科學家提出各種富有創意的太空垃圾清除方案

　　3月22日，英國維珍銀河航天公司的“太空船二號”試飛成功。這個載人航天器有望成為世界第一艘商用太空船，如果后期試飛進展順利，預計在兩年后可進入商業運營，太空旅游票價為每人20萬美元。不過，對于未來的“星際旅行”來說，也許錢不是問題，而漂浮在近地軌道上的太空垃圾才是最大的威脅。

　　這一點科學家們早有預料，并已經在不遺余力地準備對策。3月26日，英國薩里大學薩里空間中心的研究人員展示了一個類似風箏的小型衛星裝置。雖然個頭小，其貌不揚，但它身負的特殊使命，就是飛上太空掃垃圾。

　　太空成了垃圾場

　　1957年10月，前蘇聯宣布將第一顆人造地球衛星成功送入軌道，人類空間活動的序幕由此拉開。但與此同時，太空也迎來了第一批人造垃圾。此后，隨著人類太空史上的一次次振奮人心的壯舉，越來越多的廢棄物被遺留在太空，成為空間環境的主要污染源。

　　太空垃圾也稱為空間碎片，其名目繁多，既有已經“壽終正寢”，但仍在空間軌道兜圈子的各類衛星、被遺棄的運載火箭推進器殘骸等，也有航天器意外爆炸或者碰撞形成的碎片，還有一些螺絲和墊圈之類的零部件。此外，宇航員在太空作業時也可能“隨地亂扔”垃圾或者失手遺落物品，比如，1965年美國首次進行太空行走，宇航員愛德華·懷特在艙外活動時不小心掉了一只工作手套，這只時速約2.7萬公里、帶有巨大殺傷力的手套至今仍在太空中飄蕩。

　　2008年，歐洲航天局控制中心發布了一組電腦模擬照片，展現了數百萬件太空垃圾包圍地球的景象。照片中的太空垃圾都靠近地面，即處于距地面約320公里至480公里的近地軌道，在地球上空構成了一個獨特的環狀物。一般來說，這些太空垃圾在高層大氣阻力的作用下，其軌道不斷衰減，最終會墜入大氣層隕毀。但是，如果太空垃圾所處的軌道很高，大氣阻力很小，那么它們能在軌道上存留數萬年甚至數百萬年。

　　據英國《衛報》報道，有關不完全統計數據顯示，時至今日，人類活動導致遺留在太空中的人造衛星和火箭的殘骸已經超過了5500噸，并且以每年5%的速度不斷累加，而最近4年來，這些零重力的太空垃圾數量更是以每年40%的速度遞增，僅美國空軍目前所跟蹤的直徑超過10厘米的太空碎片就有1.9萬塊。此外，估計1厘米到10厘米的碎片大約有20萬塊，更小的碎片則數以千萬計。這些殘骸還會彼此相撞，然后分裂成更多碎片。如今的太空已經成了不折不扣的垃圾場了。

　　飛天也嘆行路難

　　雖然宇宙浩渺，太空垃圾看似不過是其中的滄海一粟，但它們的存在絕非無關痛癢，而是會嚴重威脅到航天器和宇航員的安全。

　　太空垃圾巨大的破壞力來自于它的速度，其飛行速度可高達每小時4萬公里。據美國宇航局約翰遜航天中心軌道殘骸計劃首席科學家尼古拉斯·約翰遜介紹，一塊質量約10克的空間碎片與航天器相撞時，產生的撞擊效果就和兩輛時速100公里的汽車相撞的效果一樣，后果是災難性的。

　　為了研究方便，科學家一般把太空垃圾按直徑分為三類：10厘米以上的太空垃圾可通過儀器監測到，進而采取一定的措施進行預防；介于1厘米到10厘米之間的垃圾，儀器跟蹤不到，它們像隨時可能出現的“幽靈”，帶著毀滅性的殺傷力，如果航天器碰巧與之相撞，災難將難以避免；而直徑小于1厘米的太空垃圾則被歸到“危險”等級，輕則造成航天器表面坑坑洼洼、傷痕累累，嚴重的可造成內部敏感元件的感應放電，甚至導致航天器結構性損壞。

