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(dān)憂：“我討厭這樣說，但只有當(dāng)災(zāi)難真正發(fā)生在人類身上，我們才會行動。”
參考
[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(zāi)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(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)星越來越多，科學(xué)家擔(dān)心影響到行星防御計劃_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_新浪財經(jīng)_新浪網(wǎng)
[22] 2021 年有多少顆衛(wèi)星環(huán)繞地球運行？_網(wǎng)易訂閱
本文來自微信公眾號：把科學(xué)帶回家 （ID：steamforkids），撰文：Greye 審校 ：韓晶晶
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