如何科学地清理太空垃圾？

太阳系中拥有行星环的行星虽然只有木星、土星、天王星和海王星,但现在，地球看起来也逐渐拥有了自己的“行星环”。构成地球“行星环”的物质并非星体碎片和岩屑，而是人类亲手制造的“白色污染”——太空垃圾（Space debris）。

什么是太空垃圾

太空垃圾又有空间碎片或轨道碎片之称，主要包括世界各国的运载火箭和航天器在发射过程中产生的碎片与废弃不用的卫星，以及航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片等。航天器上脱落下去的漆块，甚至轨道上爆炸的火箭残留下的发动机都能成为环绕地球运行的太空垃圾。

太空垃圾的形成需要追溯到1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”，它的废弃是太空“白色污染”的开始。随之而来的就是太空垃圾大爆发。

伴随着世界各国的航天技术发展，太空发射任务达到了空前的膨胀，目前全世界已经有超过4000次的发射记录。虽然报废的航天器大部分坠入大气层并且烧毁，但是仍有近4500吨的太空垃圾运行在地球周围的轨道上。

太空垃圾产生的原因

人类有意或无意造成的航天器爆炸是太空碎片产生的主要原因。“冷战”时期的美国和前苏联就曾进行过多次卫星拦截试验和爆炸试验。几十年间各国在轨火箭爆炸事件屡见不鲜，航天器所遗弃的零件也同样构成了蓝天之上那些看不见的“白色污染”。

这导致的直接结果就是产生了大约6000个可以看到并跟踪的太空垃圾碎片，其中直径超过一厘米的太空垃圾，更是多达20万个。

太空垃圾存在的危害

据美国宇航局估计，目前近地轨道约有2.7万至3万个体积大于10立方厘米的太空垃圾，日夜围绕地球同步轨道旋转。它们以每小时2万公里的速度绕地球运动，而这个速度相当于客机的70到80倍。

这些高度运行的太空垃圾对航天器以及航天员存在着巨大的威胁，一旦与正在运行的卫星相撞，将带来毁灭性的后果。

1991年12月，俄罗斯已经废弃的人造卫星“宇宙1934”与飞船“宇宙926”释放出的一大块物体相撞，随即发生爆炸。

2009年2月10日，美国一颗通信卫星与俄罗斯一颗已经报废的卫星在西伯利亚790公里上空相撞。这次撞击成为太空中首次发生的在轨卫星相撞事件。

2013年3月9日，一颗俄罗斯卫星与一片中国卫星被击毁之后产生的碎片相撞，又一颗被安置在太空中的“定时炸弹”再次被引爆。处理大气层外的这些“白色垃圾”，刻不容缓。

太空垃圾的治理

太空垃圾所引起的“雪崩效应”已经开始得到科研人员的高度重视。目前应对太空碎片这些“冷杀手”的主要手段就是规避碎片。

各个国家通过建立预警机制，在确认航天器可能与较大的太空碎片发生碰撞时，利用航天器自身的动力进行机动变轨，使航天器离开原有的和空间碎片有碰撞危险的轨道，转移到另一条安全的轨道上。

成功回收的航天器表面多数处于“伤痕累累”的状态，因此各国也通过增加航天器表面的强度，来应对体积较小的空间碎片，从而减小那些“不期而遇”的碎片带来的破坏。

面对太空碎片日趋严重的太空威胁，很多国家都提出了解决方案。美国提出了太空碎片清除系统，通过把大气气体脉冲发射到目标碎片必经路线上，增加太空垃圾的摩擦力，令其下降坠落到地球大气层里。

俄罗斯则计划于2018年开始研发名为“扫除者”的航天器，用以将太空垃圾送到更高的空间轨道上或者送往地球降落在太平洋海域。

太空“清道夫”——立方帆

然而，目前最有可能实现的太空垃圾治理方案则是由英国科学家提出的太空“清道夫”---立方帆，用于将太空中遗弃的卫星或者失灵的火箭带回地球。

立方帆其实为一颗微小的卫星，约重3千克，尺寸为，它可以与其他卫星一同搭载火箭进入太空，从而降低成本。立方帆内部安装有一张折叠起来的聚合膜。发射到太空之后，这张膜就会张开，面积可达25平方米。

第一步：进入太空展开薄膜

“清道夫”身上装备了四个小型摄像机，用于侦测太空垃圾。因此一旦立方帆附近出现太空碎片时，地面人员就会发出指令，小型动力装置就会开启，靠近太空碎片进行“对接”工作，使立方帆自身与碎片结合为一体。

第二步:与太空垃圾进行“对接”

为节省能源，立方帆巧妙地采用了一套应用微型马达来倾斜风帆的技术。马达可以在两个维度上移动来改变风帆的重心，同时使用小型磁铁的磁场与地球磁场的相互作用来控制风帆。这样，“清道夫”就会带着太空碎片脱离轨道。

第三步：携带太空垃圾返回大气层

由于阻力的作用，立方帆的速度不断降低，万有引力会大于碎片运行所需的向心力，从而轨道高度会随之降低，太空垃圾与立方帆最终会在坠入大气层的过程中一同被烧毁。

原来那些轨道高度为600公里左右的太空垃圾自行坠入大气层需要几年的时间，而在立方帆的作用下，这个时间可以大大缩减。立方帆项目的投资只有100万欧元左右，这将是科学家再次用智慧展现如何做到“四两拨千斤”。

最后：一同坠入大气层烧毁

立方帆的研制为太空垃圾的治理带来了信心，虽然立方帆的控制还存在一定的技术，但是随着科技的发展，科学家终将克服这些难题，太空污染将会被有效控制。在不远的将来，“白色污染”将会被清除，重返太空一片清洁。

（出品：科普中国；制作：超导与航天新战队徐明研究团队；监制：中国科学院计算机网络信息中心；“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。如需转载请与移动端科普融合创作办公室mobile@cnic.cn 联系。）

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