　　到目前為止，雖然太空垃圾和運行航天器之間的破壞性撞擊還比較罕見，但是，兩者狹路相逢，最終引發一起“宇宙交通肇事案”也并非沒有先例。1986年，“阿麗亞娜”號火箭進入軌道之后不久便爆炸，成為564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片，這些殘骸和小碎片在繞地球軌道飛行的過程中，不僅導致兩顆日本通信衛星“命喪黃泉”，甚至在10年后，法國偵察衛星“西雷斯”也仍沒有逃脫撞上這些殘骸的厄運，結果受損嚴重，不得不停止工作。更讓人記憶猶新的“太空撞車”事故則發生在2009年2月，美國銥星公司1997年發射的“銥星33”通信衛星與俄羅斯的一顆已經廢棄的軍事衛星“宇宙2251”相撞，產生的大量碎片從它們所在的軌道拋出，散布到廣闊的太空，形成了更多新的太空垃圾。

　　而這也正是令科學家更為擔心的“雪崩”效應：隨著空間碎片數量不斷增多，這些碎片之間的碰撞幾率也不斷增加，從而產生更多的碎片，當碎片的數量累積到一定程度，將會使航天活動無法進行，近地空間完全失去使用價值。

　　事實上，國際空間站近年來也頻遭太空垃圾“偷襲”。去年3月12日，由于一塊直徑約12.7厘米的太空垃圾接近國際空間站并可能對其構成威脅，空間站內的3名宇航員曾緊急疏散到與空間站對接的“聯盟”載人飛船上避風頭。在隨后的3月17日，美國“發現”號航天飛機與國際空間站對接時，一塊衛星碎片也在接近空間站，但該碎片沒有對空間站構成威脅，而是保持著安全距離“擦身而過”。然而，僅僅一周之后的3月23日，“發現”號宇航員計劃完成返航前最后一次太空作業時，卻再次面臨太空垃圾挑戰。為防止與這塊約10厘米碎片“親密接觸”，國際空間站與“發現”號不得不調整位置，減速行駛大約3小時。連番遭遇垃圾“騷擾”，令宇航員阿里巴魯霍無奈地感嘆，躲避這些垃圾“是項大任務，非常累人，有時把人折騰得精疲力竭”。

　　打造空間“吸塵器”

　　據專家測算，目前太空軌道上每個航天器發生災難性的碰撞事件的概率為3.7%，而發生非災難性撞擊事件的可能性高達20%。英國南安普敦大學的空間碎片專家休·劉易斯說，在未來50年中，預計將發生5起到10起碰撞事件，由此還會產生大量太空垃圾。“躲”垃圾終究不是長遠之計，英國科學家率先研制出了首個專為清掃太空垃圾而度身定制的小型飛行器，并于3月26日揭開了這個比鞋盒還小的自毀式太空“吸塵器”的神秘面紗。

　　據英國《新科學家》雜志網絡版報道，這個被稱為“立方帆”的納米級衛星重約3公斤，大小約為30厘米×10厘米，展開后如同一個風箏。它是由歐洲宇航防務集團阿斯特里姆空間技術公司資助、以研究小衛星著稱的英國薩里大學薩里空間中心的科學家設計并研發的。顧名思義，“立方帆”使用了可借助太陽能的太陽帆作為動力推進系統，不過，這面帆還有另一個獨特功能，那就是作為“軌道剎車”，幫助它脫離軌道，墜入大氣層燒毀。

　　薩里空間中心負責該項目的瓦爾斯·拉帕斯說，“立方帆”將搭載在一個500公斤以下的小型飛行器上，預計將于明年晚些時候發射到地球上空700公里處的近地軌道，并展開其大約5米×5米的帆，然后分兩步進行垃圾清理測試：位于低軌道的太空垃圾，它將直接用展開的帆將其黏住；至于在較高軌道上的垃圾，就要借助太陽能動力去接近了。

　　即使在700公里這樣的高度，仍然存在著稀薄的大氣分子，這些大氣分子產生的阻力會拖拽著近地軌道上的衛星“放慢腳步”，直至將它們拉回大氣層燒毀。不過，依靠這種方式來消除太空垃圾，其速度遠遠跟不上太空垃圾制造的步伐。因此，太陽帆要做的就是增加大氣分子的阻力，幫助大氣分子盡快贏得“拔河賽”，這樣就可以讓“立方帆”脫離軌道掉落大氣層化為灰燼的時間由幾十年縮短到短短的幾年。

　　不過，從既往實驗來看，飛行器在軌道上展開攜帶裝置或者讓攜帶裝置充氣膨脹，十有八九都會因為零部件卡住或失靈而以失敗告終。尼古拉斯·約翰遜說，去年美國Aerocube 3衛星曾試圖測試一個可充氣的阻力增強裝置，結果沒有成功，而之前在太空中展開太陽帆的嘗試也都遇到了問題。

　　薩里空間中心的研究人員希望，利用彈簧支架設計的這個精巧構造在太空中也能夠如同在地面演示的一樣成功打開“立方帆”。拉帕斯說，目前他們是在1克的重力條件下（g取值為9.8牛頓/千克，表示質量1千克的物體受到的重力是9.8牛頓）而非零重力環境中進行的地面測試，因此太空測試面臨的挑戰是巨大的。

　　拉帕斯說，如果“立方帆”能夠按照預想中的那樣成功工作，未來的衛星也可以安裝一個類似的帆，當它們在太空中的使命完成并成為太空垃圾時，這面帆就可以自動將它們帶回大氣層燒毀；或者，也可以將成群結隊的“立方帆”發射到近地軌道上，讓它們去網羅在太空中游蕩的殘骸和碎片，然后用同歸于盡的方式將這些垃圾清除。

　　拉帕斯表示，目前美國、日本、俄羅斯等國也在做相關的研究，他們的這項技術將打開低成本清理太空垃圾的大門，預計將來給用戶提供服務的價格約在幾萬到幾十萬英鎊之間。

　　聯合國外層空間事務處建議，各航空公司在其火箭推進器或者衛星任務期結束后25年內，應設法將它們從太空中弄下來。如果這一建議得以通過立法成為國際規范，類似于“立方帆”這樣的技術很可能會成為一個標準配置，就像汽車中的安全氣囊一樣。一旦“立方帆”投入商業使用，其市場價值將極其誘人，因為小衛星占全球衛星發射總量的70%。

　　“掃垃圾”也要有創意

　　為了控制和減少太空垃圾對人類的潛在威脅，專家們提出了許多對策，基本上可以歸結為四個字：避、禁、減、清。

　　所謂“避”，就是通過加速發展太空監視系統，對太空垃圾進行嚴密跟蹤，及時發布預警，使航天器采取有效的技術手段避開太空垃圾。美國和俄羅斯各自都有先進的追蹤系統，歐洲航天局也在對所有在近地軌道上運行的太空垃圾進行編目，以便更好地掌握它們的動向。

　　所謂“禁”，就是國際上制定有關空間法規，禁止在空間進行各種武器的試驗和部署，限制發射核動力衛星，使空間成為為人類文明服務的和平空間。

　　所謂“減”，就是發射航天器的國家應采取措施，盡量減少太空垃圾的增加。對末級火箭采取未燃盡推進劑和高壓氣體排空，避免末級火箭爆炸。

　　所謂“清”，就是主動出擊，開發太空垃圾清理技術。清除太空垃圾既可以掃去人類進軍太空路上的“絆腳石”，還有巨大的經濟效益，這樣一舉兩得的買賣，各國相關機構自然趨之若鶩。不過，關于太空環境治理目前還僅限于研究分析，該領域沒有任何商業機構在運營。以下是科學家提出的一些富有創意的“掃垃圾”方案：

　　太空垃圾清掃機美國發明了一種巨大的風車式空間碎片清掃設備，用于處理直徑小于1厘米的垃圾。這種“太空風車”有4個金屬扇葉，每個扇葉長400米、寬45米。當垃圾與扇葉碰撞時，微小的垃圾碎片就嵌入了金屬風葉從而達到清除的目的。即使稍大一點的垃圾打穿風葉，由于碰撞使垃圾的速度大大降低，沒有足夠的速度來維持它繼續環繞地球運動，因此將逐漸墜入地球大氣層而燒毀。

　　在美國宇航局的尼古拉斯·約翰森看來，發射一個直徑為1.6千米的巨大聚氨酯球到近地軌道上去攔截漂移的太空垃圾也是個不錯的主意。在聚氨酯球的撞擊下，碎片會失去能量，改變軌道，跌向地球大氣層。不過，相對于其體積而言，聚氨酯球的重量偏輕，容易在太空中失去控制，偏離既定軌道，反而成為威脅航天器的潛在“殺手”。

　　太空垃圾回收車 在太空軌道指定地點上，太空垃圾回收車能夠將散落的殘骸收集和封裝起來，相當于太空中的“清潔工”。

　　比較有代表性的是一個被稱為“空間工友”的方案，該設備由12只空間“垃圾箱”組成，在地球同步軌道上運行。當太空垃圾飛過時，它會伸出由電腦控制的機械臂抓住目標，放進“垃圾箱”后將其分割切碎，使其墜入地球大氣層燃燒自毀。

　　還有一種回收裝置是讓衛星帶上一個用輕型電子繩連接的收集網，當衛星到達指定位置后，會自動松開長繩。收集網裝進一定量的垃圾后，在地球磁場作用下，就會帶著垃圾一起墜向大氣層。

　　另一種被稱為“黏性人造垃圾回收軌道球”的方案引起了美國宇航局的興趣，同樣是利用泡沫球，在球身上涂滿特殊黏合劑，就可以黏住過往的碎片垃圾。

　　日本研究人員也開發出了一款“機器人清潔工”，借助一條長達數公里的電纜，用帶有強力電磁鐵的機械臂牢固地抓住報廢的人造衛星或是火箭殘塊，并將它們收集起來拋入大氣層燒毀，對于清除較大的太空垃圾非常適用。其長度在50厘米到70厘米之間，重量約140公斤。據日本宇宙航空研究開發機構估算，建造一部這種機器人需花費大約400萬美元。

　　激光掃帚 從地面或者太空發射激光，將太空垃圾推至離地球更近的軌道，使其在地球引力作用下加速下落。

　　美國宇航局從2000年開始就在進行“激光掃帚”試驗，計劃幫助清理國際空間站運行軌跡上直徑在1厘米到10厘米之間的太空垃圾。一旦某個太空垃圾目標被鎖定，“激光掃帚”將發出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使該部分氣化，然后利用氣體的反作用力推動太空垃圾朝地球的方向運動，最終使其進入大氣層燒毀。

　　但是激光發射裝置非常昂貴，可以擊中的目標有限，而且國際社會希望制定公約禁止在外太空部署激光武器，這將是應用這種設備面臨的另一個障礙。

　　自殺式衛星有科學家建議給每顆衛星添加額外的燃料，一旦其工作壽命結束，便用剩余的燃料將衛星推離軌道，降落至大氣層焚毀。但這無疑會使衛星成本大大提高，同時燃料的重量也會減少衛星的有效負荷。而且，衛星上的控制系統必須確保正常運轉，否則衛星有可能會失去控制并最終成為近地軌道上的太空垃圾。

　　用額外燃料將報廢衛星送至“墓地”。還有科學家希望用額外燃料將“壽終正寢”的衛星送到更高的“墓地”軌道，但這同樣存在衛星運轉系統失靈的風險。另外，有研究顯示，“墓地”軌道上的廢棄衛星會因太空中微小隕石的不斷撞擊而逐漸分解，殘骸會返回到低軌道，不但清理更加困難，而且對其他在軌衛星構成了威脅。

　　借助“終結繩索”讓衛星自毀。在衛星正常運行期間，把一根長度為5000米的細導線繞成一個線圈，放置在衛星內部。當接到地面指揮中心下達的衛星報廢指令時，這根“終結繩索”便會自動打開，產生巨大電流，形成電離層。電離層與地球磁場相互作用，使地球磁場形成向下的拉力。這種拉力會讓衛星降低軌道，只需幾個星期或幾個月便可墜入大氣層自行燃燒。

　　這種方法不僅簡便廉價，而且可以大大加快衛星從軌道上脫離的速度。該計劃獲得了美國宇航局和五角大樓的資金支持，目前已成功進行了數次失重條件下的試驗。

　　發射“自殺式襲擊”衛星另外一種方案，就是發射一顆可以實施“自殺式襲擊”的衛星，其體積只有足球那么大，重6千克，配備4個小型攝影機，能夠很容易發現目標。一旦偵察到太空垃圾，便依附在垃圾上，使其速度降低，最后進入大氣層，與太空垃圾同歸于盡。英國薩里空間中心的“立方帆”就屬于這一類。

　　盡管清理太空垃圾前景誘人，但尼古拉斯·約翰森表示，目前航天界還未能找到一個在技術和經濟上都行之有效的方案。同太空垃圾的斗爭，還需要各方合作，多重防控政策和手段并用，才有望實現標本兼治的目的。

　　

　　法國“西雷斯”衛星與阿麗亞娜火箭殘骸相撞示意圖

　　

　　近地軌道上的垃圾帶

　　

　　英國薩里空間中心研制的“立方帆”

　　

　　火箭推進系統與衛星分離后爆炸是太空垃圾的一個主要來源

　　

　　日本的“機器人清潔工”可用于清除體積較大的太空垃圾